裝置簡介：空間環(huán)境地面模擬裝置是航天技術(shù)和空間科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺，包括空間綜合環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)、空間磁環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)、空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)、數(shù)值仿真與中央監(jiān)控系統(tǒng)、建安工程與配套公用設(shè)施等，可為研究空間環(huán)境與材料、器件及生命體的相互作用等提供重要支撐，對于保障人類太空探索活動的順利開展、突破地面單因素模擬的局限、全面了解空間環(huán)境綜合因素對物質(zhì)的作用和影響等具有重要意義。該裝置由哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合中國航天科技集團(tuán)有限公司承建。 圖為300MeV質(zhì)子重離子加速器局部。 （哈工大供圖）

系統(tǒng)級綜合輻照試驗艙。范麗娜 攝

工作人員在現(xiàn)場安裝調(diào)試設(shè)備。范麗娜 攝

空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)的低溫系統(tǒng)。 （哈工大供圖）

　　10月31日，南海之濱，海南文昌航天發(fā)射場，夢天實驗艙成功發(fā)射入軌，打響了中國空間站建造收官之戰(zhàn)。如今，神舟十四號航天員已順利入駐夢天實驗艙半月余。

　　而在我國最北的黑龍江省，一個可以綜合模擬多類空間環(huán)境因素、具有國際領(lǐng)先水平的“地面空間站”——空間環(huán)境地面模擬裝置，也即將落成投入試運行。

　　這個被稱為“地面空間站”的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施為何而建，與真正的太空實驗室有何不同？它的建成投用對于我國航天事業(yè)和空間科學(xué)探測能力發(fā)展有何助力作用？

　　近日，記者來到哈爾濱工業(yè)大學(xué)一探究竟。

　　在地面模擬九大類空間環(huán)境因素

　　空間實驗不再“難于登天”

　　造型新奇的樓宇，炫酷的“刷眼”識別……在前往“地面空間站”之前，記者“腦補”了各種場景。但到了位于黑龍江省哈爾濱市的“大科學(xué)工程”園區(qū)現(xiàn)場，記者卻發(fā)現(xiàn)“地面空間站”與想象中完全不同：約50個足球場大小的園區(qū)內(nèi)，分布著“一大四小”五棟外表普通的實驗樓，“一大”即空間綜合環(huán)境實驗樓，“四小”即空間等離子體科學(xué)實驗樓、空間磁環(huán)境科學(xué)實驗樓、動物培養(yǎng)室和主動力中心。

　　不過，外表普通的實驗樓卻十分有“內(nèi)涵”。

　　哈工大空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院黨委委員馬國亮，是空間環(huán)境地面模擬裝置器件離子輻照研究系統(tǒng)的設(shè)計師。跟隨他的腳步，記者首先來到了空間綜合環(huán)境實驗樓一層的綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)。在這里，一個白色的龐然大物赫然矗立。

　　“這是模擬月球表面環(huán)境的裝置。有了它，科學(xué)家們在家門口就可以研究月塵物理和月球探測工程。”馬國亮告訴記者，這個龐然大物，只是“地面空間站”眾多裝置中的一個。

　　記者了解到，空間環(huán)境地面模擬裝置，就是要在地球上建設(shè)一個與真實宇宙空間環(huán)境相似的“地面空間站”，相當(dāng)于把空間站“搬”到地球上。該裝置早在2005年就開始了調(diào)研、分析和系統(tǒng)論證，經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家和有關(guān)部門的反復(fù)論證、審慎決策，2017年底開始動工建設(shè)，目前已基本建成，今年底將全面竣工試運行。

　　李立毅，哈工大空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院院長，特種電機及特種電磁裝置領(lǐng)域?qū)＜遥彩强臻g環(huán)境地面模擬裝置常務(wù)副總指揮、常務(wù)副總師。記者見到他時，他身著格子襯衫，身形瘦削，略顯疲態(tài)，但聊起“地面空間站”，就像充滿電一樣神采飛揚。

　　“規(guī)模大、環(huán)境因素齊全、參數(shù)范圍廣、功能強。”李立毅用這幾個詞來總結(jié)這個超級空間環(huán)境模擬實驗室的特別之處。他告訴記者，該裝置可以綜合模擬九大類空間環(huán)境因素，比如專業(yè)化的器件空間輻照和輻射耦合效應(yīng)實驗條件，多因素空間環(huán)境對宇航用材料影響實驗條件，多因素空間環(huán)境生命科學(xué)實驗條件等，能創(chuàng)造零磁、弱磁、微重力、高低溫、原子氧、真空等地球上沒有的空間或星球表面環(huán)境。

　　如何更好保障航天員在艙外工作時的生命安全、如何提升航天器的使用壽命……今后，許多需要抵達(dá)太空才能進(jìn)行的實驗，在這里就可以完成。“屆時，科學(xué)家們開展空間實驗將不再‘難于登天’。”李立毅說，不僅如此，隨著二期工程的進(jìn)一步實施，航天員們未來還可以在這里體驗和適應(yīng)月球、火星等星球的表面環(huán)境。

　　科研與建設(shè)同步推進(jìn)

　　不斷攻克關(guān)鍵核心技術(shù)

　　在空間等離子體科學(xué)實驗樓，兩個直徑5米、分別長10.5米和6米的大型真空模擬艙傲然挺立。

　　“這是空間等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)的主體設(shè)備，一個是用于模擬研究距離地表100公里以外到太陽之間的空間環(huán)境，這個區(qū)域99.99%以上的可見物質(zhì)都是以等離子體狀態(tài)存在。另一個則是用于模擬研究距離地表20公里至100公里之間的空域環(huán)境。”空間等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)副研究員金成剛指著兩個“大家伙”告訴記者說。

　　據(jù)介紹，航天器在等離子體的海洋中航行，等離子體的分布和演化規(guī)律對航天器的服役有著重要影響。“空間等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)可以用于研究磁場重聯(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，以及被列為航天領(lǐng)域十大難題之一的通信黑障問題等。”為便于記者理解，金成剛進(jìn)一步解釋說。

　　這兩個“大家伙”得來不易。“等離子體裝置各設(shè)備之間的接口關(guān)系非常復(fù)雜。從啟動建設(shè)開始，僅接口技術(shù)協(xié)調(diào)會我們就開了700多次。”金成剛感嘆道，哈工大有關(guān)科研建設(shè)團(tuán)隊聯(lián)合其他協(xié)作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)，“試運行后，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。”

　　不難想象，要建成這座包羅萬象的“地面空間站”，實非易事。大到整個裝置的功能設(shè)計，小到一顆顆螺絲釘?shù)牟馁|(zhì)，都蘊含著設(shè)計師和科技工作者們的巧思妙想。

　　記者發(fā)現(xiàn)，在空間綜合環(huán)境實驗樓輻射區(qū)，最薄的墻體也有1米多厚，最厚的則達(dá)到3米多。“這是防輻射墻體，這一設(shè)計主要是為了滿足加速器運行時防輻射的特殊要求。”馬國亮告訴記者。

　　在這個實驗樓里，有系統(tǒng)級綜合輻照試驗艙、月塵艙、火星塵艙、高速粉塵艙等四個巨型金屬裝置，這些需要“仰望”的“大塊頭”看似平淡無奇，實則各有“內(nèi)涵”。“這是空間綜合環(huán)境模擬分系統(tǒng)，用來模擬太陽系6大類典型環(huán)境因素，比如真空、高低溫、太陽和紫外電子輻射、電子和質(zhì)子輻射、月塵和火星塵等。”空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)副研究員李麗芳說。

　　“模擬空間環(huán)境因素最多的系統(tǒng)級綜合輻照試驗艙，首個可實現(xiàn)動態(tài)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，直流引射式低氣壓風(fēng)洞——火星塵艙，可實現(xiàn)空間微納粉塵最高速度達(dá)到70km/s的高速粉塵艙……”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。據(jù)介紹，這些設(shè)備都配備了先進(jìn)的原位測試儀器，可以在艙內(nèi)實現(xiàn)實時在線動態(tài)測量。

　　“這離不開科研人員數(shù)年、甚至數(shù)十年如一日的科研攻關(guān)。”李麗芳透露，空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)將為我國載人航天、深空探測、空間站建設(shè)等重大工程提供世界領(lǐng)先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，保障航天器高可靠、長壽命在軌服役。

　　“這是由射頻屏蔽層、主動補償線圈組和七層電磁屏蔽層構(gòu)成的像套娃一樣的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部可實現(xiàn)接近零磁的空間環(huán)境。”在空間磁環(huán)境科學(xué)實驗樓，副研究員金銀錫告訴記者，該實驗室是要在地面模擬一個低磁、零磁的環(huán)境。“我們所在的環(huán)境是約5萬納特斯拉的地球磁場。目前整個裝置靜態(tài)磁場已抑制到0.2納特以下，未來還要再進(jìn)一步突破該指標(biāo)，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。”

　　“‘地面空間站’工程兼具科學(xué)研究與工程建設(shè)的特性，科研探索始終貫穿建設(shè)之中，需要不斷攻關(guān)、不斷調(diào)試、不斷改進(jìn)，有一些全球都很少碰觸的尖端難題，更需要以‘鋼牙啃硬骨頭’的勁頭，反復(fù)進(jìn)行研究試驗。”說起建設(shè)過程中遇到的困難，李立毅感慨萬千。

　　“國家需要就是努力方向”

　　為航天強國建設(shè)提供支撐

　　“夢天”飛天，“天宮”夢圓。近年來，我國載人航天領(lǐng)域碩果累累。那么，為什么還要在地面建一座“空間站”？

　　據(jù)介紹，在太空中的空間站是一個長期開展空間科學(xué)研究和實驗的基地。由于空間站軌道具有與地面完全不同的極端環(huán)境，比如極端粒子輻射、微重力環(huán)境等，對物質(zhì)的演化和作用有特殊的效果。“開展太空實驗不僅有助于我們認(rèn)識宇宙起源、揭示物質(zhì)本質(zhì)和運動規(guī)律，還有助于我們探索甚至遨游星辰大海。”李立毅說。

　　不過，空間站軌道的實際環(huán)境是不斷動態(tài)變化的綜合環(huán)境，會受到太陽、地磁等自然環(huán)境的干擾。這給在理論上開展空間環(huán)境條件下的物質(zhì)演化規(guī)律和相關(guān)演化本質(zhì)的研究造成困擾。另外，在空間站開展相應(yīng)的研究還存在其他諸多困難，比如很多儀器設(shè)備沒有辦法“搬”到太空；一些大質(zhì)量的設(shè)備、材料和物質(zhì)上天，需要付出極大的成本和代價；只有少數(shù)航天員科學(xué)家能夠前往空間站進(jìn)行實驗操作……

　　“所以，建設(shè)可以模擬不同空間環(huán)境因素的‘地面空間站’，意義非凡。”李立毅說，特別重要的是，可以在環(huán)境模擬設(shè)備上設(shè)計、安裝先進(jìn)的分析和研究設(shè)備，為系統(tǒng)、深入開展空間極端環(huán)境模擬與物質(zhì)演化行為的研究提供便利，“地面空間站”將成為空間科學(xué)、航天技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)研究與工程應(yīng)用平臺。

　　“國家需要就是努力方向。”李立毅告訴記者，航天夢是強國夢的重要組成部分，這一裝置將為我國航天強國建設(shè)提供重要支撐。

　　據(jù)他介紹，依托在軌運行的“天宮”和空間環(huán)境地面模擬裝置等，將構(gòu)建起空間在軌實驗、地面模擬實驗、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，為航天發(fā)展和空間探索提供保障。不僅如此，未來，“地面空間站”在腦科學(xué)、生命健康、高端儀器研發(fā)等方面也會有廣泛的作用。

　　從設(shè)想到現(xiàn)實，一路走來，諸多科技工作者們夙興夜寐、孜孜以求：為了讓零磁空間環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)一點、再準(zhǔn)一點，裝置開工建設(shè)以來的近五年時間里，科研人員只能在每天凌晨做試驗，因為那時候電網(wǎng)功率最低、影響最小、數(shù)據(jù)最準(zhǔn)；面對部分進(jìn)口部件被“卡脖子”，科研人員夜以繼日，最終實現(xiàn)自主設(shè)計研發(fā)……

　　“裝置建設(shè)的溢出效應(yīng)非常明顯，圍繞空間環(huán)境模擬的許多關(guān)鍵技術(shù)在建設(shè)需求牽引下得到突破，我們已累計申請國際和國內(nèi)發(fā)明專利120余項。”李立毅告訴記者，國內(nèi)外的科學(xué)家們已經(jīng)迫不及待地想要進(jìn)入“地面空間站”開展科學(xué)實驗。目前，已有國內(nèi)外110余家高校和科研院所與該裝置簽署了用戶協(xié)議。

　　星空浩瀚無比，探索永無止境。黨的二十大報告強調(diào)，加快建設(shè)航天強國。“我們充滿期待，也信心滿滿！”李立毅表示。（范麗娜）

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