當中國載人航天工程空間應用系統副總設計師劉國寧把一根根白色的長管交給科學家們時，仿佛在傳遞神圣的火種。這些看上去像發烏的燈管一樣的長管子，平平無奇，卻裝著“天宮丹房首席煉丹師太上老君”都自嘆不如的寶貝——中國空間站高溫材料實驗柜首批送回地球的實驗樣品……6月21日，在中科院上海硅酸鹽所舉辦的交接儀式上，經過兩百多天太空飛行、6月4日隨神州十五號飛船返回艙回到地球的高溫材料，又回到了科學家們手中。他們迫不及待地要到實驗室里破譯這些樣品帶回來的太空“密碼”。

在中國空間站在軌運行的14個科學實驗柜里，空間材料科學領域有兩個實驗裝置，被稱為“天宮丹房”的高溫材料實驗柜和無容器實驗柜。航天員送入實驗柜的金屬、半導體等材料樣品，失重之下“感受”1200—3000度的“炙烤”，由此產生與在地面“燒制”截然不同的特性——純度更高、缺陷更少。人類或許無法到太空中批量“冶煉”，但通過天地對比，能找到材料制備的優化方案，提升材料性能。

高溫材料實驗柜是怎么研制出來的？太空“冶煉”有多難？研發團隊向大江東工作室講述10年制作“太空火爐”的故事。

【資料圖】

劉學超展示從空間站返回的首批高溫材料實驗樣品。黃曉慧攝

隨神舟十五號載人飛船返回的高溫實驗樣品返回袋

隨神舟十五號載人飛船返回的高溫材料樣品盒

不懼挑戰，人類首次在載人空間站里做X光實驗

劉學超2019年接過載人空間站高溫材料實驗系統項目研制大旗時，已是這個項目第三任負責人。從讀研開始，他就和半導體材料碳化硅單晶打交道，琢磨的是如何突破半導體材料“卡脖子”，卻從未想過涉足航天事業。“我可能是無知無畏才接下這個重擔，但接了就不打退堂鼓。”劉學超笑著回憶剛上任時面臨的焦灼與困難，有種千帆過盡的快感。

當時正值項目立項后第五個年頭，處在最吃緊的關頭，還有十幾個關鍵技術難題懸而未決，最頭疼的是困擾多時的高溫爐核心部件陶瓷發熱體開裂問題。送上天的高溫爐非比尋常，構件都得格外抗震，他們把金屬絲繞在陶瓷上，再加上金屬保護套，確保陶瓷件不會震碎，卻帶來了新的問題：加熱過程中，金屬和陶瓷的熱膨脹不一致，金屬絲太松了，陶瓷會被震碎，太緊了則陶瓷被擠碎。“又裂了！”在兩年的反復試驗中，劉學超最怕聽到這句話，甚至晚上睡覺都會夢見陶瓷開裂。

每次開裂都意味著，陶瓷件要重新改尺寸、重新開模、燒制、裝配、再做試驗。劉學超說，好在做材料的人都極其“耐磨”，尺寸一分一毫地改，實驗一遍遍地推倒重來，團隊最終用兩年時間磕下這一難題。

“太空一分鐘，地下十年功”。不怕磨的劉學超喜歡挑戰，天性樂觀的他自詡心很大，失敗了也不會往心里去。“我更傾向于暴露困難和問題，有問題早點暴露，小問題、小困難不解決，累積到后面，兜不住了，就成了大問題、大困難”。

“總說航天工程是大兵團作戰的系統工程，體現在具體項目上，就是大團隊作戰協力攻關，不管哪里出了問題，都是大家一起想辦法解決，不會是一個人在戰斗。”課題組副組長張明輝說。

跨過了陶瓷發熱體這道關鍵的坎，團隊要挑戰實現人類首次在載人空間站里做X光實驗。因為擔心輻射，還沒有人在載人空間站里做這類實驗。材料制備過程肉眼不可見，X光透射成像卻能實時“看清”這一過程。“我們很多關鍵材料比如集成電路大硅片被‘卡脖子’，就是因為沒有完全搞清楚材料晶體生長的機理，假如空間站X射線實驗能成功，或許能幫助我們找到研制晶體的新途徑。”

然而，空間站嚴格限定單個實驗柜的重量不能超過500公斤，柜體設計既要加足防護層、滿足防輻射要求，又要考慮重量和空間的限制。研發團隊絞盡腦汁，通過模擬仿真，精準區分能量高的直射區、能量低的反射區，直射區“增肥”、反射區“瘦身”，讓柜體隔板凹凸不平，以此減輕重量。經過5輪減重，最終將X射線模塊從90多公斤“瘦身”至70多公斤，整個實驗柜體減至485公斤。

最好的半導體晶體就像第一方陣踢正步的士兵，整齊劃一、均勻無暇，科學家發現，在太空中生長的半導體晶體大多在第一方陣，缺陷度比在地上低100倍，為此，科學家們爭相想讓自己研究的半導體材料上天。可是空間站資源稀缺珍貴，什么樣的材料能優先入選“天宮丹房”呢？

上海電機學院教授金敏在一次實驗中偶然發現半導體材料硒化銦能像石墨烯一樣反復折疊，有用作柔性電子材料與器件的廣闊前景。2020年，這一重要發現發表后，劉學超主動聯系金敏，邀請他把硒化銦送上天。此時，準備送上天做高溫實驗的材料都已完成立項，上海硅酸鹽所就自討腰包“為硒化銦立項”，“插隊”進入候選實驗項目。金敏說，高溫材料實驗柜團隊里的科研人員也是做材料研究的，手頭都有正在研究的材料，他們卻能無私地為全體材料科學家服務，把最有科研價值和發展潛能的半導體材料、高溫合金材料送上天。

空間站高溫材料實驗柜

事非經過不知難，讀懂載人航天精神的“四個特別”

項目研發攻關只是萬里長征的一段征程，后續還有組裝測試、與整個空間站實驗艙的聯調聯試、在軌運行的科學實驗觀測等“通關”大考驗。臨近交付的2022年春節，劉學超領著整個團隊在北京的中科院空間應用工程與技術中心度過。“和實驗艙內的8個系統一起調試，過程很波折，出了好幾次狀況。”有一次，現場測試發現，一根頭發絲粗細的導線搭錯了，導致實驗柜的開關一直處于“關不上”，于是整個團隊就在除夕晚上通宵達旦糾錯。2022年3月，聯調成功后，團隊回到上海短暫休整，卻趕上新一波疫情，為了確保項目進度，他們吃住在實驗室，做地面匹配實驗，“天上做實驗，在地面上還要做大量匹配實驗，才好做天地對比”。

2022年10月31日，高溫材料實驗柜隨“夢天艙”成功上天，團隊又開始新一輪的“鏖戰”。高溫材料實驗中，升溫、降溫要經歷幾十個小時甚至上百個小時，一旦開始就不能停下來，團隊成員輪流到北京航天飛行控制中心熬夜值班，地空“連接”，實時監測、觀察晶體生長速度。“只要實驗柜在軌運行一天，我們的工作就一刻不能停止”。

張明輝是團隊里年頭最長的成員之一。2014年立項之初，他恰好從上海硅酸鹽所博士畢業，就被時任空間材料實驗技術課題組負責人、導師劉巖研究員“拉進”組。“我們這個課題組有著光榮的傳統，從上世紀90年代開始，我國屢次發射載有空間材料實驗裝置的航天器，實驗裝置都是我們組做的，傳承了好幾代人。”提及課題組的歷史，張明輝一臉自豪。

當然，他也坦言，此番研制空間材料實驗裝置的難度超過以往任何一次，“以前一個裝置25公斤，手抱著去做試驗，如今近500公斤的大裝置，要輾轉各地做各式各樣的測試試驗，我們是站在前人的肩膀上前行，不眠不休也要做好。”張明輝說，一開始接觸，聽到“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的航天精神，覺得“科研是高大上的事情，應該用一些優雅的詞匯，航天精神卻說得如此直白、接地氣。”經歷這10年，他深切地體會到“四個特別”的航天精神總結得如此到位。

中科院上海硅酸鹽所空間材料實驗裝置課題組部分成員

團隊成員在實驗室調試設備

16人的團隊里大多是與張明輝年紀相仿的80后，當初和他一起進組的人，大部分都堅持下來了，支撐他們走下去的是超乎尋常的責任心。每次項目進展不順、壓力很大時，團隊成員們就相互鼓勵打氣，一起想辦法。“實驗裝置做好了，才能實現科學家們太空科研的設想，所有的中途放棄都是前功盡棄，國家投入這么大，這么多科研人員前仆后繼，一旦出問題了會造成很大損失，我們既然選擇了航天，就要做好、堅持到底”。

2021年，高溫材料實驗柜在蘭州做關鍵的力學振動實驗，實驗結果將決定實驗柜能否如期交付，張明輝形容決戰時刻的心情好比高考前夜，實驗前的一晚，他幾乎無眠。好在張明輝他們準備充分，加之該領域里幾乎所有的權威專家現場指導，關鍵實驗一把過了。嚴謹內斂的張明輝如釋重負，難得露出燦爛笑容。

劉學超原先所在的碳化硅半導體材料研究課題組，成果成功轉化了，課題組成員紛紛離開，轉入創業公司，只有他因為空間站高溫材料裝置任務留下來了。雖然因此放棄了一大筆收入，但他并不后悔：“將實驗柜送上天、交接返回地球的實驗樣品，意味著新的開始，我們在軌實驗策劃時間是10年，甚至15年，支撐浩大的空間實驗探索，我們還會堅持做下去。”

別人出差按天算，空間材料實驗裝置課題組則按月計。忙碌的科研工作、常年奔波在實驗室和發射場間，讓劉學超無暇顧及家庭，兒子有時會問他：“我上幼兒園時，爸爸你偶爾還會來接我放學，怎么我上小學后，再也看不到你來了？”有一年冬天，碰巧劉學超在上海，難得送兒子上學，他本想開車送，卻被兒子攔住了：“走著去吧，路上聊聊天，這樣你就可以多陪我一會兒。”劉學超感慨，兒子年齡雖小，但特別能理解他的工作，還把自己小鬧鐘送給劉學超，提醒他準時準點記好試驗數據。

前段時間，劉學超應邀到兒子所在的長寧區愚園路第一小學，給孩子們上了一堂“走進中國空間站”的科普課。每次去發射場，他都會攢下幾枚“發射任務勛章”的紀念品，他帶到課堂上，獎勵那些踴躍提問的孩子。當孩子們問他“人類為什么要建空間站”，劉學超回答：“我們像搭積木一樣一點點建起了空間站，那是我們在太空中第一個家，從那里我們可以去更遠的地方探索，走出地球、走出太陽系。”

（本文圖片除署名外由中科院上海硅酸鹽所和受訪者提供）

（來源： 人民日報中央廚房-大江東工作室）