科学圆桌会|空间力学专家：天舟十号带上天的这组试验，将解决三大“太空烦恼”

　　5月11日8时14分，天舟十号货运飞船载着近6.2吨补给物资，奔向中国空间站，其中有一套试验装置，将“挂”在空间站外完成几项关键试验，任务是：突破极端环境下材料抗磨损、防护与自修复技术的瓶颈。

　　这是我们团队20多年来在空间力学领域积累的各项成果，首次来到真实太空场景中进行“大考”。马上就到6月初，团队年轻人开玩笑地说感觉像“梦回高考”。其实当老师的我也很紧张，每天都在关注空间站传回的最新情况，完善各项方案。

　　这组试验装置将进行为期一年的在轨测试，其试验结果可能为航天器提供全新防护办法——不再让航天器“被动防御”，而是具备“主动再生”的防护能力。这将为我国未来月球、火星及其他深空探测任务提供核心技术支撑。

　　三大科学目标瞄准解决“太空烦恼”

　　这些关键试验要解决哪些“太空烦恼”？它们能给人类带来哪些新技术、新理念？

　　试验装置部分组件示意。（天津大学供图）

　　简而言之，这个在轨试验要实现3大科学目标：空间尘埃防护清除验证、空间材料抗磨损试验验证、空间材料自修复试验验证。也就是让航天器在太空实现“除尘”与“自愈”。

　　灰尘和破损，这些事在地球上很容易解决，但在极端、无人值守的太空环境中，一颗尘埃、一道划痕，就可能演变成致命威胁。

　　不知大家是否还记得，2018年那场席卷火星的全球性沙尘暴，让“机遇号”探测器的太阳能电池板蒙上了厚厚一层灰，无法充电，并永久失联。

　　更早时，阿波罗登月的宇航员发现，月球尘埃细如滑石粉却比玻璃还锋利，钻进仪器造成温度异常，飘进舱内让宇航员咳嗽不止、眼睛刺痛。至于舱外航天服，在多次任务后，手套和关节处总会出现明显的磨损，无法使用。

　　正因为这些真实发生过的“太空烦恼”，我们团队提出了这样3个解决办法：

　　试验一：给设备表面装上“电学窗帘”

　　在太空，航天员不可能天天出舱擦灰。那怎么除尘？我们用了一种叫“电帘除尘”的方法。

　　简单说，就是在太阳能电池板玻璃盖片这样的表面下，铺设一层透明的电极。当我们按特定方式施加电场时，电极上方会形成一道移动的电荷“台阶”。这个带电的“台阶”就像一把无形的扫帚，推着尘埃颗粒定向移动，最终从表面“跳离”。

　　我们的试验装置上装了一套高分辨率相机，会实时记录尘埃的运动，再通过图像分析，算出除尘效率——到底能扫掉多少灰。

　　防护清除原理件展示动图。（天津大学供图）

　　未来，一旦验证成功，无论是月球车的太阳能板，还是火星基地的玻璃穹顶，都可以涂上或贴上这样的“电帘膜”，需要除尘时，通上电就行，再也不必航天员亲自出舱“大扫除”。

　　试验二：把材料暴露在太空中“磨一磨”

　　第二项任务，是做真实的太空磨损测试。

　　我们把一些航天服面料、舱外设备材料样品，直接暴露在空间站外的极端环境中。那里有剧烈的温度交变、强紫外线和原子氧侵蚀。经过一年的“风吹日晒”和“细细研磨”，这些样品将由航天员取回舱内，随神舟飞船带回地面。

　　随后，我们会进一步做力学拉伸、光学反射等测试，并比对地面样品，精确回答：哪种材料更耐磨？在太空能“活”多久？

　　这正是为未来的月球基地、火星行走“选材”。航天服可能得连续工作数小时乃至几十个小时，材料寿命直接关系到航天员的安全。

　　试验三：刺破材料，然后看着它“愈合”

　　让材料自己修复破损，听起来像科幻，但我们在试验装置里真这么做了。

　　试验装置内有一个直线电机，可以在指令下用极细的探针刺穿试验件。刺破后，材料的破损区域在空间紫外辐射等环境因素刺激下，内部预埋的修复剂会迅速涌向破口，发生化学反应，把划痕“填平愈合”。在轨试验，成像系统会持续观察修复过程，记录修复速度和强度恢复程度。

　　太空材料自修复的过程动图。（天津大学供图）

　　这项技术一旦成熟，未来的航天服、密封舱壁甚至柔性太阳能翼，都可能在出现微小损伤后“自愈无声”，极大提升航天器的可靠性与使用寿命。

　　从“被动抵御”到“主动再生”，是我们想推动的一场防护理念变革。

　　过去，航天器防护靠的是“堆厚度”“换硬材料”，遇上灰尘和微小破损常无计可施。而现在，我们让材料表面“活”起来，能主动清除污物、抗磨损，还能自我愈合。

　　这三项试验获取的在轨数据，将直接服务于我国未来的月球科研站、火星采样返回乃至更远的小行星探测——让太阳能电池阵常年高效发电，让航天服自行修复微小划伤，让舱外设备寿命有望从几年延长到十几年。

　　更关键的是，这种“主动再生”的防护思想，未来在精密仪器、柔性电子、深海装备等领域也有广阔的应用潜力。

　　前期，项目研制团队已经为嫦娥三号、嫦娥五号、天问一号等重大工程，完成过相关配套研制和研究任务。未来一年，或许大家会看到这样一段来自中国空间站的画面：阳光下，一片布满电极的试验板上，模拟尘埃正整齐地滑向边缘；同时，一个小小的刺破点在太空辐射下，正静静地“长平”伤口。

　　这些微小的变化，正是人类安全走向深空的重要一步。我们仰望星空，更要让脚下的每一步都走得踏实、走得聪明。（作者系天津大学机械工程学院教授崔玉红）