曾經(jīng)的航天故障改寫了工業(yè)史

紀(jì)方遠(yuǎn)

“伽利略號(hào)”在太空中曾遇到冷焊的麻煩

說(shuō)起焊接，你第一時(shí)間想到的一定是火花四濺的場(chǎng)景，通過(guò)加溫或加壓破壞金屬原先的原子鍵，冷卻后再形成新的原子鍵，從而實(shí)現(xiàn)兩種金屬材料的連接，這是最常見(jiàn)的焊接方法。但是這種方法不僅比較危險(xiǎn)，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的輻射、煙塵對(duì)人體和環(huán)境很不友好，焊接后的材料還會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，使材料壽命縮短。

長(zhǎng)久以來(lái)，人們想了很多方法去克服這些缺陷，包括在焊接池中充入惰性氣體、用聚焦的激光束作為熱源轟擊焊件等，但這些方法都無(wú)法避開(kāi)所有的問(wèn)題。直到近年來(lái)，一種新型焊接技術(shù)——摩擦焊的興起才最終解決了以上問(wèn)題，而這種技術(shù)的出現(xiàn)，也許要?dú)w功于航天歷史中的一次故障。

多災(zāi)多難的“伽利略號(hào)”

“伽利略號(hào)”是美國(guó)宇航局制造的木星探測(cè)飛船，它的工作使人類獲得了木星大氣層的第一手資料，大大增進(jìn)了人們對(duì)木星的了解，可算是美國(guó)宇航局發(fā)射的最成功的探測(cè)器之一?？墒牵百だ蕴?hào)”從誕生到“退休”，曾經(jīng)歷過(guò)各種各樣的磨難，包括技術(shù)、資金和輿論等各方面的壓力接踵而來(lái)，甚至一度有項(xiàng)目流產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

1989年，“伽利略號(hào)”好不容易發(fā)射了，卻又發(fā)生了一個(gè)意想不到的故障讓“伽利略號(hào)”差點(diǎn)沒(méi)能完成任務(wù)。1991年，“伽利略號(hào)”完成了向金星借力進(jìn)行第一次加速的過(guò)程，在返回地球第二次借力的途中，科研人員發(fā)出了展開(kāi)高增益天線的指令，這個(gè)天線使探測(cè)器能在遙遠(yuǎn)的木星將數(shù)據(jù)傳回地球。為了避免天線在太陽(yáng)照射下?lián)p壞，飛船發(fā)射時(shí)天線像雨傘一樣處于收攏的狀態(tài)，等收到指令時(shí)才展開(kāi)，完全展開(kāi)之后會(huì)給地面發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，可科學(xué)家們一直沒(méi)能等到這個(gè)信號(hào)。

為了弄清楚遠(yuǎn)方的“伽利略號(hào)”到底發(fā)生了什么，科學(xué)家們利用“伽利略號(hào)”傳回來(lái)的飛行姿態(tài)等有限數(shù)據(jù)，在地球上使用復(fù)制品進(jìn)行分析和模擬。排除掉種種可能性后，科學(xué)家們最后發(fā)現(xiàn)，天線未能完全伸展到位，是因?yàn)橛腥鶙U粘在了一起，這讓天線看起來(lái)就像一把不能完全展開(kāi)的壞雨傘。

科學(xué)家使用了好幾種方法試圖讓天線分開(kāi)。第一招是熱脹冷縮，他們通過(guò)遠(yuǎn)程指令讓探測(cè)器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，先讓天線長(zhǎng)時(shí)間面向太陽(yáng)暴曬，再將它置于防護(hù)罩的陰影中，讓它冷卻，希望溫度差所產(chǎn)生的應(yīng)力可以讓天線分離，但沒(méi)能奏效。第二招是撞擊，工程師們嘗試旋轉(zhuǎn)“伽利略號(hào)”另一個(gè)較小的天線來(lái)撞擊高增益天線，期望由此產(chǎn)生的振動(dòng)可以讓骨架彈開(kāi)，可惜經(jīng)過(guò)六次撞擊也沒(méi)能成功。第二招失敗后，工程師們用了最后的方法：反復(fù)重啟。他們將用來(lái)打開(kāi)天線的驅(qū)動(dòng)器以特定的頻率反復(fù)開(kāi)啟，以此增大展開(kāi)動(dòng)作的動(dòng)力，希望能一舉“開(kāi)傘”。

遺憾的是，這些方法通通無(wú)效。無(wú)奈之下，科學(xué)家們只能讓另一套近距離通信的低增益天線獨(dú)挑大梁，接收傳輸速度慢且清晰度不高的數(shù)據(jù)。后來(lái)，隨著地面接收技術(shù)以及信息壓縮技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們才獲得了足夠的探測(cè)數(shù)據(jù)。

冷焊效應(yīng)與防冷焊方法

為什么高增益天線的骨架粘得這么牢靠，以至于智計(jì)百出的科學(xué)家都拿它毫無(wú)辦法呢？進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，原來(lái)這些金屬天線就像被焊接過(guò)一樣，完全地熔在了一起，自然不能指望小小的外力輕易地將它們分開(kāi)了。

在溫度極低、壓力很小的真空環(huán)境中怎么會(huì)發(fā)生“焊接”這樣的現(xiàn)象呢？科學(xué)家們將這種現(xiàn)象稱為冷焊效應(yīng)，當(dāng)航天器處于超高真空環(huán)境時(shí)，航天器金屬部件表面的原子類型單一，沒(méi)有任何其他物質(zhì)將它們隔開(kāi)。這些原子便會(huì)相互擴(kuò)散，甚至發(fā)生不同程度的粘合，直至進(jìn)一步整體黏著，就發(fā)生了類似焊接的現(xiàn)象。

“伽利略號(hào)”的高增益天線之所以會(huì)出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象，是因?yàn)樵诎l(fā)射升空之前，“伽利略號(hào)”在地面上經(jīng)歷了數(shù)次運(yùn)輸和測(cè)試，在這些過(guò)程中，覆蓋在幾根骨架上的潤(rùn)滑物質(zhì)和氧化層在摩擦的作用下被磨損掉了。再加上滿足了超高真空、相同的金屬材料以及一定的壓力等幾個(gè)冷焊的發(fā)生條件，最終導(dǎo)致了冷焊現(xiàn)象的發(fā)生。

自然了，在航天工作中一旦發(fā)生這樣的情況是非常不利的，輕則像“伽利略號(hào)”這樣影響科研工作的完成程度，重則甚至可能報(bào)廢天價(jià)的人造航天器。那么，該怎么避免真空冷焊現(xiàn)象呢？中國(guó)科學(xué)院蘭州化物所的科學(xué)家自20世紀(jì)80年代初就結(jié)合“風(fēng)云一號(hào)”氣象衛(wèi)星開(kāi)始進(jìn)行空間環(huán)境的潤(rùn)滑與防冷焊技術(shù)的研究，目前已經(jīng)積累了相當(dāng)多的研究成果。

冷焊技術(shù)使焊接更簡(jiǎn)單

用于冷焊的工字鋼/鋁棒

防冷焊的研究通常從破壞冷焊現(xiàn)象的發(fā)生條件入手，從環(huán)境壓力（真空度）、材料接觸面的壓力、材料表面光潔度等主要影響因素進(jìn)行分析。研究人員在運(yùn)用衛(wèi)星進(jìn)行太空空間冷焊試驗(yàn)的同時(shí)，還在地球上進(jìn)行了大量的地面模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在金屬材料表面涂抹氧化層是最經(jīng)濟(jì)且高效的防冷焊方法。根據(jù)研究成果，蘭州化物所的科研人員利用高性能固體潤(rùn)滑涂層技術(shù)和長(zhǎng)壽命潤(rùn)滑薄膜技術(shù)，有效解決了“天宮二號(hào)”空間站的零部件的潤(rùn)滑與防冷焊問(wèn)題，為“神舟十一號(hào)”飛船與“天宮二號(hào)”的成功對(duì)接保駕護(hù)航。

冷焊技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)

冷焊現(xiàn)象在航天研究中不受歡迎，但在地面上的工業(yè)領(lǐng)域卻大展神威。冷焊在工業(yè)中被稱為摩擦焊，是美國(guó)焊接研究所在1991年發(fā)明的一種新型焊接技術(shù)，其原理與冷焊效應(yīng)完全一致，在低溫低壓的條件下，通過(guò)劇烈地?cái)嚢?、摩擦以及接頭的壓力作用，使得兩塊相同的金屬迅速地粘接在一起。

與其他焊接技術(shù)相比，摩擦焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)很明顯。首先，摩擦焊的整個(gè)過(guò)程不經(jīng)過(guò)高溫熔融、冷卻固化，而是在材料的塑性狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的，這使得焊縫的一致性很高，沒(méi)有熱裂紋、夾渣、氣孔等熔焊缺陷產(chǎn)生，機(jī)械性能優(yōu)異;另外，摩擦焊焊接過(guò)程中不需要填充材料和保護(hù)氣，大大簡(jiǎn)化了焊接工序;最重要的是，摩擦焊不需要燃料、激光等額外的熱源，焊接過(guò)程也不會(huì)排放廢氣廢料，更加節(jié)能環(huán)保。

目前，摩擦焊技術(shù)在航空航天制造業(yè)中已經(jīng)到了工業(yè)化運(yùn)用階段，像波音、洛克希德·馬丁等航空航天的巨頭都已采用了這項(xiàng)技術(shù)。在汽車工業(yè)中，越來(lái)越多的零部件生產(chǎn)也開(kāi)始出現(xiàn)了摩擦焊的身影。我們知道，鋁、鎂合金一類的輕質(zhì)合金在焊接中有著接頭軟化嚴(yán)重、易形成氧化膜、容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋、焊接變形嚴(yán)重等缺點(diǎn)。而摩擦焊正好能解決這類問(wèn)題，在2005年，福特公司就使用了這項(xiàng)技術(shù)來(lái)焊接鎂鋁合金。可以說(shuō)，摩擦焊是最適合鎂鋁合金材質(zhì)的焊接工藝之一。近年來(lái)，地鐵機(jī)車的制造中也運(yùn)用了摩擦焊，2010年，廣州地鐵3號(hào)線城軌車輛的車體就大量使用了摩擦焊。如此看來(lái)，摩擦焊未來(lái)確實(shí)大有可為。

航天史上的一個(gè)小故障引發(fā)了工業(yè)上如此大的變化，沒(méi)想到吧？