從雲端，到星際­­——探秘誕生在浙大的航空太空科技成果

從夢想飛行到翱翔雲端，從仰望星空到登陸星球，過去的一個多世紀見證了人類的航空太空技術迅猛發展，數千年的飛天神話成為現實。

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最近，一份匯集70多位科學家和行業領袖見解的研究報告引起科學界和市場關注。報告展望2050年，描繪了一幅包含飛行計程車、無人機快遞、洲際超音速商務旅行等元素的創新藍圖，認為航空太空領域的創新將在未來30年里重塑世界。

這並非虛言。1903年，人類第一次飛上藍天；1969年，我們已經踏上月球。這是何其偉大的科技創舉。我們邁向空天的每一步，都是豐富智慧和工業偉力的結晶。始終不變的勇氣和情懷，激勵我們以更成熟的技術和更堅定的信念，一次次起飛。

實際上，在我們身邊就有不少科學家投身這一激動人心的事業。最近，記者來到我省科技創新的領頭羊和主力軍單位——浙江大學，採訪了多位專家。他們的專長各不相同，但多年鑽研取得的成果，都在幫助我們以更先進的姿態離開地面，離開地球，擁抱前所未見的奇景。

發動機材料

探秘「不被破壞的金屬」

飛機的發動機對一次飛行的關鍵作用，幾乎是不言而喻的。哪怕第一回坐飛機的乘客，都會從直覺出發去關心發動機的狀態。

航空發動機是如此重要，其技術又是如此精深，被稱為一國工業皇冠上的明珠。比如，羅爾斯羅伊斯公司研制的航空發動機就是英國的驕傲，其用於波音787的遄達發動機在起飛時承受的負荷，相當於發動機每個葉片末段懸掛9輛倫敦巴士。

研發一款高性能航空發動機需要的技術積累和投入很多，極為關鍵的一項就是制備發動機葉片的材料——高溫合金。航空發動機的葉片高速轉動，在飛機起飛和降落時其服役溫度至少在1300攝氏度以上，同時材料還會受到應力的影響，幾乎沒有材料能完全勝任這樣苛刻的工作條件。而高溫合金則被稱為「不被破壞的金屬材料」。

浙大張澤院士主管的團隊近期在這一領域取得重要進展。科研人員發現，在高溫合金中的關鍵位置添加一種極為稀缺的貴金屬「錸」，能讓材料不易斷裂，在更高溫度下保護飛機發動機的安全。

航空發動機斷裂往往是由裂紋造成的，如何防止裂紋發生、裂紋發生後如何阻止它快速生長，就成了決定材料強度的關鍵一環。

「材料的薄弱環節在兩相界面。」

浙大材料學院科研人員介紹，就像河流結冰後，冰與水就會有一個兩相界面，一邊是固態一邊是液體，這個界面是極不穩定的。金屬材料的兩相界面兩邊都是固態，但由不同成分或是由不同結構組成。高溫合金的兩相界面中會形成致密的界面位錯網。

通過特定的熱處理，科研人員把錸放置在界面位錯網的核心位置。就如同日常生活中的磚塊牆，錸元素分布在「磚塊」與「水泥」之間的界面位錯網上，可以讓「磚塊」間的「水泥」變得非常穩固，使材料中的裂紋不易貫穿。「當力的作用不斷加大，含有錸的高溫合金也會出現裂紋，但裂紋生長在單相中呈現鋸齒形，延緩了快速開裂。」科研人員說。

研究人員表示，這可能不是個時髦的研究，卻有著重大的戰略意義。對高溫合金特別是錸的深刻認識，有望幫助我們研制出性能更優、壽命更長的航空發動機。

太空生物實驗

幫助太空人應對骨質疏松

許多人可能想像不到身處太空的太空人們面臨的一個嚴峻問題——骨質疏松。

正常人的骨質處在一種動態平衡中，每天骨質流失和生成的量大致相當。而太空人在太空微重力的環境中，骨質流失加劇。孕婦是另一個容易發生骨質流失的人群。研究發現，太空人在太空中一個月遭受的骨質流失，相當於孕婦10個月骨質流失的量。

浙江大學生命科學學院王金福教授的團隊近年來一直致力於研究太空人「腿軟」的難題。他設計的生物實驗已經多次飛上太空，帶回寶貴的實驗數據，開啟了全新的認知。

「我們的研究表明，微重力環境不僅加劇骨質流失，還影響幹細胞分化為骨細胞的能力，即太空人的骨質生成也被太空環境削弱了。」王金福說。

2016年以來，浙大團隊先後在「實踐十號」科學衛星和「天舟一號」貨運飛船中進行了兩次太空實驗。最新的實驗項目則有望成為大陸載人空間站的首批實驗項目之一。

在太空中開展幹細胞實驗並不容易。為完成「實踐十號」衛星上的實驗，王金福團隊和中科院相關科研工程團隊一起工作了3年，就是為了研制出一個微波爐大小、15千克重的匣子，里面裝著骨髓間充質幹細胞、特殊材料制成的支架、盛滿培養液的瓶瓶罐罐和密集的管道與線路。

「與在地面上做實驗的感覺完全不同。」王金福感慨地說，要充分考慮到各種細節。

比如，實驗完畢，衛星返回前，細胞必須低溫保存。在實驗室里，細胞保存適用於4攝氏度這一標準，任何一個冰箱都能做到。「但是，在衛星上這成了一件奢侈的事情。為了降低能耗，工程團隊希望能夠把溫度提高一點，比如提高到8攝氏度。」在8攝氏度保存可行嗎？王金福團隊此前從未考慮過這個問題，而現在他們必須作出回答。於是科研團隊又專門就此做了一系列實驗。

「實踐十號」衛星發射升空前兩天，早已駐守在發射中心的浙大科研人員把實驗用細胞從液氮中取出，經解凍、培養，發射前數小時在裝置里安裝完畢，送上衛星。衛星成功進入軌道後，王金福收到來自北京觀測中心令人激動的消息：裝置已經啟動，第一批誘導培養液開始注入，數據源源不斷地發送回來。「實踐十號」衛星返回艙成功回收後，王金福和學生們又在內蒙古接回實驗裝置，連夜運回杭州，在實驗室埋頭分析。

在大陸自主研制的首艘貨運飛船「天舟一號」上，浙大團隊又開展了進一步實驗。飛船上搭載的生物反應器能夠自動拍攝太空微重力環境下細胞內部結構，並傳回地球。科研人員取得一系列關鍵發現。

通過兩次實驗，浙大團隊已經描繪出一個明確的細胞信號通路，闡釋微重力如何環環作用，最終導致骨質生成減少。但這兩次太空實驗因為缺少人的在場，條件不同程度受限。「實踐十號」衛星實驗，實驗人員在地面上只能得到太空中傳回的一些數據，只有等衛星返回地球後才能看到細胞的樣子。在「天舟一號」上的實驗則恰恰相反，他們看到了細胞在太空中的照片，但「天舟一號」完成任務後離軌隕落燒毀，意味著實驗細胞無法回收。

相比之下，空間站優勢明顯，供科學家們施展身手的條件寬裕多了。常駐空間站的太空人將全程「呵護」實驗細胞，隨時完成必要的實驗操作。太空階段完成後，實驗細胞可搭乘往返空間站和地球的飛船回到地面，供實驗室做深入研究。王金福說，空間站實驗將深化人們對微重力引發骨質疏松的認識，並為未來研發靶向藥物、最終解決這個長年困擾太空人的難題打下基礎。

高性能無人機

面向未來的智能飛行

發展到今天，飛機已經從萊特兄弟那台靠著螺旋槳驅動的簡易機器，變身為集成了一系列尖端科技的龐然大物。在裝備了越來越多的智能系統和設備後，如今的飛機已經有了自己的「大腦」。

在我們紛紛談論無人駕駛對道路安全的影響時，一個類似的暢想是：智能飛行的未來是怎樣的圖景，將來搭載我們飛越大洋的會是一架無人機嗎？

對此，浙大航空太空學院常務副院長邵雪明教授說：「無人機發展的速度極快，超過我們的想像。如果說今天的無人機還處在‘大哥大’的階段，10年之後，它很有可能達到甚至超過‘智慧型手機’的階段。」

邵雪明教授帶領的團隊近年來致力於高性能無人機前沿技術研究和系統研發。「3架甚至6架無人機，在不同時間發射升空，以超過700公里的時速高速飛行，依靠智能化協同‘大腦’，它們完全自主地完成集合、編隊、隊形變換和返航……」邵雪明帶領的團隊已在智能無人機集群研究方向邁出了堅實的一步。

無人機的未來將會是一台會思考的空中機器人。「在民用領域，無人機也已經被應用於農業植保、電力巡線等多種領域，正在快速地改變很多行業的生產作業方式。隨著智能化技術的不斷發展，我們可以想見，未來的農業植保將會是多架無人機自主規劃最優路徑，協同完成大面積農田的噴藥任務。無人機還可以攜帶各種智能化傳感器，自主判斷下方這片農田應該灑什麼藥、灑多少藥。」邵雪明說，「因此，無人機必然是未來精準農業中重要的裝備之一。」

當前，包括大陸在內的多國科學家也正在研發以太陽能為動力的無人機，可在空中不間斷飛行數晝夜，未來為你提供WiFi信號的可能就是一架太陽能無人機。而在高樓鱗次櫛比的大都市中，一架自主規劃路線、熟練避開障礙的無人機，不僅能送快遞，載人也未嘗不可。也許在不遠的將來，停在你門口的會是一架等候你「上機」的「空中的士」。

當然，這些暢想成真的前提，是無人機可靠性和智能化的不斷加強，還需要多領域前沿技術的持續創新和突破。邵雪明說，浙大成立的無人機科技聯盟，就匯集了航空太空、計算機、信息與電子工程、控制等多個學科的創新力量。一個更加智能的未來飛行遠景，值得期待。

皮衛星

牽手組隊去太空

浙大微小衛星中心有個傳統，每年要為幾個在「天上」的小夥伴慶祝生日——距離地球640公里和525公里的兩個軌道上，目前共有4顆浙大自主研發的皮衛星正在工作。兩顆「皮星一號A」衛星已進入太空工作近9年，兩顆「皮星二號」衛星入軌服務近4年。

皮衛星是什麼？相對於重達幾百公斤到幾噸的大衛星，皮衛星是指質量為公斤級的微小衛星。皮衛星有許多獨特優勢：成本低廉，研制生產和發射周期短，功能密度與技術性能高，應急反應快、靈活性強。中國發射的首顆皮衛星就在浙大誕生。

浙大微小衛星中心主任、航空太空學院副院長金仲和教授介紹，目前在軌的皮衛星中，「皮星一號A」是邊長15公分的立方體，重3.5公斤，外身披著36片太陽能電池，其中對地面的一角安裝了一個浙大自主研制的360度視場全景相機，用於成像實驗。它們是一對孿生星，每96分鐘繞地球一圈，每天與西安衛星測控中心有一次通信聯繫，傳回軌道定位、健康數據、拍攝的圖像等信息。

「皮星二號」則是中國首例承擔重大試驗任務的應用型皮納衛星，重20公斤，包含了約10公斤的任務載荷質量：其中5.6公斤的任務載荷是一把高級碳纖維「傘」，展開直徑有1.6米。這把「傘」包含有多項堪稱國際首創的關鍵技術。經「皮星二號」驗證，傘狀天線結構被證明可用於皮衛星和納衛星中，能在通信、地震監測、行星際探測以及新技術的演示驗證等多個領域發揮更大的作用。

研發皮衛星，相當於給大衛星「減肥」，要克服很多困難。在金仲和團隊最初著手研發時，衛星上一個用於對地通訊的測控應答機的重量就有10多公斤。通過多年努力，歷經上千次的實驗，團隊最後完成的應答機的質量僅有56克。

皮衛星一直是太空領域研究的熱點之一，在通信、遙感、探測等領域有著廣泛的應用場景。在不遠的未來，借助人工智能技術，皮衛星還將具有自主決策、數據處理和協同配合任務的能力。

位於海洋、森林、沙漠中傳感器采集的數據，現在往往需要通過飛機飛躍、航船打撈、地面電纜等方式才能來到我們手中，不僅成本巨大，而且很多地方人力無法企及。而通過皮衛星組網，就可以通過物聯網和遙感技術，達到實時數據采集。

物聯網和遙感並不是新的名詞，然而由於大衛星成本高，沒有形成衛星編組，很多時候對一個地區的觀測常常是半年一次。而物聯網皮衛星和遙感皮衛星的出現，讓一次發射就可以有一批皮衛星布局，多批次發射後就可以全球布網。專家表示，未來高速公路上的車流、進出港口的船只、海洋中的赤潮等都可以通過遍布全球的皮衛星開展實時監測。

資料來源：浙江日報

編輯：項逸妮 校對：柳揚 施洋洋