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2025-03-18 17:24 星期二

科学圆桌会|空间力学专家:天舟十号带上天的这组试验,将解决三大“太空烦恼”

时间:2026-05-29 14:58 来源:快讯社

 5月11日8时14分,天舟十号货运飞船载着近6.2吨补给物资,奔向中国空间站,其中有一套试验装置,将“挂”在空间站外完成几项关键试验,任务是:突破极端环境下材料抗磨损、防护与自修复技术的瓶颈。

  这是我们团队20多年来在空间力学领域积累的各项成果,首次来到真实太空场景中进行“大考”。马上就到6月初,团队年轻人开玩笑地说感觉像“梦回高考”。其实当老师的我也很紧张,每天都在关注空间站传回的最新情况,完善各项方案。

  这组试验装置将进行为期一年的在轨测试,其试验结果可能为航天器提供全新防护办法——不再让航天器“被动防御”,而是具备“主动再生”的防护能力。这将为我国未来月球、火星及其他深空探测任务提供核心技术支撑。

  三大科学目标瞄准解决“太空烦恼”

  这些关键试验要解决哪些“太空烦恼”?它们能给人类带来哪些新技术、新理念?

  试验装置部分组件示意。(天津大学供图)

  简而言之,这个在轨试验要实现3大科学目标:空间尘埃防护清除验证、空间材料抗磨损试验验证、空间材料自修复试验验证。也就是让航天器在太空实现“除尘”与“自愈”。

  灰尘和破损,这些事在地球上很容易解决,但在极端、无人值守的太空环境中,一颗尘埃、一道划痕,就可能演变成致命威胁。

  不知大家是否还记得,2018年那场席卷火星的全球性沙尘暴,让“机遇号”探测器的太阳能电池板蒙上了厚厚一层灰,无法充电,并永久失联。

  更早时,阿波罗登月的宇航员发现,月球尘埃细如滑石粉却比玻璃还锋利,钻进仪器造成温度异常,飘进舱内让宇航员咳嗽不止、眼睛刺痛。至于舱外航天服,在多次任务后,手套和关节处总会出现明显的磨损,无法使用。

  正因为这些真实发生过的“太空烦恼”,我们团队提出了这样3个解决办法:

  试验一:给设备表面装上“电学窗帘”

  在太空,航天员不可能天天出舱擦灰。那怎么除尘?我们用了一种叫“电帘除尘”的方法。

  简单说,就是在太阳能电池板玻璃盖片这样的表面下,铺设一层透明的电极。当我们按特定方式施加电场时,电极上方会形成一道移动的电荷“台阶”。这个带电的“台阶”就像一把无形的扫帚,推着尘埃颗粒定向移动,最终从表面“跳离”。

  我们的试验装置上装了一套高分辨率相机,会实时记录尘埃的运动,再通过图像分析,算出除尘效率——到底能扫掉多少灰。

  防护清除原理件展示动图。(天津大学供图)

  未来,一旦验证成功,无论是月球车的太阳能板,还是火星基地的玻璃穹顶,都可以涂上或贴上这样的“电帘膜”,需要除尘时,通上电就行,再也不必航天员亲自出舱“大扫除”。

  试验二:把材料暴露在太空中“磨一磨”

  第二项任务,是做真实的太空磨损测试。

  我们把一些航天服面料、舱外设备材料样品,直接暴露在空间站外的极端环境中。那里有剧烈的温度交变、强紫外线和原子氧侵蚀。经过一年的“风吹日晒”和“细细研磨”,这些样品将由航天员取回舱内,随神舟飞船带回地面。

  随后,我们会进一步做力学拉伸、光学反射等测试,并比对地面样品,精确回答:哪种材料更耐磨?在太空能“活”多久?

  这正是为未来的月球基地、火星行走“选材”。航天服可能得连续工作数小时乃至几十个小时,材料寿命直接关系到航天员的安全。

  试验三:刺破材料,然后看着它“愈合”

  让材料自己修复破损,听起来像科幻,但我们在试验装置里真这么做了。

  试验装置内有一个直线电机,可以在指令下用极细的探针刺穿试验件。刺破后,材料的破损区域在空间紫外辐射等环境因素刺激下,内部预埋的修复剂会迅速涌向破口,发生化学反应,把划痕“填平愈合”。在轨试验,成像系统会持续观察修复过程,记录修复速度和强度恢复程度。

  太空材料自修复的过程动图。(天津大学供图)

  这项技术一旦成熟,未来的航天服、密封舱壁甚至柔性太阳能翼,都可能在出现微小损伤后“自愈无声”,极大提升航天器的可靠性与使用寿命。

  从“被动抵御”到“主动再生”,是我们想推动的一场防护理念变革。

  过去,航天器防护靠的是“堆厚度”“换硬材料”,遇上灰尘和微小破损常无计可施。而现在,我们让材料表面“活”起来,能主动清除污物、抗磨损,还能自我愈合。

  这三项试验获取的在轨数据,将直接服务于我国未来的月球科研站、火星采样返回乃至更远的小行星探测——让太阳能电池阵常年高效发电,让航天服自行修复微小划伤,让舱外设备寿命有望从几年延长到十几年。

  更关键的是,这种“主动再生”的防护思想,未来在精密仪器、柔性电子、深海装备等领域也有广阔的应用潜力。

  前期,项目研制团队已经为嫦娥三号、嫦娥五号、天问一号等重大工程,完成过相关配套研制和研究任务。未来一年,或许大家会看到这样一段来自中国空间站的画面:阳光下,一片布满电极的试验板上,模拟尘埃正整齐地滑向边缘;同时,一个小小的刺破点在太空辐射下,正静静地“长平”伤口。

  这些微小的变化,正是人类安全走向深空的重要一步。我们仰望星空,更要让脚下的每一步都走得踏实、走得聪明。(作者系天津大学机械工程学院教授崔玉红)


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