4月16日,三名航天員完成為期六個月的太空“出差”任務順利返航,在人類探索太空的進程上,代表中國寫下了濃墨重彩的一筆。

中華民族對飛天的渴望、對未知太空的向往已延續千年。如今,“欲上青天攬明月”的壯志早已變為現實,在天宮空間站“天和”核心艙的每一個角落,都凝聚著大量的中國智慧。

來自海爾的智慧,藏在兩臺特殊的“航天冰箱”里。從2011年到2022年,從神舟八號到神舟十三號,海爾航天冰箱已“七入太空”,成為中國載人航天項目的“標配”。

這打破了國外長達30年的技術壟斷,中國也由此成為繼美國、俄羅斯之后第三個掌握航天冰箱核心技術的國家。作為這一項目的主要負責人,青島海爾生物醫療股份有限公司副總經理陳海濤在接受采訪時為大家詳細介紹了航天冰箱技術研發的過程與相關問題。

一問:航天冰箱是干啥的?和家里的冰箱有啥不一樣?

陳海濤:是為太空環境“特別定制”的冰箱。

顧名思義,航天冰箱是用于太空環境的低溫儲存設備,根據用途又分為醫用冷儲箱和食品冷藏箱。

醫用冷儲箱用來存儲空間醫學、生物試驗樣本,以開展在軌醫學和生物方面的科研,支撐人員在空間站長期駐留;食品冷藏箱用來存儲航天員在空間站每天的食物。

由于太空環境極其特殊,航天冰箱的性能、設計等也跟家用冰箱大有不同。在太空微重力的環境下,物品是漂浮狀態,這就需要保持物品穩定的同時又要方便取放。此外,家用冰箱主要采用壓縮機制冷,但在太空微重力的環境下,氣體和液體不能靠重力分開,成熟的蒸氣式壓縮機制冷技術不適用,需要探索其他制冷技術。

二問:冰箱要上天,到底難不難?

陳海濤:難,輕、強、穩、智、省,處處是坎。

一是“輕”。載人航天項目要求非常高,產品研發都要精確到克。為把航天冰箱做“輕”,我們通過制冷系統選擇、結構緊湊性設計、保溫層厚度減半等把重量一克一克往下減,實現了箱體重量比項目要求的設計限值還低25%。

二是“強”?;鸺l射階段,神舟飛船會經受振動、沖擊、噪聲等各種極限考驗,這要求航天冰箱具備更高強度結構,承受振動12g和沖擊500g的瞬間最大加速度,相當于航天冰箱要承受自身重量500倍的瞬間沖擊,這一指標超過了飛機零部件抗振動、抗沖擊的要求。

三是“穩”。在發射階段是“超重”帶來的強度考驗,進入太空中則是“失重”帶來的穩定考驗。想象一下空間站里航天員們一打開冰箱,蘋果、酸奶到處飄,會帶來很大的麻煩,所以航天冰箱要設計得既能固定物品,又能方便航天員取放。為此,我們試驗了金屬材料、彈簧結構等多種材質和方案,最后設計了一種防護網,方便取放的同時還耐菌,航天員實際使用后反饋不錯。

四是“智”。航天員在軌的時候要管理很多設備,要處理的任務非常多。為給航天員“減負”,我們在航天冰箱上應用了物聯網技術,冰箱可以連到內部局域網上,航天員通過一個類似PAD的手持終端就能完成開關機、溫度設定等,這是國際空間站也沒有的方案。更厲害的是,航天冰箱離地球表面約400千米的距離,也可以和地面的國家航天中心聯網,航天員休息的時候就有地面工作人員來照看這些設備。

五是“省”。航天設備在軌運行使用的電來自太陽能帆板,節能是航天冰箱研發的重要指標。微重力環境下壓縮機制冷技術失靈,我們就探索應用了航天熱電制冷系統,把航天冰箱能耗做到普通節能燈的約1/3,比項目要求的還降低了25%。

三問:研發過程中,有什么事終身難忘?

陳海濤:技術難題、時間進度,都讓我敬畏。

第一個是震下來的門。前面說了火箭發射階段的振動和沖擊力是非常大的,所以我們在提報航天冰箱方案的時候,已經提前做了結構加強設計,包括門軸、門鎖結構,都是選用高強度的鋼材做的,而且做原理試驗能走得通,結果在做環境適應性測試時,直接就把冰箱門給震飛了。這讓我們重新認識了航天冰箱要面對的特殊環境有多嚴苛,為了兼顧“輕”和“強”,我們在材料和結構上做了很多嘗試,才把這個問題解決了。

第二個是靜電擊穿的時間點。那時離產品交付只剩一兩個月了,在一次摸底實驗的時候發生了靜電擊穿,就是靜電放電可能造成硬件擊穿。舉例來說,秋冬干燥的天氣里我們身上有靜電,跟別人碰到手會有針扎了一下的感覺,就是靜電放電造成的。我們當時就想,一定要趕緊找出原因,不然耽誤整體項目進度的責任和損失難以估算。那是春節期間,大家都沒回家,就在實驗室反復驗證,在大家都有點絕望了的時候,終于發現這并不是產品本身的問題,而是在實驗過程中,里面放了一個模擬負載的裝置,它和冰箱發生了靜電摩擦,造成了元器件的損傷。所以近10年里,海爾航天冰箱“七入太空”,為保障每一次項目進度,我們團隊每一次都是高度緊張、全力以赴。

四問:這么難的項目,為什么海爾行?

陳海濤:用硬指標說話,吸引更多中國企業共筑“航天夢”。

2006年啟動醫用冷儲箱項目的時候,面對國外航天技術的封鎖,中國航天向國內頂尖的、做制冷類產品的公司提出需求,看有沒有好的方案,提需求的時候也沒設上限,只要求重量越低越好,效率越高越好。最后,海爾憑借硬指標拿下了這個項目。

以前,航天產品很少有企業參與,因為產品質量要求很高,企業保證起來會有困難。海爾作為企業參與核心裝備的研制,不僅交付的產品性能超出了規定指標,而且第一次參與研制的設備就上天了,上天后還非常順利地完成了任務,并在后面每一次任務里都表現得非??煽?、非常穩定,給他們留下了非常深刻的印象。

在這個基礎上,中國航天再做空間站食品冷藏箱的時候,直接選擇了海爾??吹轿覀儼押教毂渥銎饋砹?而且天宮空間站時期技術更加成熟了,更多中國企業也參與進來共筑“航天夢”。

五問:我們跟國外比,領先嗎?

陳海濤:領先。

除了前面提到的航天冰箱能實現艙內聯網互動,我們的航天冰箱能耗指標也更優。醫用制冷設備是看“單位容積的能耗”這個指標的,就是每單位容積每天運行的耗電量是多少,根據公開的信息,和國際空間站上的同類產品相比,在這個指標上我們做的更好。

六問:航天員在天宮說過什么有意思的事?

陳海濤:吸塵器在太空也有妙用。

雖然航天冰箱離地球表面約400千米,但可以和地面實時聯動。來自太空的每一次反饋,都有地面人員的及時響應。

比如前一段時間,航天員反饋我們冰箱的溫度有點高,我們在地面上考慮了各種可能,比如是不是因為空間站微重力的環境里氣流無法自然對流,在冰箱附近還有其他設備排放熱量,就把周邊環境溫度帶高了?

我們和航天員天地聯動配合做了很多分析,最終發現問題出在過濾器上,它吸附灰塵會導致溫度升高。這個問題我們在設計的時候就考慮過了,知道航天員在空間站里有吸塵器,就建議他們用吸塵器吸一吸過濾器,溫度接著就下來了。所以說,他們在軌飛行的過程中,我們時時刻刻都在關注,他們能夠順利完成任務返回,也是我們最大的心愿。

七問:這次航天冰箱也回家了嗎?

陳海濤:沒有,帶回來的是低溫存儲裝置和生物樣本。

在返回過程中,為保證航天員的安全,要嚴格控制返回艙的重量。為此,醫用冷儲箱在完成任務后,就被留在神舟飛船里,進入大氣層時被銷毀,而重要的生物樣本則會被轉移到低溫存儲裝置中,跟隨航天員通過返回艙回到地面,再被及時送檢。食品冷藏箱則繼續留在天和核心艙執行任務。

八問:為什么選擇干研發?

陳海濤:好奇心和喜歡挑戰。

我感覺自己是素質教育的受益者。我從小在新疆長大,上學時自由時間比較多,能保持對事物的好奇心。另外,我對創新類的事物比較感興趣,喜歡做一些創新的東西,工作后就想干一些有挑戰性的項目,比如航天冰箱這種,符合我的發展愿望。

九問:科技創新,你怎么看?

陳海濤:核心技術真的是買不來的,企業是關鍵技術創新的主力。

我們剛接航天冰箱項目時,只知道有航天冰箱,但誰也沒見過,國外技術對中國封鎖,我們完全是從零開始。當時就特別深刻的感覺到,核心技術真的是買不來的,還是要靠我們自己去創新,才能不被“卡脖子”。

為了干成這個“卡脖子”的項目,海爾集團給了我們團隊非常大的支持,讓大家不以盈利為目的去搞科研,我覺得企業特別有擔當。隨著這個項目突破國外封鎖,我們的技術人員也在項目中快速成長,成為企業的創新力量。

我一畢業就選擇到海爾來做技術研發,也是看中這個平臺鼓勵創新,在做一些很有創新挑戰性和發展空間的業務。從技術人員視角來看,海爾集團這些年的發展一直都聚焦技術,在企業發展的同時,也實實在在解決了幾個卡脖子的問題。

今年年初,海爾宣布成立科技創新委員會,未來三年內將建立專項產業基金400億元,研發投入600億元,聚焦綠色雙碳、安全隱私與合規、專業領域的芯片與操作系統、AIoT/感知與交互、數據生產力五大共性的關鍵技術,突破行業核心技術難題。我認為,這也是想通過企業的創新來帶動行業和社會的變革。

在國家鼓勵、企業支持的環境下,我們科研人員更要有扎實俯下身子去干的精神,扎扎實實把關鍵技術做出來。

十問:對年輕人,想說點什么?

陳海濤:創新應該永遠都有魅力。

現在大家活得越來越精彩了,我覺得對于年輕人來說,創新應該永遠有魅力、有吸引力,年輕人要保持激情、積極地去參與創新。


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