4月16日,三名航天员完成为期六个月的太空“出差”任务顺利返航,在人类探索太空的进程上,代表中国写下了浓墨重彩的一笔。
中华民族对飞天的渴望、对未知太空的向往已延续千年。如今,“欲上青天揽明月”的壮志早已变为现实,在天宫空间站“天和”核心舱的每一个角落,都凝聚着大量的中国智慧。
来自海尔的智慧,藏在两台特殊的“航天冰箱”里。从2011年到2022年,从神舟八号到神舟十三号,海尔航天冰箱已“七入太空”,成为中国载人航天项目的“标配”。
这打破了国外长达30年的技术垄断,中国也由此成为继美国、俄罗斯之后第三个掌握航天冰箱核心技术的国家。作为这一项目的主要负责人,青岛海尔生物医疗股份有限公司副总经理陈海涛在接受采访时为大家详细介绍了航天冰箱技术研发的过程与相关问题。
一问:航天冰箱是干啥的?和家里的冰箱有啥不一样?
陈海涛:是为太空环境“特别定制”的冰箱。
顾名思义,航天冰箱是用于太空环境的低温储存设备,根据用途又分为医用冷储箱和食品冷藏箱。
医用冷储箱用来存储空间医学、生物试验样本,以开展在轨医学和生物方面的科研,支撑人员在空间站长期驻留;食品冷藏箱用来存储航天员在空间站每天的食物。
由于太空环境极其特殊,航天冰箱的性能、设计等也跟家用冰箱大有不同。在太空微重力的环境下,物品是漂浮状态,这就需要保持物品稳定的同时又要方便取放。此外,家用冰箱主要采用压缩机制冷,但在太空微重力的环境下,气体和液体不能靠重力分开,成熟的蒸气式压缩机制冷技术不适用,需要探索其他制冷技术。
二问:冰箱要上天,到底难不难?
陈海涛:难,轻、强、稳、智、省,处处是坎。
一是“轻”。载人航天项目要求非常高,产品研发都要精确到克。为把航天冰箱做“轻”,我们通过制冷系统选择、结构紧凑性设计、保温层厚度减半等把重量一克一克往下减,实现了箱体重量比项目要求的设计限值还低25%。
二是“强”。火箭发射阶段,神舟飞船会经受振动、冲击、噪声等各种极限考验,这要求航天冰箱具备更高强度结构,承受振动12g和冲击500g的瞬间最大加速度,相当于航天冰箱要承受自身重量500倍的瞬间冲击,这一指标超过了飞机零部件抗振动、抗冲击的要求。
三是“稳”。在发射阶段是“超重”带来的强度考验,进入太空中则是“失重”带来的稳定考验。想象一下空间站里航天员们一打开冰箱,苹果、酸奶到处飘,会带来很大的麻烦,所以航天冰箱要设计得既能固定物品,又能方便航天员取放。为此,我们试验了金属材料、弹簧结构等多种材质和方案,最后设计了一种防护网,方便取放的同时还耐菌,航天员实际使用后反馈不错。
四是“智”。航天员在轨的时候要管理很多设备,要处理的任务非常多。为给航天员“减负”,我们在航天冰箱上应用了物联网技术,冰箱可以连到内部局域网上,航天员通过一个类似PAD的手持终端就能完成开关机、温度设定等,这是国际空间站也没有的方案。更厉害的是,航天冰箱离地球表面约400千米的距离,也可以和地面的国家航天中心联网,航天员休息的时候就有地面工作人员来照看这些设备。
五是“省”。航天设备在轨运行使用的电来自太阳能帆板,节能是航天冰箱研发的重要指标。微重力环境下压缩机制冷技术失灵,我们就探索应用了航天热电制冷系统,把航天冰箱能耗做到普通节能灯的约1/3,比项目要求的还降低了25%。
三问:研发过程中,有什么事终身难忘?
陈海涛:技术难题、时间进度,都让我敬畏。
第一个是震下来的门。前面说了火箭发射阶段的振动和冲击力是非常大的,所以我们在提报航天冰箱方案的时候,已经提前做了结构加强设计,包括门轴、门锁结构,都是选用高强度的钢材做的,而且做原理试验能走得通,结果在做环境适应性测试时,直接就把冰箱门给震飞了。这让我们重新认识了航天冰箱要面对的特殊环境有多严苛,为了兼顾“轻”和“强”,我们在材料和结构上做了很多尝试,才把这个问题解决了。
第二个是静电击穿的时间点。那时离产品交付只剩一两个月了,在一次摸底实验的时候发生了静电击穿,就是静电放电可能造成硬件击穿。举例来说,秋冬干燥的天气里我们身上有静电,跟别人碰到手会有针扎了一下的感觉,就是静电放电造成的。我们当时就想,一定要赶紧找出原因,不然耽误整体项目进度的责任和损失难以估算。那是春节期间,大家都没回家,就在实验室反复验证,在大家都有点绝望了的时候,终于发现这并不是产品本身的问题,而是在实验过程中,里面放了一个模拟负载的装置,它和冰箱发生了静电摩擦,造成了元器件的损伤。所以近10年里,海尔航天冰箱“七入太空”,为保障每一次项目进度,我们团队每一次都是高度紧张、全力以赴。
四问:这么难的项目,为什么海尔行?
陈海涛:用硬指标说话,吸引更多中国企业共筑“航天梦”。
2006年启动医用冷储箱项目的时候,面对国外航天技术的封锁,中国航天向国内顶尖的、做制冷类产品的公司提出需求,看有没有好的方案,提需求的时候也没设上限,只要求重量越低越好,效率越高越好。最后,海尔凭借硬指标拿下了这个项目。
以前,航天产品很少有企业参与,因为产品质量要求很高,企业保证起来会有困难。海尔作为企业参与核心装备的研制,不仅交付的产品性能超出了规定指标,而且第一次参与研制的设备就上天了,上天后还非常顺利地完成了任务,并在后面每一次任务里都表现得非常可靠、非常稳定,给他们留下了非常深刻的印象。
在这个基础上,中国航天再做空间站食品冷藏箱的时候,直接选择了海尔。看到我们把航天冰箱做起来了,而且天宫空间站时期技术更加成熟了,更多中国企业也参与进来共筑“航天梦”。
五问:我们跟国外比,领先吗?
陈海涛:领先。
除了前面提到的航天冰箱能实现舱内联网互动,我们的航天冰箱能耗指标也更优。医用制冷设备是看“单位容积的能耗”这个指标的,就是每单位容积每天运行的耗电量是多少,根据公开的信息,和国际空间站上的同类产品相比,在这个指标上我们做的更好。
六问:航天员在天宫说过什么有意思的事?
陈海涛:吸尘器在太空也有妙用。
虽然航天冰箱离地球表面约400千米,但可以和地面实时联动。来自太空的每一次反馈,都有地面人员的及时响应。
比如前一段时间,航天员反馈我们冰箱的温度有点高,我们在地面上考虑了各种可能,比如是不是因为空间站微重力的环境里气流无法自然对流,在冰箱附近还有其他设备排放热量,就把周边环境温度带高了?
我们和航天员天地联动配合做了很多分析,最终发现问题出在过滤器上,它吸附灰尘会导致温度升高。这个问题我们在设计的时候就考虑过了,知道航天员在空间站里有吸尘器,就建议他们用吸尘器吸一吸过滤器,温度接着就下来了。所以说,他们在轨飞行的过程中,我们时时刻刻都在关注,他们能够顺利完成任务返回,也是我们最大的心愿。
七问:这次航天冰箱也回家了吗?
陈海涛:没有,带回来的是低温存储装置和生物样本。
在返回过程中,为保证航天员的安全,要严格控制返回舱的重量。为此,医用冷储箱在完成任务后,就被留在神舟飞船里,进入大气层时被销毁,而重要的生物样本则会被转移到低温存储装置中,跟随航天员通过返回舱回到地面,再被及时送检。食品冷藏箱则继续留在天和核心舱执行任务。
八问:为什么选择干研发?
陈海涛:好奇心和喜欢挑战。
我感觉自己是素质教育的受益者。我从小在新疆长大,上学时自由时间比较多,能保持对事物的好奇心。另外,我对创新类的事物比较感兴趣,喜欢做一些创新的东西,工作后就想干一些有挑战性的项目,比如航天冰箱这种,符合我的发展愿望。
九问:科技创新,你怎么看?
陈海涛:核心技术真的是买不来的,企业是关键技术创新的主力。
我们刚接航天冰箱项目时,只知道有航天冰箱,但谁也没见过,国外技术对中国封锁,我们完全是从零开始。当时就特别深刻的感觉到,核心技术真的是买不来的,还是要靠我们自己去创新,才能不被“卡脖子”。
为了干成这个“卡脖子”的项目,海尔集团给了我们团队非常大的支持,让大家不以盈利为目的去搞科研,我觉得企业特别有担当。随着这个项目突破国外封锁,我们的技术人员也在项目中快速成长,成为企业的创新力量。
我一毕业就选择到海尔来做技术研发,也是看中这个平台鼓励创新,在做一些很有创新挑战性和发展空间的业务。从技术人员视角来看,海尔集团这些年的发展一直都聚焦技术,在企业发展的同时,也实实在在解决了几个卡脖子的问题。
今年年初,海尔宣布成立科技创新委员会,未来三年内将建立专项产业基金400亿元,研发投入600亿元,聚焦绿色双碳、安全隐私与合规、专业领域的芯片与操作系统、AIoT/感知与交互、数据生产力五大共性的关键技术,突破行业核心技术难题。我认为,这也是想通过企业的创新来带动行业和社会的变革。
在国家鼓励、企业支持的环境下,我们科研人员更要有扎实俯下身子去干的精神,扎扎实实把关键技术做出来。
十问:对年轻人,想说点什么?
陈海涛:创新应该永远都有魅力。
现在大家活得越来越精彩了,我觉得对于年轻人来说,创新应该永远有魅力、有吸引力,年轻人要保持激情、积极地去参与创新。
