哈工大打造“地面空间站”
正在施工的300MeV质子重离子加速器弱电桥架工程。
建设中的空间等离子体环境模拟与研究系统核心设备。
文/摄 黑龙江日报 全媒体记者 赵一诺 丁燕
2019年1月3日，嫦娥四号探测器成功传回世界第一批月球背面近距离探测数据，揭开了古老月球背面的神秘面纱。在月表高真空、高低温、带电月尘、复杂月形月貌等多因素极端环境下，科学家是怎样保证“嫦娥四号”开启月球背面探索之旅的？
“老亮了！”2021年7月4日，神舟十二号航天员刘伯明成功出舱，将东北话带到宇宙。与东北话共同“出圈”的，还有哈工大为神舟十二号提供的多项航天技术支撑。航天员身上穿的头部带神灯和传感器，颜值满分、科技感爆棚的新一代国产舱外航天服，面对磁暴、高能粒子辐照、高速微流星和空间碎片等极端空间环境，如何保障宇航员在中国空间站舱外工作时的生命安全？
能不能在地球上建一个实验室，用于模拟太空环境？
在国家“十二五”规划项目建议征集阶段，哈尔滨工业大学汇聚全球一大批科学家，把空间综合环境与物质的相互作用的科研建议提交给了国家。而今，这项被称作“大科学工程”的“空间环境地面模拟装置”建设，正在宏图变现实。
为了这一天的尽快到来，哈尔滨工业大学的一群“拓荒牛”，已经奋斗了16年。
地球上建“地面空间站”
建一座包罗万象的“地面空间站”有多难？可以综合模拟九大类空间环境因素、具有国际领先水平的“空间环境地面模拟装置”从提出建设概念到实施建设，就花了十余年的时间，大到整座建筑的功能设计，小到一颗颗螺丝钉的材质，都凝结着设计师和哈工大科技工作者们的巧思、热情和想象力。
“空间环境地面模拟装置，就是要在地球上建设一个与月球、火星等真实宇宙空间环境相似的‘地面空间站’。”哈工大大科学工程常务副总指挥、常务副总师、空间环境与物质科学研究院院长李立毅告诉记者，项目建成后，很多需要在进入太空才能进行的实验，在“空间环境地面模拟装置”就能够完成。
“真空、微重力、电磁辐射、粒子辐照、高低温、等离子体、磁场……这些存在于太空的环境因素，听起来与我们的生活遥不可及。但如果将空间环境研究透彻，对人类发展的意义将是非凡的。”李院长进一步解释道，这项大科学工程揭示空间环境条件下物质结构演化规律和各种环境耦合效应的物理本质。“项目将通过研究太空环境下的器材/器件和系统、生命体、等离子体的影响，解决制约航天器高可靠长寿命的瓶颈问题、增强人类空间驻留和利用环境资源的能力、提高对空间极端环境的认识和防控能力。”
据悉，空间环境地面模拟装置是《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》“十二五”建设的16项国家“大科学工程”项目之一，是国家部署在东北地区的首个、也是我国“十二五”期间在空间科学领域唯一国家重大科技基础设施建设项目。2017年8月29日，空间环境地面模拟装置国家重大科技基础设施建设工作研讨会召开，哈工大与中国航天科技集团公司共建的大科学工程项目正式开工建设。
将解决多项航天技术“卡脖子”问题
“2017年9月之前，这块地还是一片农田、鱼塘。”而今，望着眼前拔地而起的高楼和洁净的柏油路面，哈工大大科学工程调度王晨的喜悦之情溢于言表。他说，项目的建安工程分为“一大三小”，包括空间综合环境实验楼、空间等离子体科学实验楼、空间零磁环境科学实验楼和动物培养室。大科学工程建设基建已进入尾声阶段，大型设备开始入场安装调试。记者参观了建设现场。
空间综合环境实验楼内，四个巨型金属装置看似平淡无奇，实则各个“有内涵”。“空间综合环境模拟系统，用来模拟太阳系6大类典型环境因素，包括真空、高低温、电磁辐射、粒子辐照、空间粉尘等。”哈工大空间环境与物质科学研究院空间材料与环境工程研究室主任李丽芳说。
谈起空间综合环境模拟系统的“宝贝”，李丽芳如数家珍。“我们系统有国际上环境因素最多的综合辐照舱，国际上唯一动态实现月尘充正电和负电的大型月球多因素极端环境模拟器——月尘舱，国际上实现火星表面低气压大跨度风速尘暴的火星尘舱，可加速空间微纳粉尘最高速度达到70km/s的高速粉尘舱，国际上唯一可模拟地球低轨原子氧-紫外-质子耦合效应的原子氧舱。这些设备都配备了先进的原位测试仪器，可以在舱内实现实时在线测量。”
她透露，空间综合环境模拟系统建成后，将为我国载人航天工程，月球、火星和小行星深空探测，我国空间站建设等重大航天工程提供世界领先水平的科研平台和型号产品试验标校环境，解决高性能航天材料和器件等“卡脖子”问题，实现自主可控，保障航天器可靠、长寿命在轨服役。
走进空间等离子体实验楼，直径5米，分别长10.5米和6米的两个大型真空模拟舱傲然挺立，空间等离子体物理研究室主任金成刚介绍：“大气层以外99.99%以上的可见物质都是以等离子体状态存在，航天器就在等离子体的海洋中航行，等离子体的分布和演化规律主导了空间天气变化，对航天器的服役有着重要的影响。空间等离子体环境模拟系统研究磁场重联、波-粒相互作用等影响空间等离子体环境的关键物理过程，以及被列为航天十大难题之一的通信黑障问题。”金成刚感叹道：“等离子体装置各设备之间的接口关系非常复杂，自建设以来仅接口技术协调会就开了700多次，我们和中国工程物理研究院流体物理研究所、航天科技集团514研究所、合肥科烨电物理公司等外协单位一起攻克了瞬态大电磁力冲击下的运动支撑、大电流分流与汇流等多项关键技术，装置将在明年试运行，初步具备实验条件，装置建成后将在国际上首次实现三维地球磁层空间等离子体环境模拟。”
“由射频屏蔽层、主动屏蔽线圈组和七层电磁屏蔽层构成的像俄罗斯套娃的结构，在内部可实现接近零磁的空间。”在空间零磁环境科学实验楼，空间磁环境模拟与研究系统负责人潘东华告诉记者，该实验室是要在地面模拟一个低磁、零磁的环境。“目前我们所在的环境是5万纳特斯拉的地球磁场。未来我们要在实验室把静态磁场抑制到0.1至0.2纳特，重点关注低磁环境下，材料、器件、航天器的变化，以及长期停留在空间站磁场对人体的影响。”
“高能射线在地面上感受不到，如果太空中高能射线打在航天器上，会影响航天器的性能。”加速器研究室主任刘剑利看上去就像是工地现场施工的工人，却是学富五车的粒子物理学博士。他说，加速器系统主要模拟宇宙空间不同种类、不同能量的粒子和射线，为航天器材料、器件、生命体的研究、评价提供技术条件。目前与外协单位——中科院近代物理研究所在建的一套300MeV质子重离子加速器，是全国唯一一个此类航天器空间辐照研究专用的加速器，建成后，预计每年可提供4000小时的服务机时。
“国家需求就是我们科技攻关的方向”
2021年7月10日，“空间环境地面模拟装置” 综合环境模拟系统综合辐照模拟试验舱、月尘环境模拟试验舱热真空测试工作圆满完成，在地面实现太阳系真空、低温两大类典型环境因素模拟。
“自2020年11月20日真空容器进场以来，在江北施工现场连续无休奋战233日，克服了冬季施工、新冠疫情以及国际贸易摩擦等带来的诸多困难与挑战，与航天科技集团511研究所、中国原子能科学研究院、中科院长春光机所等外协单位攻克了多项关键技术，完成了四大类环境模拟设备集成安装，为装置国家验收提供有力支撑。”李丽芳说：“青年人面临科研方向选择的时候，个人爱好能和国家需求联系在一起会是非常幸运的，国家需求就是科技攻关的方向。”
谈起为之倾注整个“青葱”岁月的“大科学工程”，今年39岁的潘东华感慨不已。他说，是“大科学工程”帮助了自己成长，扩展知识和经验，在克服困难和挫折中不断收获信心。
2011年，潘东华还在读博士，得知需要磁环境技术，他表现出了极大的兴趣。
“这是一个大胆且不按常理出牌的创新设计，也是当时空间环境与物质科学研究院在研发工作中面临的最大难题，简直是天方夜谭。”说起当初的情景，潘东华至今仍然激动不已。“从5万纳特到0.1纳特这样的跨度，这个指标非常难，但也是非常渴望的。”
如何实现0.1纳特指标？如何测试获得近零磁环境下软磁材料磁特性数据？如何解决屏蔽结构中各类跨尺度磁阻（相差高达5个数量级）的计算方法？磁对航天器或生命体又会产生什么影响?
“在这期间，我们通过自己的努力，成功建立了跨尺度磁路的多层屏蔽结构的分析计算方法，形成了集成主体隔振的新型主被动耦合式磁屏蔽方案及设计方法，并在学校的支持下完成了样机制造及实验验证，也是最关键的一步。”潘东华说，“面对这些问题，我们青年人应该出一份力，用自己所学尽最大努力攻克难题，承担起‘回馈公众，回馈社会，回馈国家’的责任。”
2011年12月，刘剑利博士刚回国，得知“空间环境地面模拟装置”拟建设高能质子加速器，他表现出了极大的兴趣。“大型加速器装置是我们研究领域需要的基础平台，由于其规模庞大、技术复杂、建设周期长的原因，一辈子能有机会参加一个这样的项目就是一种幸运！”他说。带着这样的幸运感，刘剑利博士投身到了“空间环境地面模拟装置”的项目论证和建设中，从一个项目的新人变成了项目的老人。
说起工作中的艰辛，他说：“这个项目的重要性和发展潜力是一开始就知道的，但项目进行过程中的困难确实是没有预料到的。高能射线粒子本身虽然尺度非常小，但却需要规模庞大的装置才能获得，为了获得想要的束流，需要成百上千个设备共同工作才能实现，需要多个学科专业的大量工程技术研究人员配合工作。加速器装置一旦开机就24小时不停机运行，要求工程技术人员对自己的设备就像自己的孩子一样清楚和关心，才能保证装置的高效运行。为此，大家只能放弃节假日，从设备的设计，到加工、安装、测试、调试每一个环节去不断熟悉。”提起人才的迫切需求，刘剑利博士深有感触地说：“在我们这个项目上，为了引进一位人才，省委组织部都出面为我们解决了人才家属的工作问题。”
在近五年的时间里，这支队伍没有双休日，没有节假日，技术厂房、测试大厅和总装大厅在深夜仍然灯火通明，工作24小时紧锣密鼓地进行。他们没有一天放松警惕，没有一天放松标准。
“疫情期间，整个松北区只有我们一个工地在施工，上百吨重的设备全部需要在现场安装，是个艰难的工程。”33岁的李云龙主要负责协调大科学工程建设中的设备安全保障工作。设备进场那天，哈尔滨暴雪，他带领团队在零下30多摄氏度的极寒天气中，徒手搬运设备三个小时。
“图什么？曾经有人问过我同样的问题。我说，我在做一件值得一辈子骄傲的事，以后我也可以跟我的孩子说，这个世界上顶尖的科学工程是爸爸建的。我也能为国家的重大工程贡献自己的一份力量。”面对记者的提问，性格外向的李云龙湿了眼眶。
在地球上模拟太空环境的想法，起初，并不是所有专家都看好。选址、论证、立项、建设，哪一步都不易。
技术和工程上的巨大难度，没有可复制的经验，哈工大人秉承“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的“载人航天精神”，克服了各种难以想象的艰难险阻。
7月1日那天，范立国临时接到任务，他负责的冷却水系统要配合综合环境模拟系统做热真空测试。然而在模拟运行当中，他通过末端滤芯观察到循环水中存在焊渣杂质。“这种水质下是不能进行测试实验的，焊渣会对精密设备产生严重影响。”
范立国突然调高了音量和语调，对记者说，“我一个人将大型精密过滤器拆开，对其罐体及滤芯进行清洗，每循环过滤两个小时进行一次排水，就这样，从7月2日早八点，我连续工作了整整36个小时，终于使水质达到了使用要求。”他用手抹了把眼泪，接着说：“那天经历是我这辈子上过的最难忘的党课了。作为一名共产党员就应该冲在最前面，面对问题，带头解决问题。我将值班记录及操作流程亲自转交给下一位值班同事后放心离开了。”
助力龙江打造国际航天科研学术中心
“航天梦是强国梦的重要组成部分。我们要全力建设好大科学工程，为‘航天大国’迈向‘航天强国’作出贡献。”李立毅院长表示，依托我国正在建设的“天宫”空间站和“空间环境地面模拟装置”，努力打造空间在轨实验、地面模拟实验，以及计算机数值模拟三位一体的天地一体化国家空间环境与物质作用研究体系。
大科学工程是面向国内外开放共享的用户设施，其科学价值需要大量的用户群来成就。“国内外的科学家们，已经迫不及待地要来开展空间科学实验了。” 哈工大空间环境与物质科学研究院副院长鄂鹏兴奋地向记者透露一组数据，目前已有国内外110余家高校和科研院所与“大科学工程”签署了用户协议，并已开展实验计划讨论与合作交流。另外，大科学工程建设的溢出效应也非常明显，一方面围绕空间环境模拟的许多关键技术在建设需求牵引下得到了突破，累计已申请国际和国内发明专利120余项，另一方面其作为空间科学研究大平台的科学价值和效能逐渐加强，较好地支撑了哈工大近期在空间光电材料、航天器服役评价等方面的亮点研究工作。
李立毅院长说，大科学工程的建设对于哈工大、黑龙江省和中国的航天事业发展都会产生深远的影响，意义重大。在建设过程中，大科学工程得到了省、市、区政府在建设用地、电力配套等方面的大力支持，并将其列为省百大项目，省、市、区各级领导多次到工程现场调研，协调解决建设过程中的实际困难。项目建成后，可优化和平衡我国重大科技基础设施的区域布局，提升东北地区的基础科技实力和影响力，使黑龙江成为国际航天科技和空间科学的学术中心之一。
他认为，“上海光源”“天眼“等大科学工程建成后，都已成为当地地标性工程，对当地的经济社会建设和文化发展产生积极影响。大科学工程不仅可以提升龙江的国际知名度，带动科技交流，还可以集人气、聚人才、凝人心，增强龙江人的自豪感、促进产业发展。
未来，哈工大将抓住新时期的发展机遇，努力提升育人水平与科研能力，并以国家大科学工程建设为契机，全面提升学校服务国家科技自立自强的能力。
编辑：梁英爽
