4月16日,三名航天員完成為期六個月的太空“出差”任務(wù)順利返航,在人類探索太空的進程上,代表中國寫下了濃墨重彩的一筆。
中華民族對飛天的渴望、對未知太空的向往已延續(xù)千年。如今,“欲上青天攬明月”的壯志早已變?yōu)楝F(xiàn)實,在天宮空間站“天和”核心艙的每一個角落,都凝聚著大量的中國智慧。
來自海爾的智慧,藏在兩臺特殊的“航天冰箱”里。從2011年到2022年,從神舟八號到神舟十三號,海爾航天冰箱已“七入太空”,成為中國載人航天項目的“標(biāo)配”。
這打破了國外長達(dá)30年的技術(shù)壟斷,中國也由此成為繼美國、俄羅斯之后第三個掌握航天冰箱核心技術(shù)的國家。作為這一項目的主要負(fù)責(zé)人,青島海爾生物醫(yī)療股份有限公司副總經(jīng)理陳海濤在接受采訪時為大家詳細(xì)介紹了航天冰箱技術(shù)研發(fā)的過程與相關(guān)問題。
一問:航天冰箱是干啥的?和家里的冰箱有啥不一樣?
陳海濤:是為太空環(huán)境“特別定制”的冰箱。
顧名思義,航天冰箱是用于太空環(huán)境的低溫儲存設(shè)備,根據(jù)用途又分為醫(yī)用冷儲箱和食品冷藏箱。
醫(yī)用冷儲箱用來存儲空間醫(yī)學(xué)、生物試驗樣本,以開展在軌醫(yī)學(xué)和生物方面的科研,支撐人員在空間站長期駐留;食品冷藏箱用來存儲航天員在空間站每天的食物。
由于太空環(huán)境極其特殊,航天冰箱的性能、設(shè)計等也跟家用冰箱大有不同。在太空微重力的環(huán)境下,物品是漂浮狀態(tài),這就需要保持物品穩(wěn)定的同時又要方便取放。此外,家用冰箱主要采用壓縮機制冷,但在太空微重力的環(huán)境下,氣體和液體不能靠重力分開,成熟的蒸氣式壓縮機制冷技術(shù)不適用,需要探索其他制冷技術(shù)。
二問:冰箱要上天,到底難不難?
陳海濤:難,輕、強、穩(wěn)、智、省,處處是坎。
一是“輕”。載人航天項目要求非常高,產(chǎn)品研發(fā)都要到克。為把航天冰箱做“輕”,我們通過制冷系統(tǒng)選擇、結(jié)構(gòu)緊湊性設(shè)計、保溫層厚度減半等把重量一克一克往下減,實現(xiàn)了箱體重量比項目要求的設(shè)計限值還低25%。
二是“強”。火箭發(fā)射階段,神舟飛船會經(jīng)受振動、沖擊、噪聲等各種極限考驗,這要求航天冰箱具備更高強度結(jié)構(gòu),承受振動12g和沖擊500g的瞬間加速度,相當(dāng)于航天冰箱要承受自身重量500倍的瞬間沖擊,這一指標(biāo)超過了飛機零部件抗振動、抗沖擊的要求。
三是“穩(wěn)”。在發(fā)射階段是“超重”帶來的強度考驗,進入太空中則是“失重”帶來的穩(wěn)定考驗。想象一下空間站里航天員們一打開冰箱,蘋果、酸奶到處飄,會帶來很大的麻煩,所以航天冰箱要設(shè)計得既能固定物品,又能方便航天員取放。為此,我們試驗了金屬材料、彈簧結(jié)構(gòu)等多種材質(zhì)和方案,最后設(shè)計了一種防護網(wǎng),方便取放的同時還耐菌,航天員實際使用后反饋不錯。
四是“智”。航天員在軌的時候要管理很多設(shè)備,要處理的任務(wù)非常多。為給航天員“減負(fù)”,我們在航天冰箱上應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),冰箱可以連到內(nèi)部局域網(wǎng)上,航天員通過一個類似PAD的手持終端就能完成開關(guān)機、溫度設(shè)定等,這是國際空間站也沒有的方案。更厲害的是,航天冰箱離地球表面約400千米的距離,也可以和地面的國家航天中心聯(lián)網(wǎng),航天員休息的時候就有地面工作人員來照看這些設(shè)備。
五是“省”。航天設(shè)備在軌運行使用的電來自太陽能帆板,節(jié)能是航天冰箱研發(fā)的重要指標(biāo)。微重力環(huán)境下壓縮機制冷技術(shù)失靈,我們就探索應(yīng)用了航天熱電制冷系統(tǒng),把航天冰箱能耗做到普通節(jié)能燈的約1/3,比項目要求的還降低了25%。
三問:研發(fā)過程中,有什么事終身難忘?
陳海濤:技術(shù)難題、時間進度,都讓我敬畏。
第一個是震下來的門。前面說了火箭發(fā)射階段的振動和沖擊力是非常大的,所以我們在提報航天冰箱方案的時候,已經(jīng)提前做了結(jié)構(gòu)加強設(shè)計,包括門軸、門鎖結(jié)構(gòu),都是選用高強度的鋼材做的,而且做原理試驗?zāi)茏叩猛,結(jié)果在做環(huán)境適應(yīng)性測試時,直接就把冰箱門給震飛了。這讓我們重新認(rèn)識了航天冰箱要面對的特殊環(huán)境有多嚴(yán)苛,為了兼顧“輕”和“強”,我們在材料和結(jié)構(gòu)上做了很多嘗試,才把這個問題解決了。
第二個是靜電擊穿的時間點。那時離產(chǎn)品交付只剩一兩個月了,在一次摸底實驗的時候發(fā)生了靜電擊穿,就是靜電放電可能造成硬件擊穿。舉例來說,秋冬干燥的天氣里我們身上有靜電,跟別人碰到手會有針扎了一下的感覺,就是靜電放電造成的。我們當(dāng)時就想,一定要趕緊找出原因,不然耽誤整體項目進度的責(zé)任和損失難以估算。那是春節(jié)期間,大家都沒回家,就在實驗室反復(fù)驗證,在大家都有點絕望了的時候,終于發(fā)現(xiàn)這并不是產(chǎn)品本身的問題,而是在實驗過程中,里面放了一個模擬負(fù)載的裝置,它和冰箱發(fā)生了靜電摩擦,造成了元器件的損傷。所以近10年里,海爾航天冰箱“七入太空”,為保障每一次項目進度,我們團隊每一次都是高度緊張、全力以赴。
四問:這么難的項目,為什么海爾行?
陳海濤:用硬指標(biāo)說話,吸引更多中國企業(yè)共筑“航天夢”。
2006年啟動醫(yī)用冷儲箱項目的時候,面對國外航天技術(shù)的封鎖,中國航天向國內(nèi)的、做制冷類產(chǎn)品的公司提出需求,看有沒有好的方案,提需求的時候也沒設(shè)上限,只要求重量越低越好,效率越高越好。最后,海爾憑借硬指標(biāo)拿下了這個項目。
以前,航天產(chǎn)品很少有企業(yè)參與,因為產(chǎn)品質(zhì)量要求很高,企業(yè)保證起來會有困難。海爾作為企業(yè)參與核心裝備的研制,不僅交付的產(chǎn)品性能超出了規(guī)定指標(biāo),而且第一次參與研制的設(shè)備就上天了,上天后還非常順利地完成了任務(wù),并在后面每一次任務(wù)里都表現(xiàn)得非?煽、非常穩(wěn)定,給他們留下了非常深刻的印象。
在這個基礎(chǔ)上,中國航天再做空間站食品冷藏箱的時候,直接選擇了海爾?吹轿覀儼押教毂渥銎饋砹,而且天宮空間站時期技術(shù)更加成熟了,更多中國企業(yè)也參與進來共筑“航天夢”。
五問:我們跟國外比,嗎?
陳海濤:。
除了前面提到的航天冰箱能實現(xiàn)艙內(nèi)聯(lián)網(wǎng)互動,我們的航天冰箱能耗指標(biāo)也更優(yōu)。醫(yī)用制冷設(shè)備是看“單位容積的能耗”這個指標(biāo)的,就是每單位容積每天運行的耗電量是多少,根據(jù)公開的信息,和國際空間站上的同類產(chǎn)品相比,在這個指標(biāo)上我們做的更好。
六問:航天員在天宮說過什么有意思的事?
陳海濤:吸塵器在太空也有妙用。
雖然航天冰箱離地球表面約400千米,但可以和地面實時聯(lián)動。來自太空的每一次反饋,都有地面人員的及時響應(yīng)。
比如前一段時間,航天員反饋我們冰箱的溫度有點高,我們在地面上考慮了各種可能,比如是不是因為空間站微重力的環(huán)境里氣流無法自然對流,在冰箱附近還有其他設(shè)備排放熱量,就把周邊環(huán)境溫度帶高了?
我們和航天員天地聯(lián)動配合做了很多分析,最終發(fā)現(xiàn)問題出在過濾器上,它吸附灰塵會導(dǎo)致溫度升高。這個問題我們在設(shè)計的時候就考慮過了,知道航天員在空間站里有吸塵器,就建議他們用吸塵器吸一吸過濾器,溫度接著就下來了。所以說,他們在軌飛行的過程中,我們時時刻刻都在關(guān)注,他們能夠順利完成任務(wù)返回,也是我們的心愿。
七問:這次航天冰箱也回家了嗎?
陳海濤:沒有,帶回來的是低溫存儲裝置和生物樣本。
在返回過程中,為保證航天員的安全,要嚴(yán)格控制返回艙的重量。為此,醫(yī)用冷儲箱在完成任務(wù)后,就被留在神舟飛船里,進入大氣層時被銷毀,而重要的生物樣本則會被轉(zhuǎn)移到低溫存儲裝置中,跟隨航天員通過返回艙回到地面,再被及時送檢。食品冷藏箱則繼續(xù)留在天和核心艙執(zhí)行任務(wù)。
八問:為什么選擇干研發(fā)?
陳海濤:好奇心和喜歡挑戰(zhàn)。
我感覺自己是素質(zhì)教育的受益者。我從小在新疆長大,上學(xué)時自由時間比較多,能保持對事物的好奇心。另外,我對創(chuàng)新類的事物比較感興趣,喜歡做一些創(chuàng)新的東西,工作后就想干一些有挑戰(zhàn)性的項目,比如航天冰箱這種,符合我的發(fā)展愿望。
九問:科技創(chuàng)新,你怎么看?
陳海濤:核心技術(shù)真的是買不來的,企業(yè)是關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新的主力。
我們剛接航天冰箱項目時,只知道有航天冰箱,但誰也沒見過,國外技術(shù)對中國封鎖,我們完全是從零開始。當(dāng)時就特別深刻的感覺到,核心技術(shù)真的是買不來的,還是要靠我們自己去創(chuàng)新,才能不被“卡脖子”。
為了干成這個“卡脖子”的項目,海爾集團給了我們團隊非常大的支持,讓大家不以盈利為目的去搞科研,我覺得企業(yè)特別有擔(dān)當(dāng)。隨著這個項目突破國外封鎖,我們的技術(shù)人員也在項目中快速成長,成為企業(yè)的創(chuàng)新力量。
我一畢業(yè)就選擇到海爾來做技術(shù)研發(fā),也是看中這個平臺鼓勵創(chuàng)新,在做一些很有創(chuàng)新挑戰(zhàn)性和發(fā)展空間的業(yè)務(wù)。從技術(shù)人員視角來看,海爾集團這些年的發(fā)展一直都聚焦技術(shù),在企業(yè)發(fā)展的同時,也實實在在解決了幾個卡脖子的問題。
今年年初,海爾宣布成立科技創(chuàng)新委員會,未來三年內(nèi)將建立專項產(chǎn)業(yè)基金400億元,研發(fā)投入600億元,聚焦綠色雙碳、安全隱私與合規(guī)、專業(yè)領(lǐng)域的芯片與操作系統(tǒng)、AIoT/感知與交互、數(shù)據(jù)生產(chǎn)力五大共性的關(guān)鍵技術(shù),突破行業(yè)核心技術(shù)難題。我認(rèn)為,這也是想通過企業(yè)的創(chuàng)新來帶動行業(yè)和社會的變革。
在國家鼓勵、企業(yè)支持的環(huán)境下,我們科研人員更要有扎實俯下身子去干的精神,扎扎實實把關(guān)鍵技術(shù)做出來。
十問:對年輕人,想說點什么?
陳海濤:創(chuàng)新應(yīng)該永遠(yuǎn)都有魅力。
現(xiàn)在大家活得越來越精彩了,我覺得對于年輕人來說,創(chuàng)新應(yīng)該永遠(yuǎn)有魅力、有吸引力,年輕人要保持激情、積極地去參與創(chuàng)新。
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