兰州化物所成功开展多项中国空间站材料舱外暴露实验

本文转自：兰州晚报

■“强省会·兰州绝技”系列报道

兰州化物所成功开展多项中国空间站材料舱外暴露实验

部分样品已运回地面并移交该所研究

王德生研究员查看相关实验数据

蔡美荣研究员介绍相关实验

此次舱外暴露实验材料

2008年舱外实验装置及样品

3月14日，在地面科研人员的密切协同下，中国空间站材料舱外暴露实验装置及样品组合体由空间站机械臂成功转移至空间站气闸舱内。之后，共计407件舱外暴露材料由神舟十七号乘组航天员完成拆卸并存储。材料舱外暴露实验装置及样品中，有18台套动态摩擦学装置和134件静态润滑材料样品来自中国科学院兰州化学物理研究所，已在轨实验满一年。其中，71件舱外暴露实验装置及科学实验样品已随神舟十七号飞船返回舱于4月30日返回地面，并于5月13日移交中国科学院兰州化学物理研究所进一步开展研究工作。

这并不是兰州化物所润滑材料样品的首次舱外暴露实验。2008年9月27日，神舟七号航天员翟志刚完成了中国人的首次太空行走，耗时19分35秒的出舱活动中，翟志刚取回的飞船舱外搭载的固体润滑材料，就是中国科学院院士、兰州化物所学术委员会主任委员刘维民研究员带领的“神舟七号飞船应用系统固体润滑材料空间试验”科研团队完成的，舱外搭载43.6小时。中国工程院院士薛群基研究员当时表示，试验为特殊工况下固体润滑材料的作用机理研究和应用作出了重大贡献。

“2022年中国空间站的全面建成，为我们科研工作者在空间开展材料验证提供了机遇和保障。”兰州化物所材料润滑重点实验室蔡美荣研究员说，2021年，她与王德生研究员分别提出了在空间站开展凝胶复合润滑和固体润滑薄膜材料的科学实验项目。2022年11月12日，材料润滑重点实验室的这批固体润滑材料和新型超分子凝胶润滑材料随天舟五号上天。2023年3月8日，该材料舱外暴露实验装置出舱，到目前已在轨实验满一年。此次空间站舱外暴露实验是世界上首次液体润滑材料的空间飞行实验，将为我国在空间润滑领域抢占制高点占得一次先机。

“神舟七号上，我们中国科学院兰州化学物理研究所首次开展了固体润滑材料静态暴露实验，与2008年相比，这次不仅搭载了静态实验，还开展了动态摩擦学实验，包括球盘摩擦实验和首次轴承实验。”蔡美荣告诉记者，“在舱外，有我们18台套动态摩擦学装置，包括3台球盘摩擦装置和15套轴承实验机。”

“所谓静态暴露是指将润滑油、润滑脂之类的材料样品直接放在空间中接受辐照，之后和之前作对比，看表观、理化性能、结构、组成是否有变化，指导我们探究、分析它们在真实环境中的服役性能会发生什么样的变化。动态暴露是看球盘和轴承在舱外转动及摩擦状态下油脂性能变化，更直观、更真实地感受空间状态下，油脂的服役变化及规律。”兰州化物所专项任务处处长于强亮介绍，刘维民院士已牵头建成了国内首套模拟空间环境下摩擦试验原位分析装置，模拟空间环境，但地面模拟的剂量、辐照时间、温差和尘埃等情况毕竟与真实工况有差异，所以还必须做真实空间的暴露实验。

“我们的固体润滑材料比如固体润滑薄膜等已经在各种航天器上得到应用，这次有一类新型超分子凝胶润滑材料在空间站舱外材料平台开展性能验证。”2024年3月15日，蔡美荣、王德生等科研人员通过与航天员手持摄像机来确认样品，看材料表面状态是否发生变化。

为什么送这类材料上天？蔡美荣解释说，如何实现空间特殊环境下机械活动部件长寿命、高可靠性润滑是当前空间润滑研究的焦点。液体润滑材料在空间环境下，有挥发或迁移、爬移的风险，固体润滑薄膜寿命有限。凝胶润滑材料通过液体润滑剂内部自发的有序组装，将润滑油束缚于摩擦对副，避免了润滑剂爬移、迁移，具有“自约束”的性能。“我们把凝胶润滑材料和现役固体润滑薄膜复合在一起使用，可大大提高润滑材料的使用寿命。”于强亮说，把液体润滑材料做成半固态的凝胶，摩擦过程中在摩擦热或者摩擦力的作用下其从凝胶态转变为溶胶态，所产生的热量也会被凝胶吸收，“这样既可以约束油脂不爬移、不迁移，又可以降低其温度，从而提升其使用寿命。”此外，与固体润滑薄膜复合之后，固液两类润滑材料的特性都能发挥到最佳状态，摩擦也会随之降低。“这种材料是蔡美荣研究员所在的周峰老师团队首创的，在实验室的一系列研究中，发现有非常好的自约束和润滑抗磨特性。”

于强亮表示，这类材料在地面模拟空间环境试验中表现良好，能满足航天使用要求，这次空间站暴露实验是验证它在真实空间环境下的可靠性。记者同时了解到，空间站舱外开展的动态摩擦学实验皆为加速实验。“也就是说，润滑材料或者润滑部件在空间须运行多年，我们要在短暂的一年时间内完成相关的性能考核目标。”王德生说，2008年开展的我国首次飞船舱外暴露实验主要开展了不同种类固体润滑材料的真实空间环境效应的探索性研究，获取了宝贵的实验数据，也是后续工作重要的研究基础。在固体润滑材料这个领域，兰州化物所一直在做新型润滑材料的研发，本次空间实验也是针对研制的润滑薄膜材料进行了较长周期的材料暴露和摩擦学实验，对探究空间环境条件下润滑材料的结构、性能的变化规律具有重要意义，也可为新型空间长寿命润滑材料的研发提供科学依据。

兰州化物所长期从事特殊环境与苛刻工况下材料和技术的研究工作，聚焦国家航天航空等高端装备领域对润滑的需求和国际学科前沿，解决了相关技术难题，为我国航天事业高质量发展作出了重要贡献。据统计，目前我国航天器固体润滑材料大约70%由兰州化物所提供。润滑材料重点实验室是中国摩擦学研究的重要力量，长期以来在国内外享有盛誉，引领着润滑材料发展，为国家经济建设、科技事业发展，特别是我国战略高技术发展作出了重大贡献，已有着60多年的历史。该实验室即将重组为全国重点实验室，它将聚焦国家航天航空重大需求，以实验室为核心，整合、统筹力量，构建全链条润滑材料创新研究体系，打造国际领先的润滑创新研究基地和创新人才汇聚高地，努力成为国家润滑材料科学与技术研究的战略科技力量。

（本文系由市科技局支持、《兰州晚报》开设的“创新领航”专栏第66期）

兰州日报社全媒体记者 何燕 实习生 刘弘婧 文/图