《中国科学报》发表我校申长雨院士文章《塑料航天面窗：像保护“眼睛”一样保护着...

哥是大人

2016年10月21日《中国科学报》第3版

                                 塑料航天面窗：像保护“眼睛”一样保护着航天员
                                                     申长雨

项目团队介绍：
    国家“973”计划“高聚物成型模拟及模具设计制造中的关键问题研究”项目是由申长雨院士作为首席科学家，联合国内11家单位共同承担，以国家战略领域和国家支柱产业高聚物制品成型和模具设计制造为背景，致力于解决高聚物结构制品的“成型”“成性”“服役性”和“工艺控制及模具优化”等关键问题，为我国由制造大国向制造强国转变提供理论和技术支撑。

    10月17日早晨7点30分，搭载神舟十一号载人飞船的长征二号F运载火箭，在酒泉卫星发射中心点火发射，约575 秒后，神舟十一号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，顺利将景海鹏、陈冬两名航天员送入太空，飞行乘组状态良好，发射取得圆满成功。
    两天后，载人飞船承载两名航天员与天宫二号顺利进行对接，并开始开展多项空间科学实验与空间应用，特别是空间站运行轨道的交会对接技术。航天员进入天宫二号空间实验室后将进行中期驻留试验，考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力，以及航天员执行飞行任务的能力，这将为我国载人航天工程战略的第三步空间站建设迈出扎实的一步。
    为了探索宇宙奥秘，航天员必须穿着选用特殊材料、特殊工艺、特殊技术加工的航天服进行太空飞行，甚至出舱活动。在航天服上，头盔上的航天面窗是重要的部件之一，它不仅直接影响着航天员对外太空的观察，同时也时刻关系着航天员的生命安全！

    制造航天面窗条件极其苛刻
    2008年9月27日，航天员翟志刚身着我国自行研制的“飞天”宇航服在太空中留下了中国宇航员的身影，这也让中国成为第三个掌握太空出舱技术的国家。当翟志刚透过头盔上的航天面窗看到太空，向太空伸出双臂，作为航天面窗的研制者，我们感到了无上的骄傲和自豪！
    航天服一般由压力舱、头盔、手套和靴子组成，分舱内服和舱外服两类。头盔面窗组件是宇航员在外太空活动时观察外界的窗口，可以说是宇航员的“眼睛”，它不仅要给宇航员提供一个清晰、良好的视野，也是航天员生命保障最关键的部件之一。
    当然，航天面窗不同于我们平时骑摩托车时戴的头盔上的面窗，因为，太空中有太苛刻的温差条件，还有数不清的不可预料的危险，这些都对航天面窗的材料和设计提出了异常苛刻的要求。
    首先，航天面窗要能承受太空极端的温度环境。由于太空中没有空气传热和散热，航天面窗受阳光直接照射的一面，可产生高达100℃以上的高温。而背阴的另一面，温度则可低至零下100℃以下。所以，航天面窗首要的就是要能够承受极端的热胀冷缩作用。
    其次，航天面窗必须是零缺陷。由于太空中是零大气压，任何缺陷都会使航天员暴露在太空中，并将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤4大危险。如果人直接暴露于太空，缺氧将会把人迅速窒息而死。同时，没有了大气压，人也会因内脏、器官的胀裂而立刻丧命。并且，在太空零下269℃的超低温环境，人也会立刻冻死。
    实验表明，如果宇航服快速减压，那么宇航员将在15秒后死亡——这正是身体用光体内所有氧气的时间。
    再其次，航天面窗要能阻隔太空辐射。因为没有了地球磁场和大气层的保护，宇航员会受到外太空更强烈的辐射伤害。
    最后，太空中还存在着数不清的空间碎片。由于航天员在飞船或者空间站外活动时，随时都可能遇到来自太空具有足够高动能的空间碎片冲击，因此，航天面窗在遇到这些碎片的时候，必须能够抵御具有这些毫无防备的高动能空间碎片的冲击。

    制造航天面窗是个不简单的技术活
    既然制造航天面窗的条件这么苛刻，那么，透明的航天面窗又是什么材料做成的呢？
    其实我们对它并不陌生，它是一种工程塑料，一种与我们戴的眼镜、汽车车灯灯罩一样的树脂——聚碳酸酯或聚碳酸酯的共聚混合物。
    聚碳酸酯是一种线型碳酸聚酯，分子中碳酸基团与另一些基团交替排列，属于分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物。聚碳酸酯是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物，但是它的强度和光学性能是无与伦比的。
    然而，由于聚碳酸酯的分子量大、分子链刚硬、黏度大、流动性能差，因此要用它来造成成型性能差，制品内应力大，环境应力影响大，易变形和开裂，这些都给头盔上航天面窗的成型加工带来较大的难度。
    “明知山有虎，偏向虎山行。”虽然聚碳酸酯的脾气如此不好，但我们还是得将航天面窗成型。多种实验研究后，我们决定采用一种最通用的工程塑料成型方式——注塑成型。
    在成型过程中，非牛顿的塑料熔体在压力的驱动下通过流道、浇口向较低温度的模具型腔充填。这个过程中，熔体一方面由于模具传热而快速冷却，另一方面因高速剪切产生热量。同时，伴随有熔体固化、体积收缩、取向和可能的结晶等复杂的物理变化，甚至伴有大分子和由小分子到大分子的化学变化。
    有了这个过程，工程塑料制品具备了优良的物理、力学性质和特定工作环境下的优越服役性能。而这个性能则来源于材料的组份与不同层次的结构，包括微纳米结构，不同层次的结构形成和演化又依赖于模具设计制造和工艺条件。可以说，成型过程不仅使材料获得一定的形状、尺寸，而且也赋予材料最终的结构与性能。
    围绕这个课题，从2007年始，郑州大学国家橡塑模具工程研究中心科研团队，开始了宇航服头盔航天面窗的研发工作。
    在无任何经验借鉴情况下，我们团队结合面窗的使用环境和使用功能，最后采用光学级聚碳酸酯作为树脂，结合数值模拟技术，设计加工精密模具，采用注塑成型方法，研制出宇航服头盔面窗制品，并通过对最外层面窗进行纳米金涂层以阻隔太空的紫外线。
    目前，航天面窗已成功应用到神舟七号飞船宇航员出舱服、神舟九号宇航员舱内服上。我们的研制团队作为全国20个获奖集体之一，也荣获“中国载人航天工程突出贡献”奖励。

    直面压力继续服务好航天事业
    2008年，神七发射成功后，国人一直都感到无比的骄傲。然而，美国NASA却在2010年专门提出了一个关于中国航天服的报告。这个报告特别指出，中国的舱外活动只持续了18分钟，并没有经历长期的考验。而这，成为了我们新一代航天面窗的研制工作的起点。
    2012年，郑州大学联合中国科学技术大学、上海交通大学、四川大学、华南理工大学、华中科技大学、西北工业大学、中国科学院数学与系统科学研究院、大连理工大学、中南大学、机械科学研究总院等，承担了国家“973”计划项目“高聚物成型模拟及模具设计制造中的关键问题研究”。
    项目以新一代航天面窗研制为背景，围绕复杂多场作用下高聚物材料不同层次形态结构的演变规律、成型过程中高聚物复杂流体的跨尺度计算理论、成型后高聚物制品性能和服役行为的跨尺度分析、成型工艺控制和模具设计的多目标优化理论和方法等关键科学问题开展研究。
    这个项目首先要解决航天面窗的寿命和老化问题，以及如何从材料—成型工艺—产品后处理改变大分子结构等各种手段来实现老化性能提高。其次解决材料—成型工艺—模具设计—光学性能之间的关系，阐明影响透明塑料件光学性能的分子动力学原因以及成型引起的分子取向与光学行为（所引起的光畸变）等，最后是解决极端环境下产品的强度分析问题等。
    经过4年的研究，项目组取得了一系列成果，并成功应用到我国新一代航天面窗的研制中。
    为了提高航天面窗的抗老化性能，项目组研究了聚碳酸酯热稳定性，提出随机断链/末端断链反应动力学模型来描述降解动力学过程。同时利用高能伽马射线辐照制备出不同拓扑结构的长链支化聚碳酸酯，随着长链支化结构的引入，以及长链支化过程中形成的化学支化点及分子链缠结作用有效改善了聚碳酸酯的耐环境应力开裂性能。
    针对聚碳酸酯的紫外线辐射老化问题，我们建立了聚碳酸酯/纳米二氧化钛复合材料，采用金红石型纳米二氧化钛可以吸收和散射紫外线，同时为了降低金红石对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，选用二氧化硅对纳米二氧化钛进行包覆，有效提高了聚碳酸酯的耐紫外老化性能并屏蔽紫外线。
    为了控制和调控航天面窗的光学性能，项目组通过对聚碳酸酯制品的2D-SAXS信号分析，将制品中分子链的取向程度与光学畸变进行关联，得到了注射条件与制品光学畸变的内在关联，揭示了注射速率、熔体流动方向以及样品内部层次与制品光学畸变之间的关系。
    同时，项目组利用注塑成型模拟理论得到成型过程的温度场、压力场的动态分布以及制品应力场的分布，利用介质折射率与克分子极化强度之间关系的洛伦兹-洛伦茨光学理论，建立起制品密度场和折射率场之间的关系，再利用电磁理论中的菲涅尔公式，计算得到反射光强度和折射光强度，最后计算得到制品的透光度场。这些工作为优化成型工艺，调控产品内部结构，进而控制产品光学性能奠定了理论基础。
    为了实现航天面窗的成型—结构一体化分析，项目组建立了三维的统一的气—液两相模型和运动界面追踪的水平集方法，利用光滑粒子流体动力学方法，在拉格朗日框架下模拟了航天面窗充模过程的三维流动行为。并通过聚碳酸酯材料不同应变率和温度下的单轴拉伸和压缩试验，建立了聚碳酸酯的拉伸—压缩统一本构模型。本构模型能有效的描述聚碳酸酯的应变率相关效应、温度相关效应、软化、硬化、拉伸压缩性能不对称等复杂力学性能特征，为合理预测航天面窗的服役行为奠定了重要基础。
    随着我国载人航天工程战略的第三步空间站建设的临近，我们希望利用工程塑料制造的新一代航天面窗不仅给航天员提供了观察太空世界的眼睛，更要像保护眼睛一样保护着我们航天员的生命。（作者系中国科学院院士，国家知识产权局局长）