哈工大打造“地面空間站”

建設(shè)中的空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)核心設(shè)備。

正在施工的300MeV質(zhì)子重離子加速器弱電橋架工程。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器成功傳回世界第一批月球背面近距離探測數(shù)據(jù)，揭開了古老月球背面的神秘面紗。在月表高真空、高低溫、帶電月塵、復(fù)雜月形月貌等多因素極端環(huán)境下，科學(xué)家是怎樣保證“嫦娥四號”開啟月球背面探索之旅的？

“老亮了！”2021年7月4日，神舟十二號航天員劉伯明成功出艙，將東北話帶到宇宙。與東北話共同“出圈”的，還有哈工大為神舟十二號提供的多項航天技術(shù)支撐。航天員身上穿的頭部帶神燈和傳感器，顏值滿分、科技感爆棚的新一代國產(chǎn)艙外航天服，面對磁暴、高能粒子輻照、高速微流星和空間碎片等極端空間環(huán)境，如何保障宇航員在中國空間站艙外工作時的生命安全？

能不能在地球上建一個實驗室，用于模擬太空環(huán)境？

在國家“十二五”規(guī)劃項目建議征集階段，哈爾濱工業(yè)大學(xué)匯聚全球一大批科學(xué)家，把空間綜合環(huán)境與物質(zhì)的相互作用的科研建議提交給了國家。而今，這項被稱作“大科學(xué)工程”的“空間環(huán)境地面模擬裝置”建設(shè)，正在宏圖變現(xiàn)實。

為了這一天的盡快到來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一群“拓荒牛”，已經(jīng)奮斗了16年。

地球上建“地面空間站”

建一座包羅萬象的“地面空間站”有多難？可以綜合模擬九大類空間環(huán)境因素、具有國際領(lǐng)先水平的“空間環(huán)境地面模擬裝置”從提出建設(shè)概念到實施建設(shè)，就花了十余年的時間，大到整座建筑的功能設(shè)計，小到一顆顆螺絲釘?shù)牟馁|(zhì)，都凝結(jié)著設(shè)計師和哈工大科技工作者們的巧思、熱情和想象力。

“空間環(huán)境地面模擬裝置，就是要在地球上建設(shè)一個與月球、火星等真實宇宙空間環(huán)境相似的‘地面空間站’�！惫�工大大科學(xué)工程常務(wù)副總指揮、常務(wù)副總師、空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院院長李立毅告訴記者，項目建成后，很多需要在進入太空才能進行的實驗，在“空間環(huán)境地面模擬裝置”就能夠完成。

“真空、微重力、電磁輻射、粒子輻照、高低溫、等離子體、磁場……這些存在于太空的環(huán)境因素，聽起來與我們的生活遙不可及。但如果將空間環(huán)境研究透徹，對人類發(fā)展的意義將是非凡的�！崩钤洪L進一步解釋道，這項大科學(xué)工程揭示空間環(huán)境條件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化規(guī)律和各種環(huán)境耦合效應(yīng)的物理本質(zhì)�！绊椖繉⑼ㄟ^研究太空環(huán)境下的器材/器件和系統(tǒng)、生命體、等離子體的影響，解決制約航天器高可靠長壽命的瓶頸問題、增強人類空間駐留和利用環(huán)境資源的能力、提高對空間極端環(huán)境的認(rèn)識和防控能力�！�

據(jù)悉，空間環(huán)境地面模擬裝置是《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012-2030年）》“十二五”建設(shè)的16項國家“大科學(xué)工程”項目之一，是國家部署在東北地區(qū)的首個、也是我國“十二五”期間在空間科學(xué)領(lǐng)域唯一國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目。2017年8月29日，空間環(huán)境地面模擬裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作研討會召開，哈工大與中國航天科技集團公司共建的大科學(xué)工程項目正式開工建設(shè)。

將解決多項航天技術(shù)“卡脖子”問題

“2017年9月之前，這塊地還是一片農(nóng)田、魚塘�！倍�今，望著眼前拔地而起的高樓和潔凈的柏油路面，哈工大大科學(xué)工程調(diào)度王晨的喜悅之情溢于言表。他說，項目的建安工程分為“一大三小”，包括空間綜合環(huán)境實驗樓、空間等離子體科學(xué)實驗樓、空間零磁環(huán)境科學(xué)實驗樓和動物培養(yǎng)室。大科學(xué)工程建設(shè)基建已進入尾聲階段，大型設(shè)備開始入場安裝調(diào)試。記者參觀了建設(shè)現(xiàn)場。

空間綜合環(huán)境實驗樓內(nèi)，四個巨型金屬裝置看似平淡無奇，實則各個“有內(nèi)涵”�！翱臻g綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)，用來模擬太陽系6大類典型環(huán)境因素，包括真空、高低溫、電磁輻射、粒子輻照、空間粉塵等�！惫�工大空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院空間材料與環(huán)境工程研究室主任李麗芳說。

談起空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)的“寶貝”，李麗芳如數(shù)家珍�！拔覀兿到y(tǒng)有國際上環(huán)境因素最多的綜合輻照艙，國際上唯一動態(tài)實現(xiàn)月塵充正電和負(fù)電的大型月球多因素極端環(huán)境模擬器——月塵艙，國際上實現(xiàn)火星表面低氣壓大跨度風(fēng)速塵暴的火星塵艙，可加速空間微納粉塵最高速度達(dá)到70km/s的高速粉塵艙，國際上唯一可模擬地球低軌原子氧-紫外-質(zhì)子耦合效應(yīng)的原子氧艙。這些設(shè)備都配備了先進的原位測試儀器，可以在艙內(nèi)實現(xiàn)實時在線測量�！�

她透露，空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)建成后，將為我國載人航天工程，月球、火星和小行星深空探測，我國空間站建設(shè)等重大航天工程提供世界領(lǐng)先水平的科研平臺和型號產(chǎn)品試驗標(biāo)校環(huán)境，解決高性能航天材料和器件等“卡脖子”問題，實現(xiàn)自主可控，保障航天器可靠、長壽命在軌服役。

走進空間等離子體實驗樓，直徑5米，分別長10.5米和6米的兩個大型真空模擬艙傲然挺立，空間等離子體物理研究室主任金成剛介紹：“大氣層以外99.99%以上的可見物質(zhì)都是以等離子體狀態(tài)存在，航天器就在等離子體的海洋中航行，等離子體的分布和演化規(guī)律主導(dǎo)了空間天氣變化，對航天器的服役有著重要的影響。空間等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)研究磁場重聯(lián)、波-粒相互作用等影響空間等離子體環(huán)境的關(guān)鍵物理過程，以及被列為航天十大難題之一的通信黑障問題�！苯鸪蓜偢袊@道：“等離子體裝置各設(shè)備之間的接口關(guān)系非常復(fù)雜，自建設(shè)以來僅接口技術(shù)協(xié)調(diào)會就開了700多次，我們和中國工程物理研究院流體物理研究所、航天科技集團514研究所、合肥科燁電物理公司等外協(xié)單位一起攻克了瞬態(tài)大電磁力沖擊下的運動支撐、大電流分流與匯流等多項關(guān)鍵技術(shù)，裝置將在明年試運行，初步具備實驗條件，裝置建成后將在國際上首次實現(xiàn)三維地球磁層空間等離子體環(huán)境模擬�！�

“由射頻屏蔽層、主動屏蔽線圈組和七層電磁屏蔽層構(gòu)成的像俄羅斯套娃的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部可實現(xiàn)接近零磁的空間。”在空間零磁環(huán)境科學(xué)實驗樓，空間磁環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)負(fù)責(zé)人潘東華告訴記者，該實驗室是要在地面模擬一個低磁、零磁的環(huán)境�！澳壳拔覀兯�在的環(huán)境是5萬納特斯拉的地球磁場。未來我們要在實驗室把靜態(tài)磁場抑制到0.1至0.2納特，重點關(guān)注低磁環(huán)境下，材料、器件、航天器的變化，以及長期停留在空間站磁場對人體的影響�！�

“高能射線在地面上感受不到，如果太空中高能射線打在航天器上，會影響航天器的性能�！奔铀倨餮芯渴抑魅蝿�劍利看上去就像是工地現(xiàn)場施工的工人，卻是學(xué)富五車的粒子物理學(xué)博士。他說，加速器系統(tǒng)主要模擬宇宙空間不同種類、不同能量的粒子和射線，為航天器材料、器件、生命體的研究、評價提供技術(shù)條件。目前與外協(xié)單位——中科院近代物理研究所在建的一套300MeV質(zhì)子重離子加速器，是全國唯一一個此類航天器空間輻照研究專用的加速器，建成后，預(yù)計每年可提供4000小時的服務(wù)機時。

“國家需求就是我們科技攻關(guān)的方向”

2021年7月10日，“空間環(huán)境地面模擬裝置” 綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)綜合輻照模擬試驗艙、月塵環(huán)境模擬試驗艙熱真空測試工作圓滿完成，在地面實現(xiàn)太陽系真空、低溫兩大類典型環(huán)境因素模擬。

“自2020年11月20日真空容器進場以來，在江北施工現(xiàn)場連續(xù)無休奮戰(zhàn)233日，克服了冬季施工、新冠疫情以及國際貿(mào)易摩擦等帶來的諸多困難與挑戰(zhàn)，與航天科技集團511研究所、中國原子能科學(xué)研究院、中科院長春光機所等外協(xié)單位攻克了多項關(guān)鍵技術(shù)，完成了四大類環(huán)境模擬設(shè)備集成安裝，為裝置國家驗收提供有力支撐�！崩铥惙颊f：“青年人面臨科研方向選擇的時候，個人愛好能和國家需求聯(lián)系在一起會是非常幸運的，國家需求就是科技攻關(guān)的方向�！�

談起為之傾注整個“青蔥”歲月的“大科學(xué)工程”，今年39歲的潘東華感慨不已。他說，是“大科學(xué)工程”幫助了自己成長，擴展知識和經(jīng)驗，在克服困難和挫折中不斷收獲信心。

2011年，潘東華還在讀博士，得知需要磁環(huán)境技術(shù)，他表現(xiàn)出了極大的興趣。

“這是一個大膽且不按常理出牌的創(chuàng)新設(shè)計，也是當(dāng)時空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院在研發(fā)工作中面臨的最大難題，簡直是天方夜譚�！闭f起當(dāng)初的情景，潘東華至今仍然激動不已�！皬�5萬納特到0.1納特這樣的跨度，這個指標(biāo)非常難，但也是非�？释�的�！�

如何實現(xiàn)0.1納特指標(biāo)？如何測試獲得近零磁環(huán)境下軟磁材料磁特性數(shù)據(jù)？如何解決屏蔽結(jié)構(gòu)中各類跨尺度磁阻（相差高達(dá)5個數(shù)量級）的計算方法？磁對航天器或生命體又會產(chǎn)生什么影響?

“在這期間，我們通過自己的努力，成功建立了跨尺度磁路的多層屏蔽結(jié)構(gòu)的分析計算方法，形成了集成主體隔振的新型主被動耦合式磁屏蔽方案及設(shè)計方法，并在學(xué)校的支持下完成了樣機制造及實驗驗證，也是最關(guān)鍵的一步�！迸藮|華說，“面對這些問題，我們青年人應(yīng)該出一份力，用自己所學(xué)盡最大努力攻克難題，承擔(dān)起‘回饋公眾，回饋社會，回饋國家’的責(zé)任。”

2011年12月，劉劍利博士剛回國，得知“空間環(huán)境地面模擬裝置”擬建設(shè)高能質(zhì)子加速器，他表現(xiàn)出了極大的興趣�！按笮图铀倨餮b置是我們研究領(lǐng)域需要的基礎(chǔ)平臺，由于其規(guī)模龐大、技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)周期長的原因，一輩子能有機會參加一個這樣的項目就是一種幸運！”他說。帶著這樣的幸運感，劉劍利博士投身到了“空間環(huán)境地面模擬裝置”的項目論證和建設(shè)中，從一個項目的新人變成了項目的老人。

說起工作中的艱辛，他說：“這個項目的重要性和發(fā)展?jié)摿κ且婚_始就知道的，但項目進行過程中的困難確實是沒有預(yù)料到的。高能射線粒子本身雖然尺度非常小，但卻需要規(guī)模龐大的裝置才能獲得，為了獲得想要的束流，需要成百上千個設(shè)備共同工作才能實現(xiàn)，需要多個學(xué)科專業(yè)的大量工程技術(shù)研究人員配合工作。加速器裝置一旦開機就24小時不停機運行，要求工程技術(shù)人員對自己的設(shè)備就像自己的孩子一樣清楚和關(guān)心，才能保證裝置的高效運行。為此，大家只能放棄節(jié)假日，從設(shè)備的設(shè)計，到加工、安裝、測試、調(diào)試每一個環(huán)節(jié)去不斷熟悉�！碧崞鹑瞬诺钠惹行枨�，劉劍利博士深有感觸地說：“在我們這個項目上，為了引進一位人才，省委組織部都出面為我們解決了人才家屬的工作問題�！�

在近五年的時間里，這支隊伍沒有雙休日，沒有節(jié)假日，技術(shù)廠房、測試大廳和總裝大廳在深夜仍然燈火通明，工作24小時緊鑼密鼓地進行。他們沒有一天放松警惕，沒有一天放松標(biāo)準(zhǔn)。

“疫情期間，整個松北區(qū)只有我們一個工地在施工，上百噸重的設(shè)備全部需要在現(xiàn)場安裝，是個艱難的工程�！�33歲的李云龍主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)大科學(xué)工程建設(shè)中的設(shè)備安全保障工作。設(shè)備進場那天，哈爾濱暴雪，他帶領(lǐng)團隊在零下30多攝氏度的極寒天氣中，徒手搬運設(shè)備三個小時。

“圖什么？曾經(jīng)有人問過我同樣的問題。我說，我在做一件值得一輩子驕傲的事，以后我也可以跟我的孩子說，這個世界上頂尖的科學(xué)工程是爸爸建的。我也能為國家的重大工程貢獻(xiàn)自己的一份力量�！泵鎸τ浾叩奶釂枺�性格外向的李云龍濕了眼眶。

在地球上模擬太空環(huán)境的想法，起初，并不是所有專家都看好。選址、論證、立項、建設(shè)，哪一步都不易。

技術(shù)和工程上的巨大難度，沒有可復(fù)制的經(jīng)驗，哈工大人秉承“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)”的“載人航天精神”，克服了各種難以想象的艱難險阻。

7月1日那天，范立國臨時接到任務(wù)，他負(fù)責(zé)的冷卻水系統(tǒng)要配合綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)做熱真空測試。然而在模擬運行當(dāng)中，他通過末端濾芯觀察到循環(huán)水中存在焊渣雜質(zhì)。“這種水質(zhì)下是不能進行測試實驗的，焊渣會對精密設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響�！�

范立國突然調(diào)高了音量和語調(diào)，對記者說，“我一個人將大型精密過濾器拆開，對其罐體及濾芯進行清洗，每循環(huán)過濾兩個小時進行一次排水，就這樣，從7月2日早八點，我連續(xù)工作了整整36個小時，終于使水質(zhì)達(dá)到了使用要求�！彼�用手抹了把眼淚，接著說：“那天經(jīng)歷是我這輩子上過的最難忘的黨課了。作為一名共產(chǎn)黨員就應(yīng)該沖在最前面，面對問題，帶頭解決問題。我將值班記錄及操作流程親自轉(zhuǎn)交給下一位值班同事后放心離開了。”

助力龍江打造國際航天科研學(xué)術(shù)中心

“航天夢是強國夢的重要組成部分。我們要全力建設(shè)好大科學(xué)工程，為‘航天大國’邁向‘航天強國’作出貢獻(xiàn)�！崩盍⒁阍洪L表示，依托我國正在建設(shè)的“天宮”空間站和“空間環(huán)境地面模擬裝置”，努力打造空間在軌實驗、地面模擬實驗，以及計算機數(shù)值模擬三位一體的天地一體化國家空間環(huán)境與物質(zhì)作用研究體系。

大科學(xué)工程是面向國內(nèi)外開放共享的用戶設(shè)施，其科學(xué)價值需要大量的用戶群來成就�！皣鴥�(nèi)外的科學(xué)家們，已經(jīng)迫不及待地要來開展空間科學(xué)實驗了�！� 哈工大空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院副院長鄂鵬興奮地向記者透露一組數(shù)據(jù)，目前已有國內(nèi)外110余家高校和科研院所與“大科學(xué)工程”簽署了用戶協(xié)議，并已開展實驗計劃討論與合作交流。另外，大科學(xué)工程建設(shè)的溢出效應(yīng)也非常明顯，一方面圍繞空間環(huán)境模擬的許多關(guān)鍵技術(shù)在建設(shè)需求牽引下得到了突破，累計已申請國際和國內(nèi)發(fā)明專利120余項，另一方面其作為空間科學(xué)研究大平臺的科學(xué)價值和效能逐漸加強，較好地支撐了哈工大近期在空間光電材料、航天器服役評價等方面的亮點研究工作。

李立毅院長說，大科學(xué)工程的建設(shè)對于哈工大、黑龍江省和中國的航天事業(yè)發(fā)展都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，意義重大。在建設(shè)過程中，大科學(xué)工程得到了省、市、區(qū)政府在建設(shè)用地、電力配套等方面的大力支持，并將其列為省百大項目，省、市、區(qū)各級領(lǐng)導(dǎo)多次到工程現(xiàn)場調(diào)研，協(xié)調(diào)解決建設(shè)過程中的實際困難。項目建成后，可優(yōu)化和平衡我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域布局，提升東北地區(qū)的基礎(chǔ)科技實力和影響力，使黑龍江成為國際航天科技和空間科學(xué)的學(xué)術(shù)中心之一。

他認(rèn)為，“上海光源”“天眼“等大科學(xué)工程建成后，都已成為當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性工程，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟社會建設(shè)和文化發(fā)展產(chǎn)生積極影響。大科學(xué)工程不僅可以提升龍江的國際知名度，帶動科技交流，還可以集人氣、聚人才、凝人心，增強龍江人的自豪感、促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

未來，哈工大將抓住新時期的發(fā)展機遇，努力提升育人水平與科研能力，并以國家大科學(xué)工程建設(shè)為契機，全面提升學(xué)校服務(wù)國家科技自立自強的能力。（記者 趙一諾 丁燕 文/攝）