曾經(jīng)的航天故障改寫了工業(yè)史

紀方遠

“伽利略號”在太空中曾遇到冷焊的麻煩

說起焊接，你第一時間想到的一定是火花四濺的場景，通過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，從而實現(xiàn)兩種金屬材料的連接，這是最常見的焊接方法。但是這種方法不僅比較危險，焊接過程中產(chǎn)生的輻射、煙塵對人體和環(huán)境很不友好，焊接后的材料還會出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，使材料壽命縮短。

長久以來，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，但這些方法都無法避開所有的問題。直到近年來，一種新型焊接技術(shù)——摩擦焊的興起才最終解決了以上問題，而這種技術(shù)的出現(xiàn)，也許要歸功于航天歷史中的一次故障。

多災(zāi)多難的“伽利略號”

“伽利略號”是美國宇航局制造的木星探測飛船，它的工作使人類獲得了木星大氣層的第一手資料，大大增進了人們對木星的了解，可算是美國宇航局發(fā)射的最成功的探測器之一。可是，“伽利略號”從誕生到“退休”，曾經(jīng)歷過各種各樣的磨難，包括技術(shù)、資金和輿論等各方面的壓力接踵而來，甚至一度有項目流產(chǎn)的風險。

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

為了弄清楚遠方的“伽利略號”到底發(fā)生了什么，科學家們利用“伽利略號”傳回來的飛行姿態(tài)等有限數(shù)據(jù)，在地球上使用復制品進行分析和模擬。排除掉種種可能性后，科學家們最后發(fā)現(xiàn)，天線未能完全伸展到位，是因為有三根桿粘在了一起，這讓天線看起來就像一把不能完全展開的壞雨傘。

科學家使用了好幾種方法試圖讓天線分開。第一招是熱脹冷縮，他們通過遠程指令讓探測器進行旋轉(zhuǎn)，先讓天線長時間面向太陽暴曬，再將它置于防護罩的陰影中，讓它冷卻，希望溫度差所產(chǎn)生的應(yīng)力可以讓天線分離，但沒能奏效。第二招是撞擊，工程師們嘗試旋轉(zhuǎn)“伽利略號”另一個較小的天線來撞擊高增益天線，期望由此產(chǎn)生的振動可以讓骨架彈開，可惜經(jīng)過六次撞擊也沒能成功。第二招失敗后，工程師們用了最后的方法：反復重啟。他們將用來打開天線的驅(qū)動器以特定的頻率反復開啟，以此增大展開動作的動力，希望能一舉“開傘”。

遺憾的是，這些方法通通無效。無奈之下，科學家們只能讓另一套近距離通信的低增益天線獨挑大梁，接收傳輸速度慢且清晰度不高的數(shù)據(jù)。后來，隨著地面接收技術(shù)以及信息壓縮技術(shù)的進步，科學家們才獲得了足夠的探測數(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，以至于智計百出的科學家都拿它毫無辦法呢？進一步研究發(fā)現(xiàn)，原來這些金屬天線就像被焊接過一樣，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了。

在溫度極低、壓力很小的真空環(huán)境中怎么會發(fā)生“焊接”這樣的現(xiàn)象呢？科學家們將這種現(xiàn)象稱為冷焊效應(yīng)，當航天器處于超高真空環(huán)境時，航天器金屬部件表面的原子類型單一，沒有任何其他物質(zhì)將它們隔開。這些原子便會相互擴散，甚至發(fā)生不同程度的粘合，直至進一步整體黏著，就發(fā)生了類似焊接的現(xiàn)象。

“伽利略號”的高增益天線之所以會出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象，是因為在發(fā)射升空之前，“伽利略號”在地面上經(jīng)歷了數(shù)次運輸和測試，在這些過程中，覆蓋在幾根骨架上的潤滑物質(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冷焊的發(fā)生條件，最終導致了冷焊現(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”這樣影響科研工作的完成程度，重則甚至可能報廢天價的人造航天器。那么，該怎么避免真空冷焊現(xiàn)象呢？中國科學院蘭州化物所的科學家自20世紀80年代初就結(jié)合“風云一號”氣象衛(wèi)星開始進行空間環(huán)境的潤滑與防冷焊技術(shù)的研究，目前已經(jīng)積累了相當多的研究成果。

冷焊技術(shù)使焊接更簡單

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行分析。研究人員在運用衛(wèi)星進行太空空間冷焊試驗的同時，還在地球上進行了大量的地面模擬試驗。試驗結(jié)果表明，在金屬材料表面涂抹氧化層是最經(jīng)濟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滑涂層技術(shù)和長壽命潤滑薄膜技術(shù)，有效解決了“天宮二號”空間站的零部件的潤滑與防冷焊問題，為“神舟十一號”飛船與“天宮二號”的成功對接保駕護航。

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，通過劇烈地攪拌、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)勢很明顯。首先，摩擦焊的整個過程不經(jīng)過高溫熔融、冷卻固化，而是在材料的塑性狀態(tài)下實現(xiàn)的，這使得焊縫的一致性很高，沒有熱裂紋、夾渣、氣孔等熔焊缺陷產(chǎn)生，機械性能優(yōu)異;另外，摩擦焊焊接過程中不需要填充材料和保護氣，大大簡化了焊接工序;最重要的是，摩擦焊不需要燃料、激光等額外的熱源，焊接過程也不會排放廢氣廢料，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技術(shù)。在汽車工業(yè)中，越來越多的零部件生產(chǎn)也開始出現(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重、易形成氧化膜、容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋、焊接變形嚴重等缺點。而摩擦焊正好能解決這類問題，在2005年，福特公司就使用了這項技術(shù)來焊接鎂鋁合金。可以說，摩擦焊是最適合鎂鋁合金材質(zhì)的焊接工藝之一。近年來，地鐵機車的制造中也運用了摩擦焊，2010年，廣州地鐵3號線城軌車輛的車體就大量使用了摩擦焊。如此看來，摩擦焊未來確實大有可為。

航天史上的一個小故障引發(fā)了工業(yè)上如此大的變化，沒想到吧？