石英玻璃護(hù)航宇航員“太空會師”

黃增強(qiáng)

2022年11月29日23時(shí)08分，搭載神舟十五號載人飛船的長征二號F遙十五運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火成功發(fā)射，有“玻璃王”之稱的耐輻照石英玻璃又一次為費(fèi)俊龍、鄧清明和張陸三位航天員護(hù)航，讓他們與神舟十四號航天員乘組實(shí)現(xiàn)“太空會師”。

什么是耐輻照石英玻璃？它有哪些特性？耐輻照石英玻璃是一種二氧化硅單一組分的特種工業(yè)技術(shù)玻璃，由各種純凈的天然石英（如水晶、石英砂等）熔化制成。耐輻照石英玻璃的特性主要體現(xiàn)在五個(gè)方面：一是有較好的抗熱震性和耐高溫性，其軟化點(diǎn)溫度為

1 730℃，可以在1 100℃環(huán)境下長時(shí)間使用；二是有良好的透光率，它在紫外線和紅外線的整個(gè)光譜帶中都有很好的透光率；三是電絕緣性能優(yōu)良，它的電阻值相當(dāng)于普通玻璃的1萬倍；四是熱穩(wěn)定性好，它的熱膨脹系數(shù)很小，能夠承受巨大的溫度變化，把它加熱到1 100℃左右，再放入常溫水中，它也不會炸裂；五是耐酸性強(qiáng)，它具有良好的耐腐蝕性，幾乎不與其他酸性類物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

耐輻照石英玻璃具有其他材料不能替代的一系列性能，用途廣泛。耐輻照石英玻璃具有優(yōu)秀的耐高溫功能，不但能用來制作冶金、化工等工業(yè)設(shè)備，而且廣泛運(yùn)用于核工業(yè)和航空航天領(lǐng)域，如火箭、飛船的觀察窗和保溫外殼。耐輻照石英玻璃耐高溫且透光率高，被廣泛運(yùn)用于國防軍工和新式電光源等高科技領(lǐng)域。耐輻照石英玻璃具有極佳的光譜特性，不僅能夠透過可見光，還能夠透過紅外線、紫外線，因而被廣泛運(yùn)用于微電子設(shè)備和天文設(shè)備中，光導(dǎo)纖維便是用耐輻照石英玻璃制成的。即使在高溫下，耐輻照石英玻璃也有很穩(wěn)定的化學(xué)特性，被廣泛運(yùn)用于化工、制藥等工業(yè)中。

耐輻照石英玻璃與普通玻璃有什么區(qū)別？它為什么被稱為 “玻璃王”？耐輻照石英玻璃與普通玻璃的區(qū)別有很多，主要區(qū)別是組成成分不同、透光性不同、顏色不同、耐熱性不同、硬度不同、耐磨性不同、耐酸性不同。由于具有優(yōu)良的耐高溫性、低膨脹系數(shù)、極佳的光譜特性、良好的耐酸性和電絕緣性能，耐輻照石英玻璃因此被稱為“玻璃王”。

我國對耐輻照石英玻璃的研究起步較晚。1956年，為找到制作“兩彈一星”所需的新型高性能材料，我國才開始研究耐輻照石英玻璃。在沒有任何技術(shù)基礎(chǔ)和專用設(shè)備的情況下，中國建筑材料科學(xué)研究總院迎難而上，于1957年成功研制出我國第一塊不透明石英玻璃。同年8月，中國建筑材料科學(xué)研究總院又研制出我國第一支不透明石英玻璃管。1958年，在不透明石英玻璃的試制基礎(chǔ)上，中國建筑材料科學(xué)研究總院研制出我國第一塊透明石英玻璃。

1987年，為了滿足深空探測所需，助力航天器遨游宇宙，邁向深空，中國建筑材料科學(xué)研究總院工程院院士顧真安及其團(tuán)隊(duì)接下了一個(gè)項(xiàng)目——研究一款經(jīng)宇宙射線輻照后不變黑并能過濾紫外線的特殊石英玻璃。在宇宙射線輻照下，這種耐輻照石英玻璃不會變黑，依舊透明純凈，而且能為航天器透過重要的光信號，讓航天器靠光信號的變化來調(diào)整運(yùn)行姿態(tài)。耐輻照石英玻璃就像航天器的眼睛，確保航天器在茫茫宇宙中不會迷失方向。顧真安團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，于1993年研制出耐輻照石英玻璃。

耐輻照石英玻璃是如何運(yùn)用在系列衛(wèi)星及飛船上的呢？耐輻照石英玻璃是重要的太空窗口材料，太空飛行器是以太陽為坐標(biāo)進(jìn)行定位的。每個(gè)飛行周期內(nèi)，光線都要通過透明的傳感器窗口傳遞給姿態(tài)控制傳感器，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控。因?yàn)樵谔罩杏写罅康母吣苌渚€，在它的照射下，普通玻璃會產(chǎn)生空穴電子，形成“色心”，吸收可見太陽光，導(dǎo)致姿態(tài)控制傳感器失靈，太空飛行器失去方向感。而耐輻照石英玻璃具有很好的“抵御”高能射線的能力，還可以過濾紫外線，保護(hù)內(nèi)部傳感器正常運(yùn)行。同時(shí)，耐輻照石英玻璃還被用作“神舟飛船”的舷窗窗口材料。不論何種太空飛行器，都有六個(gè)朝前的可視窗口，每個(gè)窗口都由三層獨(dú)立的玻璃組合而成。最里層和最外層玻璃均由透明的耐輻照石英玻璃制成，中間是鋁硅酸鹽玻璃。最外層玻璃用于抵抗與大氣層摩擦而產(chǎn)生的高溫，厚度在15毫米左右；中間層的鋁硅酸鹽玻璃非常堅(jiān)韌，可以承受高壓，厚度在33毫米左右；最里層玻璃是紅外反射層，可以透過可見光，增強(qiáng)視覺效果。

近二十年來，中國建筑材料科學(xué)研究總院自主研制的耐輻照石英玻璃，由于物理、化學(xué)性能優(yōu)良，多批次應(yīng)用到我國“嫦娥”“北斗”“神舟飛船”等通信、資源、科研等衛(wèi)星及其他航天器上。2020年6月23日，我國發(fā)射的第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)。2020年12月17日凌晨，嫦娥五號在月球“挖土”成功返回。2022年11月29日23時(shí)08分，神舟十五號載人飛船成功發(fā)射后，于2022年11月30日5時(shí)42分，成功自主對接。3名航天員順利進(jìn)駐中國空間站，與神舟十四號航天員乘組首次實(shí)現(xiàn)“太空會師”。這是中國航空航天發(fā)展歷史的重要里程碑，是中華民族堅(jiān)強(qiáng)不息、銳意創(chuàng)新、踔厲奮發(fā)的精神寫照。

耐輻照石英玻璃一次次飛向太空，助力我國遙感衛(wèi)星、載人航天、探月探火等重大工程，為我國航天員“太空會師”立下汗馬功勞。它就像透明純凈的眼睛，見證著我國從航天大國逐漸邁向航天強(qiáng)國。