“耕渔太空”构建火箭“血管”……上海嘉定力量助力“问天”之旅

  7月24日14时22分，一声“点火”令下，长征五号B遥三运载火箭从文昌航天发射场塔架腾空而起，成功将我国空间站问天实验舱送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

  问天实验舱是中国空间站迎来的首个实验舱，也是中国空间站首次在有人状态下迎接航天器的来访。

  值得一提的是，舱内配置了上海技物所研制的生物技术科学实验系统与生命生态科学实验系统，有望在未来实现在空间特殊环境下对多类型、规模化、系统性生命科学实验和研究的持续支持。“我们的目的是建立在轨实验条件，支持各类实验运行，为生物学家进行太空科学实验提供平台。”上海技物所空间生命科学仪器研制团队负责人张涛表示。

  由于太空环境和地球迥异，人类若要逐梦深空，开启地外生活，须先进行一系列空间生命科学实验和研究。在这两个实验柜里，配置了9个如同抽屉一般的科学实验模块，它们承担着怎样的重任呢？

  以生物技术科学实验系统为例，它最重要的包含细胞组织实验模块、蛋白质结晶分析模块、细胞组织检测与调控模块以及专用实验模块，将开展细胞组织培养、空间蛋白质结晶与分析、蛋白与核酸共起源和空间生物力学等实验。“这些实验模块主要是为生物学家提供在轨培养、实验条件，研究生物在微重力情况下的一些变化，从而检测出关键参数。”张涛介绍。

  其中，细胞组织实验模块作为核心实验模块，可同时支持72个培养单元开展空间细胞、组织层面的培养实验。对此，结构工程师张寅幽默地将它比作是一栋有36套72间房的“精装楼”，细胞组织可以直接“拎包入住”，还能够准确的通过需求更换“住户”。

  近年来，研究表明空间站微生物污染对科学实验的影响不可以小看。为保证实验系统不受外界影响，研究团队在实验模块里设置微生物采样器，目前可在轨实现系统中微生物安全监测。

  此外，为给生物学家提供微重力环境和地球环境的比对实验条件，研发人员还为实验柜配置小型离心机，以便在空间站模拟地球的重力条件，并将空间微重力、太空模拟重力和地面的实验数据来进行对比，尽可能准确反映太空微重力对生命过程的影响。

  除生物技术科学实验系统外，生命生态科学实验系统亦是“神通广大”，最重要的包含通用生物培养模块、小型通用生物培养模块、小型受控生命生态实验模块、小型离心机实验模块、微生物检测模块和舱内辐射环境测量模块。

  “未来人类有望在太空建立基地或在太空驻留足够长时间，资源上的自给自足非常必要。”张涛表示，在空间站开展植物生长研究，对实验环境的温度、湿度、光照、液体及气体组分等都有严格要求。而通用生物培养模块作为生命生态实验系统的核心，可对植物生长所需气体组分进行动态调控，并根据不同科学实验做调整，前期将开展高等植物种子、幼苗或植株的培养，后期可根据自身的需求对线虫、果蝇等微小动物开展培养。

  “以浇水为例，在微重力环境中，一滴水在太空中会凝聚成一颗漂浮在空中的水球。科学家要让水球注入土壤中，确保植物种子能够汲取水分又不会被淹死。”生命生态科学实验系统主任设计师郑伟波说。

  在生命生态实验系统中，科研人员还构建以斑马鱼为研究对象的小型密闭生命生态系统。

  “对于这套系统，我们大家可以称之为‘天上养鱼’。这是个密闭的‘水族箱’，它能监测和控制管理系统环境参数并传输实时数据、图像等。”上海技物所结构工程师田清打了个比方，“在太空微重力环境下，‘鱼缸’必须密闭处理，不然水会‘飘走’，斑马鱼游动起来也会将水推开。因为太空没有浮力，斑马鱼必须靠自己的适应能力，调节在水中的姿态，适应微重力环境。”

  此外，生命生态实验系统还能适应不一样植物的生长需求，对光谱、光强、光周期进行调节，并提供二氧化碳等植物进行光合作用的“耗材”。“相当于建立一个相对完备的基础生物科学实验室。”郑伟波表示。

  在此次发射任务中，上海航天电子有限公司为长征五号B遥三运载火箭配套的一级二级遥测天线、脉冲应答机天线、GPS接收机天线、安全指令接收机天线、功分器、功率合成器及高频电缆等产品，再次彰显航天人的使命和担当。

  “遥测天线负责在火箭发射的各个阶段发送箭上的遥测信号，就好比心电图的传感器，把火箭的‘健康情况’实时传送。”天线产品主管设计师付华介绍，脉冲应答机天线是所有箭上天线中技术难度最大的天线，可将脉冲应答机的外测信号通过脉冲应答机天线传输给地面，也可将接收的地面脉冲信号传输给脉冲应答机。

  各种高频电缆与功分器相配合，构成火箭的“血管”，有条不紊地传输信号。在研制阶段，团队使用仿真实测等手段验证多种天线方案，经过优化和试验选取最为合适的天线种类，并针对长征五号B遥三运载火箭的存放环境、弹体直径、发射特点等多种因素进行大幅度的适应性设计，使天线具备更强的抗烟雾、淋雨、防霉菌等功能。

  该公司还为实验舱测控分系统配套了频率综合器，为总体电路分系统配套火工控制装置；为推进分系统配套推进管理器；为电源分系统配套对日定向子系统舱外控温仪；为搭载系统配套主控模块和发控单元等。

  那舱外控温仪是什么？“对日定向子系统舱外控温仪安装在资源舱外，工作在组合体飞行段，其基本功能是对对日定向装置、舱外驱动控制器以及自身的温度主动控制及温度检测，将被控对象及自身温度控制在所需的范围以内。”舱外控温仪主管设计师吴华红介绍，舱外控温仪好比“温控大师”，可以为各产品工作提供一个良好的温度环境，保证各产品性能指标稳定可靠。

  在此次叩问苍穹的飞天之旅中，上海光机所承担实验舱Ⅰ舷窗微波防护光窗的研制工作。

  实验舱Ⅰ舷窗微波防护光窗用于舱内微波防护，防护窗口需要满足强度、抗温冲击、辐照、振动等苛刻环境适应性，同时光窗在宽电磁频段内，尤其是超高频频段具备优异的电磁屏蔽效能。作为航天员对外观察的窗口，兼具电磁防护性能的同时，要具备高的光学透过性能。上海光机所成功突破系列技术瓶颈，研制的舷窗微波防护光窗为航天员提供清晰的视野观察和优异的安全电磁防护，为国家重大航天工程提供重要技术保障。

  众多嘉定力量中，上海硅酸盐所研制的多项关键材料也成功应用于中国空间站问天实验舱发射任务。

  上海硅酸盐研究所研制的长寿命低比值无机热控涂层、耐高温隔热材料与组件、舱内通道照明和仪器仪表等多种载荷表面高辐射热控涂层、耐辐照舷窗玻璃、消杂散光涂层、不锈钢灰色化学转换热控涂层、钛合金微弧氧化涂层等十余种涂层与部件应用于空间站问天号；研制的高温压电陶瓷应用于搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭遥测系统；研制的耐磨陶瓷涂层应用于火箭发动机涡轮端密封动环。

  据悉，火箭的正常发射需要在重要部位布置各种传感器，其中压电振动冲击传感器是重要的一种结构健康监测传感器。利用压电材料的机电耦合效应，将力信号转换为电信号，能轻松实现对火箭重要部位的故障监测，是保障火箭正常运行的重要传感器件之一。

  仰望星空，中国航天事业不断创造新历史，彰显着我们的创新永不停歇、探索永不止步。

  相信未来，在逐梦太空的征途上，我们的脚步将迈得更稳、更远，也会有更多的嘉定力量绽放光芒！

  24日14时22分，一声“点火”令下，长征五号B遥三运载火箭从文昌航天发射场塔架腾空而起，成功将我国空间站问天实验舱送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。