塑料航天面窗項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)介紹
國家“973”計(jì)劃“高聚物成型模擬及模具設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵問題研究”項(xiàng)目是由申長雨院士作為首席科學(xué)家，聯(lián)合國內(nèi)11家單位共同承擔(dān)，以國家戰(zhàn)略領(lǐng)域和國家支柱產(chǎn)業(yè)高聚物制品成型和模具設(shè)計(jì)制造為背景，致力于解決高聚物結(jié)構(gòu)制品的“成型”“成性”“服役性”和“工藝控制及模具優(yōu)化”等關(guān)鍵問題，為我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變提供理論和技術(shù)支撐。
10月17日早晨7點(diǎn)30分，搭載神舟十一號(hào)載人飛船的長征二號(hào)F運(yùn)載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射，約575秒后，神舟十一號(hào)載人飛船與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)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(tài)良好，發(fā)射取得圓滿成功。
我國自行研制的飛天航天服
兩天后，載人飛船承載兩名航天員與天宮二號(hào)順利進(jìn)行對(duì)接，并開始開展多項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與空間應(yīng)用，特別是空間站運(yùn)行軌道的交會(huì)對(duì)接技術(shù)。航天員進(jìn)入天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室后將進(jìn)行中期駐留試驗(yàn)，考核組合體對(duì)航天員生活、工作和健康的保障能力，以及航天員執(zhí)行飛行任務(wù)的能力，這將為我國載人航天工程戰(zhàn)略的第三步空間站建設(shè)邁出扎實(shí)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(shù)加工的航天服進(jìn)行太空飛行，甚至出艙活動(dòng)。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(duì)外太空的觀察，同時(shí)也時(shí)刻關(guān)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(gè)掌握太空出艙技術(shù)的國家。當(dāng)?shù)灾緞偼高^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(nèi)服和艙外服兩類。頭盔面窗組件是宇航員在外太空活動(dòng)時(shí)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(gè)清晰、良好的視野，也是航天員生命保障最關(guān)鍵的部件之一。
當(dāng)然，航天面窗不同于我們平時(shí)騎摩托車時(shí)戴的頭盔上的面窗，因?yàn)?，太空中有太苛刻的溫差條件，還有數(shù)不清的不可預(yù)料的危險(xiǎn)，這些都對(duì)航天面窗的材料和設(shè)計(jì)提出了異?？量痰囊?。
首先，航天面窗要能承受太空極端的溫度環(huán)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(chǎn)生高達(dá)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(huì)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(xiǎn)。如果人直接暴露于太空，缺氧將會(huì)把人迅速窒息而死。同時(shí)，沒有了大氣壓，人也會(huì)因內(nèi)臟、器官的脹裂而立刻喪命。并且，在太空零下269℃的超低溫環(huán)境，人也會(huì)立刻凍死。
實(shí)驗(yàn)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(nèi)所有氧氣的時(shí)間。
再其次，航天面窗要能阻隔太空輻射。因?yàn)闆]有了地球磁場(chǎng)和大氣層的保護(hù)，宇航員會(huì)受到外太空更強(qiáng)烈的輻射傷害。
最后，太空中還存在著數(shù)不清的空間碎片。由于航天員在飛船或者空間站外活動(dòng)時(shí)，隨時(shí)都可能遇到來自太空具有足夠高動(dòng)能的空間碎片沖擊，因此，航天面窗在遇到這些碎片的時(shí)候，必須能夠抵御具有這些毫無防備的高動(dòng)能空間碎片的沖擊。
制造航天面窗是個(gè)不簡(jiǎn)單的技術(shù)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(shí)我們對(duì)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(tuán)與另一些基團(tuán)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(tài)的無定形聚合物，但是它的強(qiáng)度和光學(xué)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(dòng)性能差，因此要用它來造成成型性能差，制品內(nèi)應(yīng)力大，環(huán)境應(yīng)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?！彪m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(shí)驗(yàn)研究后，我們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(qū)動(dòng)下通過流道、澆口向較低溫度的模具型腔充填。這個(gè)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(chǎn)生熱量。同時(shí)，伴隨有熔體固化、體積收縮、取向和可能的結(jié)晶等復(fù)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(xué)變化。
有了這個(gè)過程，工程塑料制品具備了優(yōu)良的物理、力學(xué)性質(zhì)和特定工作環(huán)境下的優(yōu)越服役性能。而這個(gè)性能則來源于材料的組份與不同層次的結(jié)構(gòu)，包括微納米結(jié)構(gòu)，不同層次的結(jié)構(gòu)形成和演化又依賴于模具設(shè)計(jì)制造和工藝條件?？梢哉f，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(jié)構(gòu)與性能。
圍繞這個(gè)課題，從2007年始，鄭州大學(xué)國家橡塑模具工程研究中心科研團(tuán)隊(duì)，開始了宇航服頭盔航天面窗的研發(fā)工作。
在無任何經(jīng)驗(yàn)借鑒情況下，我們團(tuán)隊(duì)結(jié)合面窗的使用環(huán)境和使用功能，最后采用光學(xué)級(jí)聚碳酸酯作為樹脂，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，設(shè)計(jì)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(duì)最外層面窗進(jìn)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(yīng)用到神舟七號(hào)飛船宇航員出艙服、神舟九號(hào)宇航員艙內(nèi)服上。我們的研制團(tuán)隊(duì)作為全國20個(gè)獲獎(jiǎng)集體之一，也榮獲“中國載人航天工程突出貢獻(xiàn)”獎(jiǎng)勵(lì)。
直面壓力繼續(xù)服務(wù)好航天事業(yè)
2008年，提神七發(fā)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(gè)關(guān)于中國航天服的報(bào)告。這個(gè)報(bào)告特別指出，中國的艙外活動(dòng)只持續(xù)了18分鐘，并沒有經(jīng)歷長期的考驗(yàn)。而這，成為了我們新一代航天面窗的研制工作的起點(diǎn)。
2012年，鄭州大學(xué)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、上海交通大學(xué)、四川大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)、中南大學(xué)、機(jī)械科學(xué)研究總院等，承擔(dān)了國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“高聚物成型模擬及模具設(shè)計(jì)制造中的關(guān)鍵問題研究”。
項(xiàng)目以新一代航天面窗研制為背景，圍繞復(fù)雜多場(chǎng)作用下高聚物材料不同層次形態(tài)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律、成型過程中高聚物復(fù)雜流體的跨尺度計(jì)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(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化理論和方法等關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究。
這個(gè)項(xiàng)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(chǎn)品后處理改變大分子結(jié)構(gòu)等各種手段來實(shí)現(xiàn)老化性能提高。其次解決材料—成型工藝—模具設(shè)計(jì)—光學(xué)性能之間的關(guān)系，闡明影響透明塑料件光學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)原因以及成型引起的分子取向與光學(xué)行為（所引起的光畸變）等，最后是解決極端環(huán)境下產(chǎn)品的強(qiáng)度分析問題等。
經(jīng)過4年的研究，項(xiàng)目組取得了一系列成果，并成功應(yīng)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(xiàng)目組研究了聚碳酸酯熱穩(wěn)定性，提出隨機(jī)斷鏈/末端斷鏈反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型來描述降解動(dòng)力學(xué)過程。同時(shí)利用高能伽馬射線輻照制備出不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的長鏈支化聚碳酸酯，隨著長鏈支化結(jié)構(gòu)的引入，以及長鏈支化過程中形成的化學(xué)支化點(diǎn)及分子鏈纏結(jié)作用有效改善了聚碳酸酯的耐環(huán)境應(yīng)力開裂性能。
針對(duì)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(fù)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(shí)為了降低金紅石對(duì)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(duì)納米二氧化鈦進(jìn)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(diào)控航天面窗的光學(xué)性能，項(xiàng)目組通過對(duì)聚碳酸酯制品的2D-SAXS信號(hào)分析，將制品中分子鏈的取向程度與光學(xué)畸變進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到了注射條件與制品光學(xué)畸變的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，揭示了注射速率、熔體流動(dòng)方向以及樣品內(nèi)部層次與制品光學(xué)畸變之間的關(guān)系。
同時(shí)，項(xiàng)目組利用注塑成型模擬理論得到成型過程的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)分布以及制品應(yīng)力場(chǎng)的分布，利用介質(zhì)折射率與克分子極化強(qiáng)度之間關(guān)系的洛倫茲-洛倫茨光學(xué)理論，建立起制品密度場(chǎng)和折射率場(chǎng)之間的關(guān)系，再利用電磁理論中的菲涅爾公式，計(jì)算得到反射光強(qiáng)度和折射光強(qiáng)度，最后計(jì)算得到制品的透光度場(chǎng)。這些工作為優(yōu)化成型工藝，調(diào)控產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制產(chǎn)品光學(xué)性能奠定了理論基礎(chǔ)。
為了實(shí)現(xiàn)航天面窗的成型—結(jié)構(gòu)一體化分析，項(xiàng)目組建立了三維的統(tǒng)一的氣—液兩相模型和運(yùn)動(dòng)界面追蹤的水平集方法，利用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)行為。并通過聚碳酸酯材料不同應(yīng)變率和溫度下的單軸拉伸和壓縮試驗(yàn)，建立了聚碳酸酯的拉伸—壓縮統(tǒng)一本構(gòu)模型。本構(gòu)模型能有效的描述聚碳酸酯的應(yīng)變率相關(guān)效應(yīng)、溫度相關(guān)效應(yīng)、軟化、硬化、拉伸壓縮性能不對(duì)稱等復(fù)雜力學(xué)性能特征，為合理預(yù)測(cè)航天面窗的服役行為奠定了重要基礎(chǔ)。
隨著我國載人航天工程戰(zhàn)略的第三步空間站建設(shè)的臨近，我們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(hù)眼睛一樣保護(hù)著我們航天員的生命。
