在地面破解太空難題——探訪我國首個“空間環境地面模擬裝置”

空間環境地面模擬裝置園區效果圖。受訪者供圖

　　科技日報記者 朱 虹

　　從黑龍江省哈爾濱市南崗區出發，向北行駛，越過松花江，約半小時車程，記者來到位於哈爾濱新區的科技創新城。

　　冬日的雪花飄落在廣袤的園區，為這片科技熱土增添了一抹寧靜的美。在足有50個足球場大小的地方，4棟潔白如雪的建築巍然矗立。樓宇上，“SESRI”藍色標誌熠熠生輝。

　　這裡，就是我國航天領域首個國家重大科技基礎設施——“空間環境地面模擬裝置”所在地。該裝置由哈爾濱工業大學和中國航天科技集團聯合建設，能夠模擬包括低溫、真空、電磁輻射在內的九大類空間環境因素，為科研人員提供近乎真實的太空實驗環境。

　　“這座‘地面空間站’從2005年開始論證，到2023年正式投入使用，歷經18年。”哈工大空間環境與物質科學研究院院長李立毅告訴記者，“它的建成不僅為我國航天事業的發展提供了強大支撐，還為科研人員探索太空奧秘搭建了新的平臺。”

　　模擬太陽系

　　進入“地面空間站”的心臟地帶——空間綜合環境實驗樓，月塵艙、火星塵艙、太陽模擬器等大型實驗裝置映入眼簾，這裡仿佛是一個微縮版的太陽系。

　　記者來到月塵艙前。這座5.5米高的龐然大物模擬的是月球上的塵埃世界。“月塵看似不起眼，在太空中卻是個‘大麻煩’。”李立毅介紹道，“這種微小顆粒本就形狀尖銳，受到太陽和宇宙射線的照射，會帶上電荷，變得更加鋒利。帶電月塵可能會劃破航天服，危及航天員生命健康。”

　　為破解這一太空難題，科研團隊進行了無數次的嘗試。他們利用電子槍和X紫外燈，讓月塵帶上正負電荷，再模擬真空和低溫環境，形成一個綜合多因素的月塵實驗環境。李立毅告訴記者：“在這裡，我們可以測試不同材質的航天服，看看哪種材質能夠抵禦帶電月塵的侵襲；我們還可以研究月球車太陽能帆板的構造，找到避免被月塵覆蓋的最佳方案。”

　　説話間，記者來到了一個更加令人震撼的實驗裝置前——高達17米的太陽模擬器。它能夠真實模擬太陽照射，綜合模擬真空、高低溫、粒子輻照、電磁輻射等多種宇宙環境。科研人員可以根據實驗要求，調節太陽模擬器的熱量和照射角度等參數，實現最精準的模擬。

　　談起過去的實驗條件，李立毅深有感觸地説：“以前，科研人員進行材料器件等實驗時，要輾轉多個實驗艙，才能完成一個完整的實驗過程。這樣不僅效率低下，而且物理過程和物理反應之間還存在差異。現在有了這個綜合實驗艙，我們可以在一個艙內一次完成所有實驗，大大提高了實驗的效率和準確性。”

　　打造零磁場

　　在“地面空間站”裏，有一座高約15米、形似“套娃”的建築，這是空間磁環境科學裝置。

　　哈工大空間環境與物質科學研究院磁環境與磁信息研究室副研究員金銀錫介紹，地球磁場無處不在，地球環境的任意空間都承載著約5萬納特斯拉的磁力線。相較之下，外太空的磁場極其微弱，僅為地球磁場的近百萬分之一。因此，為了模擬太空環境，需要打造一個零磁場，即幾乎沒有任何磁場干擾的環境。

　　實現零磁環境，其難度超乎想象。科研人員需要在龐大而複雜的地球磁中，創造一個“磁屏蔽泡泡”，如同在洶湧澎湃的大海中建造一座完全不受海浪影響的小島。

　　為了完成這一目標，科研團隊首先面臨材料選擇的難題。傳統的磁屏蔽材料往往自帶磁性，會嚴重干擾零磁空間的實現。經過反復試驗和驗證，團隊終於找到一種能夠有效屏蔽外界磁場干擾的複合新材料。

　　然而，材料的選擇只是開始，將這些材料有效地組合成一個完整的磁屏蔽系統，才是更大的挑戰。團隊最終通過七層電磁屏蔽材料層層包裹，像“套娃”一樣將外界磁場干擾隔絕。這一設計不僅增強了磁屏蔽效果，還確保了零磁空間內部的穩定性和可靠性。

　　“現在，靜態磁場已被抑制到了0.033納特以下，實現了接近零磁的空間環境。”金銀錫説。

　　在零磁空間中，科研人員可以深入研究低磁環境下材料、器件以及航天器的變化規律，探索長期停留在空間站磁場對人體健康的影響。同時，他們還能捕捉到很多在地磁環境下無法測量的微弱磁場信號，包括腦磁和心磁信號，這為腦科學、生物電磁信息等領域的研究提供了新的可能。

　　密封真空罐

　　在“地面空間站”一隅，三層樓高的空間等離子體科學實驗樓內，裝著一個直徑5米、長10.5米的實驗裝置。哈爾濱工業大學空間等離子體物理研究室副研究員毛傲華介紹，科研人員將地球大氣層以外的磁層環境，原汁原味“搬”進了這裡，相當於把地球磁層“封裝”進了地面真空罐。

　　在宇宙中，超過99.9%的物質以等離子態存在，無論是熾熱的太陽、絢爛的星雲，還是神秘的極光，都是它的傑作。當太陽風如狂暴的海嘯般衝向地球時，地球磁層的響應會引起磁暴、亞暴等極端空間天氣現象，對航天器運行造成嚴重威脅。

　　毛傲華介紹，借助這一前沿裝置，科研人員能夠在地面上模擬磁層關鍵物理過程。研究結果為構建空間天氣預報模型提供了堅實基礎，同時也為航天器的安全防護策略提供了新的視角。

　　此外，該裝置還能針對航天器重返大氣層時的表面等離子體鞘套複雜電磁環境進行精準模擬。當航天器穿越大氣層時，動態等離子體鞘套現象隨之産生，形成一道電磁波難以穿透的“黑障”，使得航天器與地面的通信中斷。如今，借助該裝置，研究人員能夠更深入地探索這一現象，為破解“黑障”難題提供更多線索。

　　“地面空間站”投入試運行以來，像一塊磁石，吸引了國內外眾多科研機構和企業的關注，為人類探索太空事業注入了新的活力。

　　黨的二十屆三中全會強調，深化科技體制改革，提升國家創新體系整體效能，形成具有全球競爭力的開放創新生態。展望未來，李立毅向記者表示：“我們將以全會精神為指引，加強原創性、引領性科技攻關，為全球科學家提供更好的科研環境和條件，為人類探索宇宙奧秘貢獻更多的中國智慧與中國力量！”