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生命之舟里的化工新材料
文章来源:中国化工报     点击数: 次     更新时间:2021-06-29 14:44

 “神舟”这一承载着中华民族千年飞天梦的光辉名字,已经传遍大地。近日,神舟12号载人飞船再次担负重任,在长征二号F遥十二运载火箭的帮助下载着3名航天员驶向太空,与天和核心舱完成对接,随后便是历史性的一刻——中国航天员首次进入自己的空间站。在这历史性时刻的背后,化工行业也为中国的航天事业作出了一份贡献。这一次,在“生命之舟”的背后,有哪些化工材料扮演了重要角色?

  热控制材料:为神舟飞船披新衣

  这一次,神舟12号载人飞船与身着灰色调外衣的“前辈”相比,更加靓丽。这件外衣是由航天科技集团五院529厂历时两年精心研制的一款新型低吸收、低发射热控涂层。

  此次飞船要比以往在太空停留的时间更久,面对的空间环境也更加恶劣。由于飞船迎向太阳侧的舱体表面温度将高达90℃,背向太阳侧的舱体表面温度则低至-30℃。这种温差将对神舟飞船内部的空气温度造成严重波动,航天员的生活环境与多种精密设备在舱内也会受到影响。不仅如此,长时间的太空停留,还会使飞船经历持久的高强度紫外线照射,材料损耗将非常严重。因此,给神舟飞船穿一件特制的外衣就显得尤为必要。

  这件低吸收、低发射热控涂层的外衣,是一种喷涂在航天器外表面的热控制材料。它具备对太阳辐照的低吸收强反射能力,可以减少飞船受太阳长时间辐照导致的内部升温现象,再通过极低的红外发射特性,在飞船处于背阳面时减少辐射漏热,减缓舱内温度下降速率,起到保温效果。不仅如此,这款外衣还具备抵抗空间中高能紫外辐照、原子氧轰击以及多种高能粒子与电离辐射攻击的功能,成为飞船外部的保护屏障。

  高强度碳纤维:保障神舟平稳运行

  飞船内还应用了各类高端材料及智能化技术,保障了航天员的正常工作、生命安全及飞船的平稳运行。

  碳纤维作为一种新兴材料,它的重量轻过铝,却拥有着比钢铁更为坚固的强度,而且还具备耐高温、耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳等优良特质,广泛应用于航空航天制造业领域。在此次神舟飞船发射和返回过程中设计人员为航天员设计出高强度碳纤维材料的操纵棒,其操纵棒把手根据航天员手掌的正常抓握状态进行赋型设计,能够极大满足航天员操作过程中的舒适度要求。同时,操纵棒杆体可以根据现场条件在一定范围内任意调整操纵棒长度,并且杆体采用高强度碳纤维材料,实现手感舒适的要求。

  此外,在技术性能上,飞船的智能化水平也在不断提升,内部主要由飞船控制计算机自主计算和执行轨道控制。在芯片方面,此次飞船进行了多项国产化芯片应用改进,具有高精度、低老化、抗震温补晶振等性能,优于进口。元器件和原材料全面实现自主可控,飞船使用的控制计算机、数据管理计算机完全使用国产CPU芯片。

  高性能纤维:让航天员太空漫步

  这一次,航天员将穿上国产舱外服开展出舱活动及舱外作业。与之前的舱外服相对比,全新一代舱外服不仅在设计中增添了许多新元素,还优化了更多功能。

  “太空环境非常复杂,强宇宙射线辐射、极大的温差、微重力以及高真空等特点会对航天员产生直接影响,甚至威胁生命安全。如果没有舱外服的保护,就不能实现出舱作业。所以舱外航天服的设计有非常多需要考虑的地方,还需要高科技的支持。”南京航空航天大学航天学院教授闻新介绍。

  据了解,新一代舱外服总共有6层。由特殊防静电处理过的棉布织成的舒适层,橡胶质地的备份气密层,复合关节结构组成的主气密层,涤纶面料的限制层,通过热反射来实现隔热的隔热层,以及最外面的外防护层。外层的防护材料可耐受±100℃以上的温差变化。可以连续工作6小时,最长可以达到8小时,最大限度保证航天员出舱活动时的安全,并开展一系列的空间站复杂操作和相关载荷试验。

  在航天员的舱内用鞋方面,东华大学航天员舱内用鞋研发设计团队负责人、东华大学国际时尚科创中心教授郑嵘介绍,舱内用鞋的材料以热塑材料、混纺针织材料为主,保证了航天员在飞船舱内及空间站失重环境下进行活动时脚部的舒适和安全。同时,考虑到舱内的微重力状态以及飞船载人的重量要求,舱内用鞋比日常百姓穿的普通鞋要轻很多。

  聚碳酸酯共聚物:清晰探索神秘宇宙

  舱外服头盔面窗可谓是航天员的“眼睛”,不仅要给航天员提供清晰、良好的视野,也是航天员生命保障最关键的部件之一。

  郑州大学橡塑模具国家工程研究中心执行主任、教授刘春太介绍:“作为航天服最薄弱的环节,面对巨大的气压,面窗有任何裂纹,都可能让航天员面临生命危险。”据了解,舱外服头盔面窗所用材料由聚碳酸酯或聚碳酸酯的共聚混合物组成。为了提高航天面窗的抗老化性能,项目组研究了聚碳酸酯热稳定性,使得头盔面窗具有高抗冲击性、高光谱透过率等特点,能对300℃温差说“不”的面窗产品各项性能指标完全满足航天要求。

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