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承担重大科研任务、用好大科学装置,中国科学院合肥物质科学研究院

时间:2022-01-17 11:38:23 | 作者:爱科技网 | 点击: 120 次

习近平总书记指出,要强化国家战略科技力量,提升国家创新体系整体效能。国家实验室、国家科研机构、高水平研究型大学、科技领军企业都是国家战略科技力量的重要组成。各个主体互为补充又各有侧重,从按照“四个面向”的要求,到以国家战略需求为导向,从成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军,到整合集聚创新资源,共同构成国家创新能力体系,为实现高水平科技自立自强贡献力量。文化版今起推出“科技自立自强·强化国家战略科技力量”系列报道,聚焦不同科研机构、大学、企业、新型研发机构的科技成果和创新故事,感受我国科研创新的强劲动能。

——编 者

距离地球3.2亿公里的遥远星球上,在约9分钟的时间里,从约2万公里/小时减速至0,在陨石、沙尘暴等恶劣环境威胁下自主完成一系列复杂降落动作,在着陆缓冲机构的保护下抵达星球表面。

这是探测器着陆火星所需要经历的过程。通信信号由火星传到地球至少要十几分钟,无法实时监控,因此,这段异常复杂危险的着陆过程,也被称为“恐怖9分钟”。

迄今为止,人类已经发射了50多个火星探测器,但只有18次成功登陆。2021年5月,我国火星探测器天问一号成功着陆在火星表面。

得知消息,在中国科学院合肥物质科学研究院(以下简称中科院合肥研究院),有一群人兴奋之余,颇觉宽慰。为保障天问一号安全软着陆,他们设计了基于高吸能合金的缓冲元件,利用其高塑性和高吸能性吸收着陆时的冲击能。这也是在“嫦娥钢”的基础上,通过特殊的组织调控技术形成的、具有极高吸能性的新材料,可以说是“嫦娥钢”的“进化型”。

一块“嫦娥钢”,牵动探月、探火工程

“这就是由‘嫦娥钢’制成的两种缓冲元件,分别是拉杆和限力杆。两种缓冲元件被分别安装在探测器的‘辅助腿’以及探测器与‘腿部’的连接处。”在中科院合肥研究院固体所,助理研究员赵莫迪指着两个元件说:“‘嫦娥钢’外表看上去与普通钢材并无二致,但它不仅可以很硬,还能像橡皮筋一样被拉得很长,‘既硬又软’。在天问一号着陆过程中,它们通过自身拉长变形和弯曲变形来吸收能量,‘牺牲自己’以保护探测器顺利着陆。”

恐怕很多人都不会想到,探索月球和火星如此伟大的工程,会与一种材料的研发息息相关。

时间退回到2006年,探月工程二期已经进入紧张的工程实施阶段,而实现嫦娥三号在月面安全软着陆是探月工程二期的最终目标。如何实现?急需一种新型缓冲吸能拉杆材料,要求强度适中、塑性突出、单位质量吸能优异、环境适应性良好。

材料研发关系到设计方案的成败。常规超塑性合金需要高温才能展现其超塑性,无法在航天器上应用;单晶材料塑性优异,但强度不足;复合材料强韧性可调,但塑性不能满足所涉及要求……怎么办?最终,中科院合肥研究院固体所研究员韩福生率先研究出了完全满足设计要求的新型高吸能合金。

“综合分析下来,设计部门提出的新型缓冲材料具有极大挑战性,没有固有经验可循,只能另辟蹊径,从基础研究源头出发,探寻创新的路径。”回想起当时的情况,韩福生依然历历在目。

时间紧,任务重,再多困难也要克服。从合金成分设计、晶体组织调控、精密熔炼以及加工成型技术等研制环节入手,历时6年,韩福生研究团队终于拿出了材料工艺和产品研制的系统解决方案。

不过,“万里长征”才迈出了第一步。在进行着陆缓冲机构地面冲击试验时,提交的近2000件试验件中有两件拉杆出现异常断裂。从科学研究角度来讲,成功率已非常之高,然而对于航天任务,这样的产品合格率远远达不到要求。

韩福生铆足劲头,从不合格产品的失效分析入手,探寻问题症结;实际模拟相关实验场景,重复熔炼过程,以复现问题,再有针对性地采取有效措施,大幅度提高了产品性能的稳定性,为嫦娥三号、嫦娥四号圆满登月,为天问一号圆满登陆火星做出了重要贡献,真正实现了中国深空探测器着陆缓冲系统的完全自主化。

近年来,韩福生团队已经研发出不同特性的系列“嫦娥钢”,并实现了30吨级合金批量冶炼生产;基于“嫦娥钢”的新型水路桥梁防撞阻尼结构、直升机抗坠毁起落架、铁路减震器等结构实现了推广应用,为航天技术服务国民经济主战场做出了贡献。

屡创新纪录,“人造太阳”装置持续“燃烧”

2021年12月,被誉为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)再创世界纪录——实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行。