申長雨：塑料航天面窗——像保護“眼睛”一樣保護著航天員
2016-11-02 來源：中國科學報
申長雨工作照
我國自行研制的飛天航天服
項目團隊介紹
國家“973”計劃“高聚物成型模擬及模具設計制造中的關鍵問題研究”項目是由申長雨院士作為首席科學家，聯合國內11家單位共同承擔，以國家戰略領域和國家支柱產業高聚物制品成型和模具設計制造為背景，致力于解決高聚物結構制品的“成型”“成性”“服役性”和“工藝控制及模具優化”等關鍵問題，為我國由制造大國向制造強國轉變提供理論和技術支撐。
10月17日早晨7點30分，搭載神舟十一號載人飛船的長征二號F運載火箭，在酒泉衛星發射中心點火發射，約575 秒后，神舟十一號載人飛船與火箭成功分離，進入預定軌道，順利將景海鵬、陳冬兩名航天員送入太空，飛行乘組狀態良好，發射取得圓滿成功。
兩天后，載人飛船承載兩名航天員與天宮二號順利進行對接，并開始開展多項空間科學實驗與空間應用，特別是空間站運行軌道的交會對接技術。航天員進入天宮二號空間實驗室后將進行中期駐留試驗，考核組合體對航天員生活、工作和健康的保障能力，以及航天員執行飛行任務的能力，這將為我國載人航天工程戰略的第三步空間站建設邁出扎實的一步。
為了探索宇宙奧秘，航天員必須穿著選用特殊材料、特殊工藝、特殊技術加工的航天服進行太空飛行，甚至出艙活動。在航天服上，頭盔上的航天面窗是重要的部件之一，它不僅直接影響著航天員對外太空的觀察，同時也時刻關系著航天員的生命安全！
制造航天面窗條件極其苛刻
2008年9月27日，航天員翟志剛身著我國自行研制的“飛天”宇航服在太空中留下了中國宇航員的身影，這也讓中國成為第三個掌握太空出艙技術的國家。當翟志剛透過頭盔上的航天面窗看到太空，向太空伸出雙臂，作為航天面窗的研制者，我們感到了無上的驕傲和自豪！
航天服一般由壓力艙、頭盔、手套和靴子組成，分艙內服和艙外服兩類。頭盔面窗組件是宇航員在外太空活動時觀察外界的窗口，可以說是宇航員的“眼睛”，它不僅要給宇航員提供一個清晰、良好的視野，也是航天員生命保障最關鍵的部件之一。
當然，航天面窗不同于我們平時騎摩托車時戴的頭盔上的面窗，因為，太空中有太苛刻的溫差條件，還有數不清的不可預料的危險，這些都對航天面窗的材料和設計提出了異常苛刻的要求。
首先，航天面窗要能承受太空極端的溫度環境。由于太空中沒有空氣傳熱和散熱，航天面窗受陽光直接照射的一面，可產生高達100℃以上的高溫。而背陰的另一面，溫度則可低至零下100℃以下。所以，航天面窗首要的就是要能夠承受極端的熱脹冷縮作用。
其次，航天面窗必須是零缺陷。由于太空中是零大氣壓，任何缺陷都會使航天員暴露在太空中，并將面臨失壓、缺氧、低溫和輻射損傷4大危險。如果人直接暴露于太空，缺氧將會把人迅速窒息而死。同時，沒有了大氣壓，人也會因內臟、器官的脹裂而立刻喪命。并且，在太空零下269℃的超低溫環境，人也會立刻凍死。
實驗表明，如果宇航服快速減壓，那么宇航員將在15秒后死亡——這正是身體用光體內所有氧氣的時間。
再其次，航天面窗要能阻隔太空輻射。因為沒有了地球磁場和大氣層的保護，宇航員會受到外太空更強烈的輻射傷害。
最后，太空中還存在著數不清的空間碎片。由于航天員在飛船或者空間站外活動時，隨時都可能遇到來自太空具有足夠高動能的空間碎片沖擊，因此，航天面窗在遇到這些碎片的時候，必須能夠抵御具有這些毫無防備的高動能空間碎片的沖擊。
制造航天面窗是個不簡單的技術活
既然制造航天面窗的條件這么苛刻，那么，透明的航天面窗又是什么材料做成的呢？
其實我們對它并不陌生，它是一種工程塑料，一種與我們戴的眼鏡、汽車車燈燈罩一樣的樹脂——聚碳酸酯或聚碳酸酯的共聚混合物。
聚碳酸酯是一種線型碳酸聚酯，分子中碳酸基團與另一些基團交替排列，屬于分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物。聚碳酸酯是幾乎無色的玻璃態的無定形聚合物，但是它的強度和光學性能是無與倫比的。
然而，由于聚碳酸酯的分子量大、分子鏈剛硬、黏度大、流動性能差，因此要用它來造成成型性能差，制品內應力大，環境應力影響大，易變形和開裂，這些都給頭盔上航天面窗的成型加工帶來較大的難度。
“明知山有虎，偏向虎山行。”雖然聚碳酸酯的脾氣如此不好，但我們還是得將航天面窗成型。多種實驗研究后，研究團隊決定采用一種最通用的工程塑料成型方式——注塑成型。
在成型過程中，非牛頓的塑料熔體在壓力的驅動下通過流道、澆口向較低溫度的模具型腔充填。這個過程中，熔體一方面由于模具傳熱而快速冷卻，另一方面因高速剪切產生熱量。同時，伴隨有熔體固化、體積收縮、取向和可能的結晶等復雜的物理變化，甚至伴有大分子和由小分子到大分子的化學變化。
有了這個過程，工程塑料制品具備了優良的物理、力學性質和特定工作環境下的優越服役性能。而這個性能則來源于材料的組份與不同層次的結構，包括微納米結構，不同層次的結構形成和演化又依賴于模具設計制造和工藝條件。可以說，成型過程不僅使材料獲得一定的形狀、尺寸，而且也賦予材料最終的結構與性能。
圍繞這個課題，從2007年始，鄭州大學國家橡塑模具工程研究中心科研團隊，開始了宇航服頭盔航天面窗的研發工作。
在無任何經驗借鑒情況下，該團隊結合面窗的使用環境和使用功能，最后采用光學級聚碳酸酯作為樹脂，結合數值模擬技術，設計加工精密模具，采用注塑成型方法，研制出宇航服頭盔面窗制品，并通過對最外層面窗進行納米金涂層以阻隔太空的紫外線。
目前，航天面窗已成功應用到神舟七號飛船宇航員出艙服、神舟九號宇航員艙內服上。研制團隊作為全國20個獲獎集體之一，也榮獲“中國載人航天工程突出貢獻”獎勵。
直面壓力繼續服務好航天事業
2008年，提神七發射成功后，國人一直都感到無比的驕傲。然而，美國NASA卻在2010年專門提出了一個關于中國航天服的報告。這個報告特別指出，中國的艙外活動只持續了18分鐘，并沒有經歷長期的考驗。而這，成為了我們新一代航天面窗的研制工作的起點。
2012年，鄭州大學聯合中國科學技術大學、上海交通大學、四川大學、華南理工大學、華中科技大學、西北工業大學、中國科學院數學與系統科學研究院、大連理工大學、中南大學、機械科學研究總院等，承擔了國家“973”計劃項目“高聚物成型模擬及模具設計制造中的關鍵問題研究”。
項目以新一代航天面窗研制為背景，圍繞復雜多場作用下高聚物材料不同層次形態結構的演變規律、成型過程中高聚物復雜流體的跨尺度計算理論、成型后高聚物制品性能和服役行為的跨尺度分析、成型工藝控制和模具設計的多目標優化理論和方法等關鍵科學問題開展研究。
這個項目首先要解決航天面窗的壽命和老化問題，以及如何從材料—成型工藝—產品后處理改變大分子結構等各種手段來實現老化性能提高。其次解決材料—成型工藝—模具設計—光學性能之間的關系，闡明影響透明塑料件光學性能的分子動力學原因以及成型引起的分子取向與光學行為（所引起的光畸變）等，最后是解決極端環境下產品的強度分析問題等。
經過4年的研究，項目組取得了一系列成果，并成功應用到我國新一代航天面窗的研制中。
為了提高航天面窗的抗老化性能，項目組研究了聚碳酸酯熱穩定性，提出隨機斷鏈/末端斷鏈反應動力學模型來描述降解動力學過程。同時利用高能伽馬射線輻照制備出不同拓撲結構的長鏈支化聚碳酸酯，隨著長鏈支化結構的引入，以及長鏈支化過程中形成的化學支化點及分子鏈纏結作用有效改善了聚碳酸酯的耐環境應力開裂性能。
針對聚碳酸酯的紫外線輻射老化問題，我們建立了聚碳酸酯/納米二氧化鈦復合材料，采用金紅石型納米二氧化鈦可以吸收和散射紫外線，同時為了降低金紅石對聚碳酸酯的催化降解作用，最大限度提高聚合物的耐紫外老化性能，選用二氧化硅對納米二氧化鈦進行包覆，有效提高了聚碳酸酯的耐紫外老化性能并屏蔽紫外線。
為了控制和調控航天面窗的光學性能，項目組通過對聚碳酸酯制品的2D-SAXS信號分析，將制品中分子鏈的取向程度與光學畸變進行關聯，得到了注射條件與制品光學畸變的內在關聯，揭示了注射速率、熔體流動方向以及樣品內部層次與制品光學畸變之間的關系。
同時，項目組利用注塑成型模擬理論得到成型過程的溫度場、壓力場的動態分布以及制品應力場的分布，利用介質折射率與克分子極化強度之間關系的洛倫茲-洛倫茨光學理論，建立起制品密度場和折射率場之間的關系，再利用電磁理論中的菲涅爾公式，計算得到反射光強度和折射光強度，最后計算得到制品的透光度場。這些工作為優化成型工藝，調控產品內部結構，進而控制產品光學性能奠定了理論基礎。
為了實現航天面窗的成型—結構一體化分析，項目組建立了三維的統一的氣—液兩相模型和運動界面追蹤的水平集方法，利用光滑粒子流體動力學方法，在拉格朗日框架下模擬了航天面窗充模過程的三維流動行為。并通過聚碳酸酯材料不同應變率和溫度下的單軸拉伸和壓縮試驗，建立了聚碳酸酯的拉伸—壓縮統一本構模型。本構模型能有效的描述聚碳酸酯的應變率相關效應、溫度相關效應、軟化、硬化、拉伸壓縮性能不對稱等復雜力學性能特征，為合理預測航天面窗的服役行為奠定了重要基礎。
隨著我國載人航天工程戰略的第三步空間站建設的臨近，希望利用工程塑料制造的新一代航天面窗不僅給航天員提供了觀察太空世界的眼睛，更要像保護眼睛一樣保護著我們航天員的生命。
（作者：申長雨，系中國科學院院士，國家知識產權局局長）
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