建設(shè)中的空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)核心設(shè)備。

正在施工的300MeV質(zhì)子重離子加速器弱電橋架工程。

2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功傳回世界第一批月球背面近距離探測(cè)數(shù)據(jù)，揭開(kāi)了古老月球背面的神秘面紗。在月表高真空、高低溫、帶電月塵、復(fù)雜月形月貌等多因素極端環(huán)境下，科學(xué)家是怎樣保證“嫦娥四號(hào)”開(kāi)啟月球背面探索之旅的？

“老亮了！”2021年7月4日，神舟十二號(hào)航天員劉伯明成功出艙，將東北話帶到宇宙。與東北話共同“出圈”的，還有哈工大為神舟十二號(hào)提供的多項(xiàng)航天技術(shù)支撐。航天員身上穿的頭部帶神燈和傳感器，顏值滿分、科技感爆棚的新一代國(guó)產(chǎn)艙外航天服，面對(duì)磁暴、高能粒子輻照、高速微流星和空間碎片等極端空間環(huán)境，如何保障宇航員在中國(guó)空間站艙外工作時(shí)的生命安全？

能不能在地球上建一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用于模擬太空環(huán)境？

在國(guó)家“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目建議征集階段，哈爾濱工業(yè)大學(xué)匯聚全球一大批科學(xué)家，把空間綜合環(huán)境與物質(zhì)的相互作用的科研建議提交給了國(guó)家。而今，這項(xiàng)被稱(chēng)作“大科學(xué)工程”的“空間環(huán)境地面模擬裝置”建設(shè)，正在宏圖變現(xiàn)實(shí)。

為了這一天的盡快到來(lái)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一群“拓荒牛”，已經(jīng)奮斗了16年。

地球上建“地面空間站”

建一座包羅萬(wàn)象的“地面空間站”有多難？可以綜合模擬九大類(lèi)空間環(huán)境因素、具有國(guó)際領(lǐng)先水平的“空間環(huán)境地面模擬裝置”從提出建設(shè)概念到實(shí)施建設(shè)，就花了十余年的時(shí)間，大到整座建筑的功能設(shè)計(jì)，小到一顆顆螺絲釘?shù)牟馁|(zhì)，都凝結(jié)著設(shè)計(jì)師和哈工大科技工作者們的巧思、熱情和想象力。

“空間環(huán)境地面模擬裝置，就是要在地球上建設(shè)一個(gè)與月球、火星等真實(shí)宇宙空間環(huán)境相似的‘地面空間站’。”哈工大大科學(xué)工程常務(wù)副總指揮、常務(wù)副總師、空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院院長(zhǎng)李立毅告訴記者，項(xiàng)目建成后，很多需要在進(jìn)入太空才能進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，在“空間環(huán)境地面模擬裝置”就能夠完成。

“真空、微重力、電磁輻射、粒子輻照、高低溫、等離子體、磁場(chǎng)……這些存在于太空的環(huán)境因素，聽(tīng)起來(lái)與我們的生活遙不可及。但如果將空間環(huán)境研究透徹，對(duì)人類(lèi)發(fā)展的意義將是非凡的。”李院長(zhǎng)進(jìn)一步解釋道，這項(xiàng)大科學(xué)工程揭示空間環(huán)境條件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化規(guī)律和各種環(huán)境耦合效應(yīng)的物理本質(zhì)。“項(xiàng)目將通過(guò)研究太空環(huán)境下的器材/器件和系統(tǒng)、生命體、等離子體的影響，解決制約航天器高可靠長(zhǎng)壽命的瓶頸問(wèn)題、增強(qiáng)人類(lèi)空間駐留和利用環(huán)境資源的能力、提高對(duì)空間極端環(huán)境的認(rèn)識(shí)和防控能力。”

據(jù)悉，空間環(huán)境地面模擬裝置是《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃（2012-2030年）》“十二五”建設(shè)的16項(xiàng)國(guó)家“大科學(xué)工程”項(xiàng)目之一，是國(guó)家部署在東北地區(qū)的首個(gè)、也是我國(guó)“十二五”期間在空間科學(xué)領(lǐng)域唯一國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。2017年8月29日，空間環(huán)境地面模擬裝置國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作研討會(huì)召開(kāi)，哈工大與中國(guó)航天科技集團(tuán)公司共建的大科學(xué)工程項(xiàng)目正式開(kāi)工建設(shè)。

將解決多項(xiàng)航天技術(shù)“卡脖子”問(wèn)題

“2017年9月之前，這塊地還是一片農(nóng)田、魚(yú)塘。”而今，望著眼前拔地而起的高樓和潔凈的柏油路面，哈工大大科學(xué)工程調(diào)度王晨的喜悅之情溢于言表。他說(shuō)，項(xiàng)目的建安工程分為“一大三小”，包括空間綜合環(huán)境實(shí)驗(yàn)樓、空間等離子體科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、空間零磁環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓和動(dòng)物培養(yǎng)室。大科學(xué)工程建設(shè)基建已進(jìn)入尾聲階段，大型設(shè)備開(kāi)始入場(chǎng)安裝調(diào)試。記者參觀了建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)。

空間綜合環(huán)境實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)，四個(gè)巨型金屬裝置看似平淡無(wú)奇，實(shí)則各個(gè)“有內(nèi)涵”。“空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)，用來(lái)模擬太陽(yáng)系6大類(lèi)典型環(huán)境因素，包括真空、高低溫、電磁輻射、粒子輻照、空間粉塵等。”哈工大空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院空間材料與環(huán)境工程研究室主任李麗芳說(shuō)。

談起空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)的“寶貝”，李麗芳如數(shù)家珍。“我們系統(tǒng)有國(guó)際上環(huán)境因素最多的綜合輻照艙，國(guó)際上唯一動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)月塵充正電和負(fù)電的大型月球多因素極端環(huán)境模擬器——月塵艙，國(guó)際上實(shí)現(xiàn)火星表面低氣壓大跨度風(fēng)速塵暴的火星塵艙，可加速空間微納粉塵最高速度達(dá)到70km/s的高速粉塵艙，國(guó)際上唯一可模擬地球低軌原子氧-紫外-質(zhì)子耦合效應(yīng)的原子氧艙。這些設(shè)備都配備了先進(jìn)的原位測(cè)試儀器，可以在艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量。”

她透露，空間綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)建成后，將為我國(guó)載人航天工程，月球、火星和小行星深空探測(cè)，我國(guó)空間站建設(shè)等重大航天工程提供世界領(lǐng)先水平的科研平臺(tái)和型號(hào)產(chǎn)品試驗(yàn)標(biāo)校環(huán)境，解決高性能航天材料和器件等“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自主可控，保障航天器可靠、長(zhǎng)壽命在軌服役。

走進(jìn)空間等離子體實(shí)驗(yàn)樓，直徑5米，分別長(zhǎng)10.5米和6米的兩個(gè)大型真空模擬艙傲然挺立，空間等離子體物理研究室主任金成剛介紹：“大氣層以外99.99%以上的可見(jiàn)物質(zhì)都是以等離子體狀態(tài)存在，航天器就在等離子體的海洋中航行，等離子體的分布和演化規(guī)律主導(dǎo)了空間天氣變化，對(duì)航天器的服役有著重要的影響。空間等離子體環(huán)境模擬系統(tǒng)研究磁場(chǎng)重聯(lián)、波-粒相互作用等影響空間等離子體環(huán)境的關(guān)鍵物理過(guò)程，以及被列為航天十大難題之一的通信黑障問(wèn)題。”金成剛感嘆道：“等離子體裝置各設(shè)備之間的接口關(guān)系非常復(fù)雜，自建設(shè)以來(lái)僅接口技術(shù)協(xié)調(diào)會(huì)就開(kāi)了700多次，我們和中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所、航天科技集團(tuán)514研究所、合肥科燁電物理公司等外協(xié)單位一起攻克了瞬態(tài)大電磁力沖擊下的運(yùn)動(dòng)支撐、大電流分流與匯流等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，裝置將在明年試運(yùn)行，初步具備實(shí)驗(yàn)條件，裝置建成后將在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)三維地球磁層空間等離子體環(huán)境模擬。”

“由射頻屏蔽層、主動(dòng)屏蔽線圈組和七層電磁屏蔽層構(gòu)成的像俄羅斯套娃的結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)接近零磁的空間。”在空間零磁環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)樓，空間磁環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)負(fù)責(zé)人潘東華告訴記者，該實(shí)驗(yàn)室是要在地面模擬一個(gè)低磁、零磁的環(huán)境。“目前我們所在的環(huán)境是5萬(wàn)納特斯拉的地球磁場(chǎng)。未來(lái)我們要在實(shí)驗(yàn)室把靜態(tài)磁場(chǎng)抑制到0.1至0.2納特，重點(diǎn)關(guān)注低磁環(huán)境下，材料、器件、航天器的變化，以及長(zhǎng)期停留在空間站磁場(chǎng)對(duì)人體的影響。”

“高能射線在地面上感受不到，如果太空中高能射線打在航天器上，會(huì)影響航天器的性能。”加速器研究室主任劉劍利看上去就像是工地現(xiàn)場(chǎng)施工的工人，卻是學(xué)富五車(chē)的粒子物理學(xué)博士。他說(shuō)，加速器系統(tǒng)主要模擬宇宙空間不同種類(lèi)、不同能量的粒子和射線，為航天器材料、器件、生命體的研究、評(píng)價(jià)提供技術(shù)條件。目前與外協(xié)單位——中科院近代物理研究所在建的一套300MeV質(zhì)子重離子加速器，是全國(guó)唯一一個(gè)此類(lèi)航天器空間輻照研究專(zhuān)用的加速器，建成后，預(yù)計(jì)每年可提供4000小時(shí)的服務(wù)機(jī)時(shí)。

“國(guó)家需求就是我們科技攻關(guān)的方向”

2021年7月10日，“空間環(huán)境地面模擬裝置” 綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)綜合輻照模擬試驗(yàn)艙、月塵環(huán)境模擬試驗(yàn)艙熱真空測(cè)試工作圓滿完成，在地面實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)系真空、低溫兩大類(lèi)典型環(huán)境因素模擬。

“自2020年11月20日真空容器進(jìn)場(chǎng)以來(lái)，在江北施工現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)無(wú)休奮戰(zhàn)233日，克服了冬季施工、新冠疫情以及國(guó)際貿(mào)易摩擦等帶來(lái)的諸多困難與挑戰(zhàn)，與航天科技集團(tuán)511研究所、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等外協(xié)單位攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，完成了四大類(lèi)環(huán)境模擬設(shè)備集成安裝，為裝置國(guó)家驗(yàn)收提供有力支撐。”李麗芳說(shuō)：“青年人面臨科研方向選擇的時(shí)候，個(gè)人愛(ài)好能和國(guó)家需求聯(lián)系在一起會(huì)是非常幸運(yùn)的，國(guó)家需求就是科技攻關(guān)的方向。”

談起為之傾注整個(gè)“青蔥”歲月的“大科學(xué)工程”，今年39歲的潘東華感慨不已。他說(shuō)，是“大科學(xué)工程”幫助了自己成長(zhǎng)，擴(kuò)展知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在克服困難和挫折中不斷收獲信心。

2011年，潘東華還在讀博士，得知需要磁環(huán)境技術(shù)，他表現(xiàn)出了極大的興趣。

“這是一個(gè)大膽且不按常理出牌的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，也是當(dāng)時(shí)空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院在研發(fā)工作中面臨的最大難題，簡(jiǎn)直是天方夜譚。”說(shuō)起當(dāng)初的情景，潘東華至今仍然激動(dòng)不已。“從5萬(wàn)納特到0.1納特這樣的跨度，這個(gè)指標(biāo)非常難，但也是非常渴望的。”

如何實(shí)現(xiàn)0.1納特指標(biāo)？如何測(cè)試獲得近零磁環(huán)境下軟磁材料磁特性數(shù)據(jù)？如何解決屏蔽結(jié)構(gòu)中各類(lèi)跨尺度磁阻（相差高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)）的計(jì)算方法？磁對(duì)航天器或生命體又會(huì)產(chǎn)生什么影響?

“在這期間，我們通過(guò)自己的努力，成功建立了跨尺度磁路的多層屏蔽結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算方法，形成了集成主體隔振的新型主被動(dòng)耦合式磁屏蔽方案及設(shè)計(jì)方法，并在學(xué)校的支持下完成了樣機(jī)制造及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，也是最關(guān)鍵的一步。”潘東華說(shuō)，“面對(duì)這些問(wèn)題，我們青年人應(yīng)該出一份力，用自己所學(xué)盡最大努力攻克難題，承擔(dān)起‘回饋公眾，回饋社會(huì)，回饋國(guó)家’的責(zé)任。”

2011年12月，劉劍利博士剛回國(guó)，得知“空間環(huán)境地面模擬裝置”擬建設(shè)高能質(zhì)子加速器，他表現(xiàn)出了極大的興趣。“大型加速器裝置是我們研究領(lǐng)域需要的基礎(chǔ)平臺(tái)，由于其規(guī)模龐大、技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)的原因，一輩子能有機(jī)會(huì)參加一個(gè)這樣的項(xiàng)目就是一種幸運(yùn)！”他說(shuō)。帶著這樣的幸運(yùn)感，劉劍利博士投身到了“空間環(huán)境地面模擬裝置”的項(xiàng)目論證和建設(shè)中，從一個(gè)項(xiàng)目的新人變成了項(xiàng)目的老人。

說(shuō)起工作中的艱辛，他說(shuō)：“這個(gè)項(xiàng)目的重要性和發(fā)展?jié)摿κ且婚_(kāi)始就知道的，但項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中的困難確實(shí)是沒(méi)有預(yù)料到的。高能射線粒子本身雖然尺度非常小，但卻需要規(guī)模龐大的裝置才能獲得，為了獲得想要的束流，需要成百上千個(gè)設(shè)備共同工作才能實(shí)現(xiàn)，需要多個(gè)學(xué)科專(zhuān)業(yè)的大量工程技術(shù)研究人員配合工作。加速器裝置一旦開(kāi)機(jī)就24小時(shí)不停機(jī)運(yùn)行，要求工程技術(shù)人員對(duì)自己的設(shè)備就像自己的孩子一樣清楚和關(guān)心，才能保證裝置的高效運(yùn)行。為此，大家只能放棄節(jié)假日，從設(shè)備的設(shè)計(jì)，到加工、安裝、測(cè)試、調(diào)試每一個(gè)環(huán)節(jié)去不斷熟悉。”提起人才的迫切需求，劉劍利博士深有感觸地說(shuō)：“在我們這個(gè)項(xiàng)目上，為了引進(jìn)一位人才，省委組織部都出面為我們解決了人才家屬的工作問(wèn)題。”

在近五年的時(shí)間里，這支隊(duì)伍沒(méi)有雙休日，沒(méi)有節(jié)假日，技術(shù)廠房、測(cè)試大廳和總裝大廳在深夜仍然燈火通明，工作24小時(shí)緊鑼密鼓地進(jìn)行。他們沒(méi)有一天放松警惕，沒(méi)有一天放松標(biāo)準(zhǔn)。

“疫情期間，整個(gè)松北區(qū)只有我們一個(gè)工地在施工，上百?lài)嵵氐脑O(shè)備全部需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝，是個(gè)艱難的工程。”33歲的李云龍主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)大科學(xué)工程建設(shè)中的設(shè)備安全保障工作。設(shè)備進(jìn)場(chǎng)那天，哈爾濱暴雪，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在零下30多攝氏度的極寒天氣中，徒手搬運(yùn)設(shè)備三個(gè)小時(shí)。

“圖什么？曾經(jīng)有人問(wèn)過(guò)我同樣的問(wèn)題。我說(shuō)，我在做一件值得一輩子驕傲的事，以后我也可以跟我的孩子說(shuō)，這個(gè)世界上頂尖的科學(xué)工程是爸爸建的。我也能為國(guó)家的重大工程貢獻(xiàn)自己的一份力量。”面對(duì)記者的提問(wèn)，性格外向的李云龍濕了眼眶。

在地球上模擬太空環(huán)境的想法，起初，并不是所有專(zhuān)家都看好。選址、論證、立項(xiàng)、建設(shè)，哪一步都不易。

技術(shù)和工程上的巨大難度，沒(méi)有可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)，哈工大人秉承“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)”的“載人航天精神”，克服了各種難以想象的艱難險(xiǎn)阻。

7月1日那天，范立國(guó)臨時(shí)接到任務(wù)，他負(fù)責(zé)的冷卻水系統(tǒng)要配合綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)做熱真空測(cè)試。然而在模擬運(yùn)行當(dāng)中，他通過(guò)末端濾芯觀察到循環(huán)水中存在焊渣雜質(zhì)。“這種水質(zhì)下是不能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)的，焊渣會(huì)對(duì)精密設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響。”

范立國(guó)突然調(diào)高了音量和語(yǔ)調(diào)，對(duì)記者說(shuō)，“我一個(gè)人將大型精密過(guò)濾器拆開(kāi)，對(duì)其罐體及濾芯進(jìn)行清洗，每循環(huán)過(guò)濾兩個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次排水，就這樣，從7月2日早八點(diǎn)，我連續(xù)工作了整整36個(gè)小時(shí)，終于使水質(zhì)達(dá)到了使用要求。”他用手抹了把眼淚，接著說(shuō)：“那天經(jīng)歷是我這輩子上過(guò)的最難忘的黨課了。作為一名共產(chǎn)黨員就應(yīng)該沖在最前面，面對(duì)問(wèn)題，帶頭解決問(wèn)題。我將值班記錄及操作流程親自轉(zhuǎn)交給下一位值班同事后放心離開(kāi)了。”

助力龍江打造國(guó)際航天科研學(xué)術(shù)中心

“航天夢(mèng)是強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的重要組成部分。我們要全力建設(shè)好大科學(xué)工程，為‘航天大國(guó)’邁向‘航天強(qiáng)國(guó)’作出貢獻(xiàn)。”李立毅院長(zhǎng)表示，依托我國(guó)正在建設(shè)的“天宮”空間站和“空間環(huán)境地面模擬裝置”，努力打造空間在軌實(shí)驗(yàn)、地面模擬實(shí)驗(yàn)，以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬三位一體的天地一體化國(guó)家空間環(huán)境與物質(zhì)作用研究體系。

大科學(xué)工程是面向國(guó)內(nèi)外開(kāi)放共享的用戶設(shè)施，其科學(xué)價(jià)值需要大量的用戶群來(lái)成就。“國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家們，已經(jīng)迫不及待地要來(lái)開(kāi)展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)了。” 哈工大空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院副院長(zhǎng)鄂鵬興奮地向記者透露一組數(shù)據(jù)，目前已有國(guó)內(nèi)外110余家高校和科研院所與“大科學(xué)工程”簽署了用戶協(xié)議，并已開(kāi)展實(shí)驗(yàn)計(jì)劃討論與合作交流。另外，大科學(xué)工程建設(shè)的溢出效應(yīng)也非常明顯，一方面圍繞空間環(huán)境模擬的許多關(guān)鍵技術(shù)在建設(shè)需求牽引下得到了突破，累計(jì)已申請(qǐng)國(guó)際和國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利120余項(xiàng)，另一方面其作為空間科學(xué)研究大平臺(tái)的科學(xué)價(jià)值和效能逐漸加強(qiáng)，較好地支撐了哈工大近期在空間光電材料、航天器服役評(píng)價(jià)等方面的亮點(diǎn)研究工作。

李立毅院長(zhǎng)說(shuō)，大科學(xué)工程的建設(shè)對(duì)于哈工大、黑龍江省和中國(guó)的航天事業(yè)發(fā)展都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，意義重大。在建設(shè)過(guò)程中，大科學(xué)工程得到了省、市、區(qū)政府在建設(shè)用地、電力配套等方面的大力支持，并將其列為省百大項(xiàng)目，省、市、區(qū)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)多次到工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，協(xié)調(diào)解決建設(shè)過(guò)程中的實(shí)際困難。項(xiàng)目建成后，可優(yōu)化和平衡我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域布局，提升東北地區(qū)的基礎(chǔ)科技實(shí)力和影響力，使黑龍江成為國(guó)際航天科技和空間科學(xué)的學(xué)術(shù)中心之一。

他認(rèn)為，“上海光源”“天眼“等大科學(xué)工程建成后，都已成為當(dāng)?shù)氐貥?biāo)性工程，對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)和文化發(fā)展產(chǎn)生積極影響。大科學(xué)工程不僅可以提升龍江的國(guó)際知名度，帶動(dòng)科技交流，還可以集人氣、聚人才、凝人心，增強(qiáng)龍江人的自豪感、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

未來(lái)，哈工大將抓住新時(shí)期的發(fā)展機(jī)遇，努力提升育人水平與科研能力，并以國(guó)家大科學(xué)工程建設(shè)為契機(jī)，全面提升學(xué)校服務(wù)國(guó)家科技自立自強(qiáng)的能力。（記者 趙一諾 丁燕 文/攝）