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把“空間站”建在地球上——走進我國航天領域首個大科學裝置
2023-06-24

在距離地球400多公里的軌道上,中國空間站遨游蒼穹,成為我國航天事業的重要里程碑之一。

遙望祖國東北角,一座被稱為“地面空間站”的空間環境地面模擬裝置前不久正式建設完成,進入試運行階段,諸多指標達到世界領先水平。

作為我國航天領域首個大科學裝置,“地面空間站”是國際上首個綜合環境因素最多、可實現多尺度和跨尺度環境效應研究的綜合性研究裝置,將為我國航天事業發展及人類太空探索貢獻智慧和力量。

圓夢:把“空間站”建到地球上

空間環境嚴苛復雜,不僅航天器的可靠性受到考驗,航天員的健康安全也面臨挑戰。如何增強宇宙探索能力,是亟待解決的難題。

“要想飛得更遠、駐得更久、探得更細,就要更加了解空間環境?!笨臻g環境地面模擬裝置常務副總指揮、哈爾濱工業大學空間環境與物質科學研究院院長李立毅說,“地面空間站”就是要在地球上建設一個與真實宇宙空間環境相似的基礎科學研究平臺,相當于把“空間站”建到地球上。

“地面空間站”位于黑龍江省哈爾濱新區科技創新城,由哈爾濱工業大學聯合中國航天科技集團承建。在建設園區,分布著“一大三小”四棟實驗樓,“一大”即空間綜合環境實驗樓,“三小”即空間等離子體科學實驗樓、空間磁環境科學實驗樓和動物培養室。

哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置科研人員進行空間生命科學分系統調試(4月6日攝)。新華社記者 王松 攝

按照設計規劃,“地面空間站”可以模擬真空、高低溫、帶電粒子、電磁輻射、空間粉塵、等離子體、弱磁場、中性氣體、微重力等9大類空間環境因素,能夠闡釋空間環境對材料、器件、系統及生命體的影響規律和作用機制。

相較于把實驗儀器設備搬到太空,“地面空間站”既能節省成本、減少安全隱患,又可以根據科學問題和工程需要,設置特定的環境因素,不受時空限制進行多次重復驗證,從而打造更加安全便捷的實驗條件和科研手段。

隨著圓形拱門緩緩移動,月塵艙映入眼簾,這便是“模擬月球”實驗艙。在一人多高的空間里,一米見方的平臺閃著銀光,懸置于頂部的探照燈和射線源造型各異。

團隊成員孫承月說,月塵艙攻克了多源輻照充電裝備集成、微小粉塵均勻淋撒、強靜電環境光學原位在線檢測等多項關鍵技術,將為我國探月工程、月球基地建設和載人航天等重大航天工程提供科研平臺。

這是哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置月塵倉(4月6日攝)。新華社記者 王松 攝

“未來,許多需要抵達太空才能進行的實驗,在地面上就能完成?!惫枮I工業大學空間環境與物質科學研究院副院長閆繼宏說,這是科學家夢寐以求的。

攻堅:把“冷板凳”坐熱

談起“地面空間站”的緣起,李立毅說,空間環境導致航天故障頻發,成為制約航天器長壽命和高可靠運行的關鍵所在。

早在2005年,哈爾濱工業大學開始聯合中國航天科技集團組建團隊,就空間環境與物質相互作用基礎科學問題的研究平臺條件展開調研和分析。

“科技攻關就是要奔著最緊迫的問題去?!惫枮I工業大學空間環境與物質科學研究院副院長鄂鵬說,大科學裝置建設對諸多基礎前沿研究、戰略高技術研究起著重要支撐作用。

這是哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置粒子加速系統(4月6日攝)。新華社記者 王松 攝

經過相關領域科學家和有關部門的反復論證、審慎決策,2015年9月,“空間環境地面模擬裝置”立項獲批;

2017年1月,其可行性研究獲批,同年7月,裝置初步設計獲批,年底開工建設;

2019年9月,哈爾濱工業大學空間環境與物質科學研究院成立,團隊從籌建之初的幾個人增加到百余人,覆蓋物理、材料、機電、電氣、化工、航天、生命等多個學科;

2023年2月,哈爾濱工業大學空間環境與物質作用前沿科學中心獲批立項建設……

不同于其他科研項目和基礎設施,大科學裝置既是一個科學項目,又是一個工程項目,兼具科學研究與工程建設的雙重特性,技術難度大、周期長、風險高,可借鑒經驗幾乎空白。

作為“地面空間站”的重要組成部分,零磁空間環境的目標是構建一個屏蔽外界環境磁場干擾的近零磁空間。在導師帶領下,“90后”團隊成員孫芝茵讀博時,創新提出“套娃”式磁屏蔽設計方案。

哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置科研人員展示空間磁環境模擬與研究系統(4月6日攝)。新華社記者 王松 攝

“地面空間站”離子加速器系統主任設計師劉劍利回憶說,由于大量設備沒有成熟產品,團隊需要從零起步。設計、加工、安裝、調試運行、數據分析……每一個環節都要拿出“120%的精力”投入。

“作為科研‘國家隊’,不能只考慮我會做什么、能做什么,更要考慮該做什么、要做什么”“摸著石頭過河,哪里有石頭就把哪里的石頭搬走”……團隊成員坦言,大科學裝置通常需要三四百人的團隊,但“地面空間站”約百人就完成了,周末假期不休息、一天工作十幾個小時是常態,很多時候“一個人當兩個人用”。

“‘地面空間站’為什么能?關鍵要靠自主創新,拿出了‘鋼牙啃硬骨頭’的勁頭?!惫枮I工業大學校長、空間環境地面模擬裝置總師韓杰才說,學校聯合多家協作單位不斷攻關,科研探索始終貫穿建設之中,實現同步推進。

展望:拉開科技交流合作新篇章

夏日的哈爾濱,草木蔥蘢。來自華中科技大學物理學院引力中心的“95后”博士研究生俞遠陽坐在零磁裝置前,仔細觀測電腦屏幕上的實驗數據。他將在這里進行為期一個月的引力波探測相關試驗。

“我們使用的關鍵部件磁性很弱,在特定零磁環境下,才能得到更精準的測量結果?!庇徇h陽說,“地面空間站”是國之重器,更是科研利器,將助推一大批科研成果產出。

眼下,國內外科學家競相申請進入“地面空間站”開展科學實驗。110余家機構已簽署用戶協議,覆蓋30多個國家和地區。

大科學裝置承載著人類探索未知世界的美好愿望,更吸引著一批青年科技工作者。他們來自多個高校和科研院所,將自身成長成才與國家發展需求更緊密地結合。

今年,“80后”聶秋月迎來在哈爾濱工業大學任教的第十個年頭。2014年,她從清華大學博士后工作站出站后,毅然選擇一路北上,參與到空間等離子體環境模擬與研究系統的研制工作。

這是哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置空間等離子體環境模擬與研究系統(4月6日攝)。新華社記者 王松 攝

“大科學裝置將成為搶占科技競爭制高點的一個新的策源地?!睆哪戏揭凰咝5焦枮I工業大學任職的金成剛說,從航天電子元器件檢驗到引力波探測,從農業育種到生命科學實驗,越來越多科研攻關將在這里展開,越來越多高層次科研人才將在這里匯聚。

當前,“地面空間站”建設的溢出效應已經顯現,已累計獲得國際和國內發明專利80余項,將在腦科學、生命健康、高端儀器、輻照育種等方面發揮重要作用。

這是哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置火星塵倉(4月6日攝)。新華社記者 王松 攝

業內人士坦言,在新一輪科技革命和產業變革驅動下,“地面空間站”有望解決航天產品一體化設計、模塊化制造、空間環境適應性等方面的瓶頸問題,帶動衛星制造、電子信息、人工智能、新材料、生物醫學等新興產業發展。

創新無止境,謀創新就是謀未來。哈爾濱工業大學黨委書記熊四皓說,學校將努力把“地面空間站”打造成先進技術研究與工程應用平臺,為科技強國建設、探尋未知奧秘作出更大貢獻。

文字記者:楊思琪

視頻記者:楊思琪、王大禹

海報設計:常清潭

編輯:李歡、郝靜、李安、鄔金夫、程昊

統籌:王潔、方思賢

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