建設中的空間等離子體環境模擬與研究系統核心設備。

正在施工的300MeV質子重離子加速器弱電橋架工程。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器成功傳回世界第一批月球背面近距離探測數據，揭開了古老月球背面的神秘面紗。在月表高真空、高低溫、帶電月塵、復雜月形月貌等多因素極端環境下，科學家是怎樣保證“嫦娥四號”開啟月球背面探索之旅的？

“老亮了！”2021年7月4日，神舟十二號航天員劉伯明成功出艙，將東北話帶到宇宙。與東北話共同“出圈”的，還有哈工大為神舟十二號提供的多項航天技術支撐。航天員身上穿的頭部帶神燈和傳感器，顏值滿分、科技感爆棚的新一代國產艙外航天服，面對磁暴、高能粒子輻照、高速微流星和空間碎片等極端空間環境，如何保障宇航員在中國空間站艙外工作時的生命安全？

能不能在地球上建一個實驗室，用于模擬太空環境？

在國家“十二五”規劃項目建議征集階段，哈爾濱工業大學匯聚全球一大批科學家，把空間綜合環境與物質的相互作用的科研建議提交給了國家。而今，這項被稱作“大科學工程”的“空間環境地面模擬裝置”建設，正在宏圖變現實。

為了這一天的盡快到來，哈爾濱工業大學的一群“拓荒牛”，已經奮斗了16年。

地球上建“地面空間站”

建一座包羅萬象的“地面空間站”有多難？可以綜合模擬九大類空間環境因素、具有國際領先水平的“空間環境地面模擬裝置”從提出建設概念到實施建設，就花了十余年的時間，大到整座建筑的功能設計，小到一顆顆螺絲釘的材質，都凝結著設計師和哈工大科技工作者們的巧思、熱情和想象力。

“空間環境地面模擬裝置，就是要在地球上建設一個與月球、火星等真實宇宙空間環境相似的‘地面空間站’。”哈工大大科學工程常務副總指揮、常務副總師、空間環境與物質科學研究院院長李立毅告訴記者，項目建成后，很多需要在進入太空才能進行的實驗，在“空間環境地面模擬裝置”就能夠完成。

“真空、微重力、電磁輻射、粒子輻照、高低溫、等離子體、磁場……這些存在于太空的環境因素，聽起來與我們的生活遙不可及。但如果將空間環境研究透徹，對人類發展的意義將是非凡的。”李院長進一步解釋道，這項大科學工程揭示空間環境條件下物質結構演化規律和各種環境耦合效應的物理本質。“項目將通過研究太空環境下的器材/器件和系統、生命體、等離子體的影響，解決制約航天器高可靠長壽命的瓶頸問題、增強人類空間駐留和利用環境資源的能力、提高對空間極端環境的認識和防控能力。”

據悉，空間環境地面模擬裝置是《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012-2030年）》“十二五”建設的16項國家“大科學工程”項目之一，是國家部署在東北地區的首個、也是我國“十二五”期間在空間科學領域唯一國家重大科技基礎設施建設項目。2017年8月29日，空間環境地面模擬裝置國家重大科技基礎設施建設工作研討會召開，哈工大與中國航天科技集團公司共建的大科學工程項目正式開工建設。

將解決多項航天技術“卡脖子”問題

“2017年9月之前，這塊地還是一片農田、魚塘。”而今，望著眼前拔地而起的高樓和潔凈的柏油路面，哈工大大科學工程調度王晨的喜悅之情溢于言表。他說，項目的建安工程分為“一大三小”，包括空間綜合環境實驗樓、空間等離子體科學實驗樓、空間零磁環境科學實驗樓和動物培養室。大科學工程建設基建已進入尾聲階段，大型設備開始入場安裝調試。記者參觀了建設現場。

空間綜合環境實驗樓內，四個巨型金屬裝置看似平淡無奇，實則各個“有內涵”。“空間綜合環境模擬系統，用來模擬太陽系6大類典型環境因素，包括真空、高低溫、電磁輻射、粒子輻照、空間粉塵等。”哈工大空間環境與物質科學研究院空間材料與環境工程研究室主任李麗芳說。

談起空間綜合環境模擬系統的“寶貝”，李麗芳如數家珍。“我們系統有國際上環境因素最多的綜合輻照艙，國際上唯一動態實現月塵充正電和負電的大型月球多因素極端環境模擬器——月塵艙，國際上實現火星表面低氣壓大跨度風速塵暴的火星塵艙，可加速空間微納粉塵最高速度達到70km/s的高速粉塵艙，國際上唯一可模擬地球低軌原子氧-紫外-質子耦合效應的原子氧艙。這些設備都配備了先進的原位測試儀器，可以在艙內實現實時在線測量。”

她透露，空間綜合環境模擬系統建成后，將為我國載人航天工程，月球、火星和小行星深空探測，我國空間站建設等重大航天工程提供世界領先水平的科研平臺和型號產品試驗標校環境，解決高性能航天材料和器件等“卡脖子”問題，實現自主可控，保障航天器可靠、長壽命在軌服役。

走進空間等離子體實驗樓，直徑5米，分別長10.5米和6米的兩個大型真空模擬艙傲然挺立，空間等離子體物理研究室主任金成剛介紹：“大氣層以外99.99%以上的可見物質都是以等離子體狀態存在，航天器就在等離子體的海洋中航行，等離子體的分布和演化規律主導了空間天氣變化，對航天器的服役有著重要的影響。空間等離子體環境模擬系統研究磁場重聯、波-粒相互作用等影響空間等離子體環境的關鍵物理過程，以及被列為航天十大難題之一的通信黑障問題。”金成剛感嘆道：“等離子體裝置各設備之間的接口關系非常復雜，自建設以來僅接口技術協調會就開了700多次，我們和中國工程物理研究院流體物理研究所、航天科技集團514研究所、合肥科燁電物理公司等外協單位一起攻克了瞬態大電磁力沖擊下的運動支撐、大電流分流與匯流等多項關鍵技術，裝置將在明年試運行，初步具備實驗條件，裝置建成后將在國際上首次實現三維地球磁層空間等離子體環境模擬。”

“由射頻屏蔽層、主動屏蔽線圈組和七層電磁屏蔽層構成的像俄羅斯套娃的結構，在內部可實現接近零磁的空間。”在空間零磁環境科學實驗樓，空間磁環境模擬與研究系統負責人潘東華告訴記者，該實驗室是要在地面模擬一個低磁、零磁的環境。“目前我們所在的環境是5萬納特斯拉的地球磁場。未來我們要在實驗室把靜態磁場抑制到0.1至0.2納特，重點關注低磁環境下，材料、器件、航天器的變化，以及長期停留在空間站磁場對人體的影響。”

“高能射線在地面上感受不到，如果太空中高能射線打在航天器上，會影響航天器的性能。”加速器研究室主任劉劍利看上去就像是工地現場施工的工人，卻是學富五車的粒子物理學博士。他說，加速器系統主要模擬宇宙空間不同種類、不同能量的粒子和射線，為航天器材料、器件、生命體的研究、評價提供技術條件。目前與外協單位——中科院近代物理研究所在建的一套300MeV質子重離子加速器，是全國唯一一個此類航天器空間輻照研究專用的加速器，建成后，預計每年可提供4000小時的服務機時。

“國家需求就是我們科技攻關的方向”

2021年7月10日，“空間環境地面模擬裝置” 綜合環境模擬系統綜合輻照模擬試驗艙、月塵環境模擬試驗艙熱真空測試工作圓滿完成，在地面實現太陽系真空、低溫兩大類典型環境因素模擬。

“自2020年11月20日真空容器進場以來，在江北施工現場連續無休奮戰233日，克服了冬季施工、新冠疫情以及國際貿易摩擦等帶來的諸多困難與挑戰，與航天科技集團511研究所、中國原子能科學研究院、中科院長春光機所等外協單位攻克了多項關鍵技術，完成了四大類環境模擬設備集成安裝，為裝置國家驗收提供有力支撐。”李麗芳說：“青年人面臨科研方向選擇的時候，個人愛好能和國家需求聯系在一起會是非常幸運的，國家需求就是科技攻關的方向。”

談起為之傾注整個“青蔥”歲月的“大科學工程”，今年39歲的潘東華感慨不已。他說，是“大科學工程”幫助了自己成長，擴展知識和經驗，在克服困難和挫折中不斷收獲信心。

2011年，潘東華還在讀博士，得知需要磁環境技術，他表現出了極大的興趣。

“這是一個大膽且不按常理出牌的創新設計，也是當時空間環境與物質科學研究院在研發工作中面臨的最大難題，簡直是天方夜譚。”說起當初的情景，潘東華至今仍然激動不已。“從5萬納特到0.1納特這樣的跨度，這個指標非常難，但也是非常渴望的。”

如何實現0.1納特指標？如何測試獲得近零磁環境下軟磁材料磁特性數據？如何解決屏蔽結構中各類跨尺度磁阻（相差高達5個數量級）的計算方法？磁對航天器或生命體又會產生什么影響?

“在這期間，我們通過自己的努力，成功建立了跨尺度磁路的多層屏蔽結構的分析計算方法，形成了集成主體隔振的新型主被動耦合式磁屏蔽方案及設計方法，并在學校的支持下完成了樣機制造及實驗驗證，也是最關鍵的一步。”潘東華說，“面對這些問題，我們青年人應該出一份力，用自己所學盡最大努力攻克難題，承擔起‘回饋公眾，回饋社會，回饋國家’的責任。”

2011年12月，劉劍利博士剛回國，得知“空間環境地面模擬裝置”擬建設高能質子加速器，他表現出了極大的興趣。“大型加速器裝置是我們研究領域需要的基礎平臺，由于其規模龐大、技術復雜、建設周期長的原因，一輩子能有機會參加一個這樣的項目就是一種幸運！”他說。帶著這樣的幸運感，劉劍利博士投身到了“空間環境地面模擬裝置”的項目論證和建設中，從一個項目的新人變成了項目的老人。

說起工作中的艱辛，他說：“這個項目的重要性和發展潛力是一開始就知道的，但項目進行過程中的困難確實是沒有預料到的。高能射線粒子本身雖然尺度非常小，但卻需要規模龐大的裝置才能獲得，為了獲得想要的束流，需要成百上千個設備共同工作才能實現，需要多個學科專業的大量工程技術研究人員配合工作。加速器裝置一旦開機就24小時不停機運行，要求工程技術人員對自己的設備就像自己的孩子一樣清楚和關心，才能保證裝置的高效運行。為此，大家只能放棄節假日，從設備的設計，到加工、安裝、測試、調試每一個環節去不斷熟悉。”提起人才的迫切需求，劉劍利博士深有感觸地說：“在我們這個項目上，為了引進一位人才，省委組織部都出面為我們解決了人才家屬的工作問題。”

在近五年的時間里，這支隊伍沒有雙休日，沒有節假日，技術廠房、測試大廳和總裝大廳在深夜仍然燈火通明，工作24小時緊鑼密鼓地進行。他們沒有一天放松警惕，沒有一天放松標準。

“疫情期間，整個松北區只有我們一個工地在施工，上百噸重的設備全部需要在現場安裝，是個艱難的工程。”33歲的李云龍主要負責協調大科學工程建設中的設備安全保障工作。設備進場那天，哈爾濱暴雪，他帶領團隊在零下30多攝氏度的極寒天氣中，徒手搬運設備三個小時。

“圖什么？曾經有人問過我同樣的問題。我說，我在做一件值得一輩子驕傲的事，以后我也可以跟我的孩子說，這個世界上頂尖的科學工程是爸爸建的。我也能為國家的重大工程貢獻自己的一份力量。”面對記者的提問，性格外向的李云龍濕了眼眶。

在地球上模擬太空環境的想法，起初，并不是所有專家都看好。選址、論證、立項、建設，哪一步都不易。

技術和工程上的巨大難度，沒有可復制的經驗，哈工大人秉承“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的“載人航天精神”，克服了各種難以想象的艱難險阻。

7月1日那天，范立國臨時接到任務，他負責的冷卻水系統要配合綜合環境模擬系統做熱真空測試。然而在模擬運行當中，他通過末端濾芯觀察到循環水中存在焊渣雜質。“這種水質下是不能進行測試實驗的，焊渣會對精密設備產生嚴重影響。”

范立國突然調高了音量和語調，對記者說，“我一個人將大型精密過濾器拆開，對其罐體及濾芯進行清洗，每循環過濾兩個小時進行一次排水，就這樣，從7月2日早八點，我連續工作了整整36個小時，終于使水質達到了使用要求。”他用手抹了把眼淚，接著說：“那天經歷是我這輩子上過的最難忘的黨課了。作為一名共產黨員就應該沖在最前面，面對問題，帶頭解決問題。我將值班記錄及操作流程親自轉交給下一位值班同事后放心離開了。”

助力龍江打造國際航天科研學術中心

“航天夢是強國夢的重要組成部分。我們要全力建設好大科學工程，為‘航天大國’邁向‘航天強國’作出貢獻。”李立毅院長表示，依托我國正在建設的“天宮”空間站和“空間環境地面模擬裝置”，努力打造空間在軌實驗、地面模擬實驗，以及計算機數值模擬三位一體的天地一體化國家空間環境與物質作用研究體系。

大科學工程是面向國內外開放共享的用戶設施，其科學價值需要大量的用戶群來成就。“國內外的科學家們，已經迫不及待地要來開展空間科學實驗了。” 哈工大空間環境與物質科學研究院副院長鄂鵬興奮地向記者透露一組數據，目前已有國內外110余家高校和科研院所與“大科學工程”簽署了用戶協議，并已開展實驗計劃討論與合作交流。另外，大科學工程建設的溢出效應也非常明顯，一方面圍繞空間環境模擬的許多關鍵技術在建設需求牽引下得到了突破，累計已申請國際和國內發明專利120余項，另一方面其作為空間科學研究大平臺的科學價值和效能逐漸加強，較好地支撐了哈工大近期在空間光電材料、航天器服役評價等方面的亮點研究工作。

李立毅院長說，大科學工程的建設對于哈工大、黑龍江省和中國的航天事業發展都會產生深遠的影響，意義重大。在建設過程中，大科學工程得到了省、市、區政府在建設用地、電力配套等方面的大力支持，并將其列為省百大項目，省、市、區各級領導多次到工程現場調研，協調解決建設過程中的實際困難。項目建成后，可優化和平衡我國重大科技基礎設施的區域布局，提升東北地區的基礎科技實力和影響力，使黑龍江成為國際航天科技和空間科學的學術中心之一。

他認為，“上海光源”“天眼“等大科學工程建成后，都已成為當地地標性工程，對當地的經濟社會建設和文化發展產生積極影響。大科學工程不僅可以提升龍江的國際知名度，帶動科技交流，還可以集人氣、聚人才、凝人心，增強龍江人的自豪感、促進產業發展。

未來，哈工大將抓住新時期的發展機遇，努力提升育人水平與科研能力，并以國家大科學工程建設為契機，全面提升學校服務國家科技自立自強的能力。（記者 趙一諾 丁燕 文/攝）