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航天材料专家揭秘神九天宫对接密封圈

发布时间:2019-11-28 11:33:03   人浏览 来源:

橡胶技术网 - 橡胶专家

航天材料专家、中国航天科技集团公司运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所副总工程师赵建设作客新浪嘉宾访谈,介绍包括神九、天宫对接密封圈使用的高科技材料,赵建设介绍,目前许多航空材料已经应用于铁路、发电等民用领域。以下为访谈实录。

  访谈嘉宾:赵建设,男,44岁,陕西商州人,研究员,中国航天科技集团公司运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所副总工程师。2000年8月,中国运载火箭技术研究院材料学专业硕士研究生毕业。1991年8月到航天材料及工艺研究所参加工作,主要从事复合材料构件加工技术研究工作,获得国防科学技术一等奖1项和多项省部级奖励。针对碳基、树脂基、陶瓷基等复合材料切削加工特性、加工机理、加工工艺方法等进行了深入的研究,尤其在高速低损伤加工技术研究方面有较高的造诣。

  主持人:新浪网友,大家好!我叫姬少亭,新华社记者,也是科学松鼠会的主持人,我们今天非常有幸地请到了赵建设老师,赵老师是中国航天科技集团公司运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所的副总工程师。赵老师,您好!

  赵建设:新浪各位朋友,大家好,主持人好!

  主持人:赵老师从事这方面的工作一共多少年了?

  赵建设:从1991年毕业到现在有21年了。

  主持人:这一次在神舟九号和天宫一号里,有哪些材料是您参与设计制作的?

  赵建设:从神舟九号防热材料体系来说,外表面主要是两大块,一个是返回舱侧壁,一个是防热大底。两大部件外表面热防护系统材料是我们所研制的。其中返回舱外表面防热材料有两类,一类是中密度玻璃钢,主要用在侧壁防热环,防热框和舱盖。还有低密度材料,一个是0.7g/cm3密度,一个是0.5g/cm3密度,0.7 g/cm3密度主要用在迎风面,0.5g/cm3用在背风面。侧壁后面是防热大底,热流是比较严重也是比较恶劣的是防热大底,用的拐角环是中密度玻璃钢,大面积也是低密度材料。低密度度材料是玻璃钢蜂窝控制在金属壳体上,对外面起到防护的作用。

  主持人:赵老师刚才讲到,这个材料应用方面,火箭跟飞船是非常不同的,有哪些不同?

  赵建设:飞船主要侧重两个作用,一个是在太空运行过程中,要经历正负100℃高低温度交变。在返回的过程中,要扛气流冲刷,引起结果是外表面是1000多度,靠外表面防热材料,厚度大概25毫米左右,起到把外面近2000度的温度降到舱内30度左右的温度,主要是靠气流冲刷过程中外表面的烧蚀带走热量,没烧蚀原始层起到隔热的作用,阻止温度传到舱内,保证航天员在舱内的安全。我们研究的材料主要是几个部分,一个是整流罩,保护有效载核在上升过程中免收气流冲刷引起的损伤。第二个,大的密封件,比如燃料输送系统,管路的密封。储存燃料的储箱的密封。在研制过程中,对管路的密封包括箱体密封是最大的难点,保证良好的密封,密封材料就要跟燃料要有很好的相容性,否则燃料接触密封件会引起密封圈的腐蚀,密封性能会下降。我们所里研制了两种新的材料,一个是用于四氧化二氮,一个是用于偏二甲肼。

  主持人:您主要研究是耐高温的材料,飞船一方面要耐高温,一方面要耐低温,如何使材料又能耐低温又能耐高温?

  赵建设:这是通过材料的改性,外表面要防热,同时里面又加了适应环境温度比较好的弹性材料,这样能够起到在高温下能够防热,低温下又不至于性能降低,性能降低引起功能的失效,从材料上进行一个改性。包括密封的一些大的密封件。刚才提到天宫一号跟飞船对接的部位有一个大的密封圈,这个也是我们所研制的,这个密封圈是非常关键的,既要保证分离能够分离开,同时保证非常良好的密封,可以想象这个密封圈不能密封住,航天员在太空情况下会发生什么严重的后果,所以密封圈研制也是项目关键的技术。

  主持人:您再稍微细致介绍一下,一方面能够非常良好的密封性,另一方面又能够及时完好的分开,这两个特性是对它是矛盾的要求吗?

  赵建设:应该说在某些方面是统一的关系,既要保证密封性能,又要保证不发生粘连,密封材料性能上要有它的特殊性,正因为有特殊性的要求,在材料体系上我们进行了优化改进。通过这一次交汇对接的情况来看效果还是非常好的。

  主持人:赵老师您从事这个工作已经很多年了,很想听您讲一讲,我们材料研究在过去历史中都实现了哪些突破?您刚才也讲了,您个人除了对中国的了解之外,对美国和苏联也颇有了解麻烦您跟我们介绍一下这个情况。

  赵建设:从防热材料的发展经过这么几个阶段,首先是防热材料,烧蚀型防热材料经历了三代,第一代是玻璃/酚醛。第二代是碳/酚醛。第三代是先进的碳/酚醛材料,这是从烧蚀材料。第二类发展是非烧蚀,或者微烧蚀材料,比如碳材料和高温抗氧化涂层。第三类高效高温隔热材料,比如航天飞机用的刚性防热瓦,还有柔性的隔热毡。导热系数比较低,质量和密度比较小,隔热效果又比较好的材料,这是从材料发展的趋势经历了这样几类。

  从飞船的材料来说,也经历了这么几个过程,比如美国最早的水星号,用的玻璃/酚醛,密度比较高,大概1.7g/cm3几。第二代,双子座号,在玻璃钢蜂窝里是硅橡胶基低密度材料,密度大概是0.85 g/cm3。第三代,现在常说的阿波罗,阿波罗防热材料在这个基础上又进行了改进,改进玻璃钢蜂窝里填充酚醛、石英纤维组成的材料,密度更低,大概0.55 g/cm3左右。目前进入到更先进的材料PICA材料,今年刚发射的龙飞船,还有星辰号飞船,用的也是PICA材料,这种材料由酚醛树脂、碳基烧蚀材料组成的。从刚才介绍的趋势看,材料的密度是越来越小,但是它的防隔热性能没有降低,在提高。它将来耐温的性能也在越来越提高,尤其随着美国搞的深空探测,这个趋势也在发展,对材料的需求越来越强烈,这方面也推动了材料的发展。

  主持人:赵老师,密度逐渐降低,除了可以为飞船减重之外,还有没有其他的优点?

  赵建设:降低密度的途径基本上通过里面加一些密度比较小的,比如空心的微球,加进去的作用降低了密度,也降低了导热系数,它的隔热性能也进一步提高了。同时还要兼顾它的力学性能的要求,比如强度不能降低太多,因为它将来还要承受压力的问题,所以这两块也是统一的,两个方面性能都要兼顾到。

  主持人:现在我们已经有一些材料应用于民用,比如绿色能源、环保方面,现在还有交通运输,我们有一些材料已经用在高铁上了,您可不可以介绍一下这个方面?

  赵建设:因为我们所这几年在民用领域开展的工作也是比较多的,我们开展工作主要几个比较好的方面,刚才主持人也提到了,第一个,绿色能源。第二个,工业环保。第三个,交通运输。绿色能源分了三类,一类是风电,风力发电,这一块儿现在市场化、规模化比较好的,像风力发电的叶片用的缝编织物是我们所里做的,现在可以达到年产15000吨的量级,已经用到国内几个主要风机生产厂家,已经稳定给他们供货。

  主持人:完全满足了国内的需求吗?

  赵建设:目前几大风电制造厂一直在订我们所里研制风编织物。我们所里配合着成套生产风机发电机,我们所里承担风力发电机叶片,从900千瓦到1.5兆瓦,2 兆瓦,3兆瓦,5兆瓦,我们现在开展这方面的工作。太阳能这一块我们提供了这样几类,一类是热反射涂料,现在已经用在石化,它的优点是抗太阳能的反射,还有红外发射率比较高,所以可以保证储灌里面温度比较低。还有我们生产的碳热材料,光伏行业生产多晶和单晶硅要用到我们的碳碳材料,学化学的都知道做一些实验要用到一些坩埚,还有耐高温的碳碳材料。还有太阳能真空集热管是我们所做的。第三个,我们做的六毫米石墨小球,核反应堆停堆以后,在850度的情况下扔到反应堆里,大概落差20米左右吸收中子,这个比较好,我们在山东专门有一个碳碳生产基地,当时山东省委书记也参观了,山东省也支持我们现在所里的民营公司。这是绿色能源这一块。

  第二块,工业环保,房间里用的绿色环保地坪,铺在带地面上的地坪。

  主持人:这个是用在家居吗?

  赵建设:家居也可以用,它是绿色、环保、无毒,这个已经在推广应用。还有防腐、防水,刷在水泥表面起到防水作用。防腐,比如屋顶、水族馆、游泳池、冷库等等用我们一些防水材料。

  主持人:这个现在推广力度有多大?

  赵建设:好多企业在用,我们想尽量进一步扩大市场份额。

  主持人:一般游泳池外面也会涂吗?

  赵建设:涂上肯定效果更好,现在一般都用水泥,我们这个防水涂料可以在水泥的表面上再刷一层,这样使用的寿命更长,效果更好。第三块,交通运输,京沪高铁的轨道刷的面漆,是脂肪族的面漆,它的好处是防腐蚀、寿命长。施工比较简单,现在可以涂刷,我们可以在京沪高铁,石家庄到武汉的这条线上已经用上了,包括北京到天津的城际列车轨道有用到了。

  主持人:这个面漆是针对高速铁路的,还是其他铁路也可以应用?

  赵建设:其他铁路也可以用,因为它用在这上面效果最好,它对路基要求更高,它发挥的作用更大。现在上海商飞公司在生产大飞机,他用的碳纤维的料也是我们提供,通过质量认证,我们性能和指标已经完全满足他们的要求。这几年我们所民品的发展形势还是比较好的。航天材料应用到民用行业,民用行业我们确实发挥了很大的作用。

  主持人:作为一个老百姓很难想象航天材料在民用上有这么大的应用。不知道未来还会有哪些材料可以应用到民用上?你们有没有这样的计划?

  赵建设:这个计划我们所里和院里一直做这方面的计划,我们想占领高端市场,发挥航天本身的优势,这样能更好的服务于民用行业,服务于老百姓。

  主持人:比如哪些方面的材料?

  赵建设:刚才提到这三大类,还有一类的民用行业,比如火车的车箱车门,用我们现在用的保温材料,一种泡沫的保温材料,既隔音又保温,密度小重量也轻。还有一些金属材料,这方面也在推广应用。

  主持人:我很好奇的是,在民用里所使用的材料,到底跟我们航天使用的材料它的差距有多大?是不是我们会把过去不是那么先进的,最顶尖的技术推广向民用?

  赵建设:民用行业我们是根据民用的需求,我们所是搞材料研制的,所以我们根据民用的需求,他的要求我们进行材料改进,不见得航天材料性能就低了,不是的,是根据他的需求,你侧重于哪个方面我们研究哪个方面的材料,也许民用材料不比航天材料低。比如防热材料发挥防热材料优势,结构材料发挥承载材料的优势,主要是根据他的需求。

  主持人:现在在我们航天材料研究中我们存在什么样的难点?有什么难点需要我们继续突破的?是不是为了适应未来向更远的方向向太空旅行,或者实现更高的速度,在哪些方面我们还要实现突破?

  赵建设:根据未来发展的需求,对材料的密度要求要进一步降低,因为他主要是出于减重的目的。第二个,对它的耐温性要进一步提高,现在是1800到2800 左右,以后升空要求耐温温度更高,返回的时间更长,对耐温性要求更高。第三个,本身在适应复杂太空环境的适应能力进一步提高我们现在提正负100度,以后温度范围要求会更宽,适应能力会进一步提高。

  主持人:在材料研制方面有没有一些特别神奇的材料可以向我们介绍?跟我们日常理解的材料不一样的,有没有神奇之处?除了耐高温之外,以前有听说过一种材料,它可以自我修复,实现这样的功能。

  赵建设:自我修复作为材料来说是另外一类,还有一类,现在所有的材料都要考虑后续损伤了,比如产生缺陷了,在这个情况下要对它进行修复,但是自我修复的材料,我理解可能是记忆合金,这是另外一种特殊的材料,它主要是在特殊的环境下需要这种功能。作为大的航天材料来说,主要还是从防隔热,长寿命,耐温性、强度这方面考虑多一些,要求更细一些。

  主持人:谢谢赵老师,今天非常全面的给我们介绍了材料的发展历史,也向我们介绍了航空材料民用的一些情况。作为一个老百姓可能感到比较差异的是,没有想到现在的民用是这么的广泛。最后一个问题还想问问您,作为您个人来说,您认为中国航天的意义是什么?

  赵建设:中国航天的意义太大了,首先一个,壮了国威,让中国人感到很自豪。我印象很深刻九几年去香港,香港老百姓一听说飞船发射成功了非常振奋,可以说第一个方面首先提高了国际地位,提升了民族自豪感。第二个,带动了好多行业,科技技术的发展,这是很显著的。有需求才能带领技术产业往前发展,如果没有需求,技术发展肯定要迟缓的多。第三个,刚才也谈到了,技术发展以后可以把好的,先进的技术服务于民用,相当于回头又造福于老百姓,所以我说发展航天事业,我个人认为意义是非常大的,于国于民都是非常有好处的。

  主持人:谢谢赵老师,像赵老师说的中国航天技术于国于民都是非常有好处的,非常感谢赵老师今天来到现场,谢谢赵老师,也谢谢各位观众。

  赵建设:谢谢网友,谢谢主持人。

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