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丁晓纪:勇挑重担,为我国航天事业默默奉献
发表时间 2017-07-24 17:36 来源 本站原创
  编辑              田梦



北京卢沟桥抗日战争纪念馆,丁晓纪在抗战英烈刘震东将军的祭奠文字前,祭奠外公
  编者按:丁晓纪,北京师范大学高级工程师,系抗日爱国将领刘震东烈士外孙。多年来在外祖父的爱国情怀的感召和激励下,矢志不渝地从事航天领域研究,本文系其为航天事业奋斗的历程和成就综述。   近年来,我国航天事业突飞猛进,取得了许多举世瞩目的、具有国际先进水平的伟大成就:长征系列运载火箭多次成功发射,神州系列飞船先后升空,天宫一号、天宫二号等空间实验室成功进入预定轨道……   “宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。”卓越成就的取得离不开相关领域的技术创新,更离不开背后默默奉献的“幕后英雄”,北京师范大学核科学与技术学院(原低能核物理研究所)丁晓纪就是其中的一员,数十年来,他为了我国的航天事业筚路蓝缕,积极开拓创新,所研发的多种离子混合注入技术在我国航天领域中得到了重要的应用,为解决困扰我国航天事业多年的难题做出了突出的贡献。   刻苦攻关,终获大成   在全球范围来看,中国航天事业的成就仅位居美国、俄国之后。而卓越成就的取得,绝非一朝一夕之功。1975年11月26日,对于中国的航天人来说,是一个难以忘怀的日子。就是在这一天,我国第一颗返回式遥感卫星在酒泉卫星发射中心用“长征”二号运载火箭顺利发射升空,准确进入预定轨道。卫星在太空飞行47圈,回收舱于11月29日按地面遥控站发出的返回调姿遥控指令,安全降落于贵州六枝地区并回收成功,使中国成为了世界上第三个掌握卫星回收技术的国家。   时过境迁,2016年9月15日,中秋月圆之夜,我国自己的空间实验室“天宫二号”发射圆满成功,空间站的建立是我国继载人飞船后航天事业取得的重大进展,而载人飞船的前身就是返回式卫星。返回式卫星是指在轨道上完成任务后,有部分结构会返回地面的人造卫星。返回式卫星最基本的用途是照相侦察。比起航空照片,卫星照片的视野更广阔、效率更高。早期由于技术所限,必需利用底片才能拍摄高清晰度的照片,因此必需让卫星带同底片或用回收筒将底片送回地面进行冲洒和分析。各个航天大国都曾利用返回式卫星作军事侦察及国土普查用途。今天由于可从卫星上直接传送影像数据到地面,返回式卫星的功能已演变为进行需要回收实验品的空间试验室。   中国第一颗返回式卫星发射成功创造了首次发射返回式卫星即回收成功的奇迹,相比之下,苏联是秘而不宣地发射了数颗卫星后才掌握了回收技术,而美国则是在发射第13颗卫星时才掌握了该技术。事实上,返回式卫星发射成功是继我国首颗卫星“东方红一号”后中国航天史上第二个里程碑,对后来成功开展载人航天计划意义重大。这件写进了小学教科书的成就可以说广为人知,然而,很多人不知道的是,我国最初的返回式卫星“尖兵”设计寿命在轨运行十五天,但却在轨运行只有3~8天即不得不返回,而卫星上的遥感资料资源还没有使用完,原因是由于遥感卫星上关键的转动部件黏着磨损——冷焊,不仅能源消耗过多,使星上能源分配紧张,还会使转动部件咬死不能工作,遥感卫星运行的后几天,由于能源不足,遥感资料控制不到位,感光材料曝光后不清晰,没有达到卫星设计质量要求。   所谓“冷焊”,是指卫星在被火箭发送到太空过程中,由于起飞和飞行过程中的剧烈振动,卫星上的运动耦合部件在这种条件下会产生摩擦磨损,又由于太空空气稀薄,卫星上的运动耦合部件之间的接触面由剧烈振动产生的摩擦磨损,会磨去接触面原有的氧化层,暴露出金属原子界面,运动耦合部件的两独立体接触面之间,金属原子会相互渗透,产生粘连,压力越太,相互渗透越严重,产生粘着力越强,粘着磨损越严重,会造成运动耦合部件运动阻力加大,甚至抱死不能运动,即产生“冷焊”现象。在地面上为了解决粘着磨损,采用各式各样的润滑油、润滑脂,那么卫星上能不能用油脂润滑呢?答案是不能。因为卫星朝向太阳一面温度达200摄氏度以上,润滑油要气化,油蒸汽造成污染,影响卫星遥感器工作质量;而卫星背阳面或进入地球阴影时段温度达零下180摄氏度以下,润滑油要凝固丧失润滑作用。   为了解决“冷焊”这一问题,航天部门委托过多家研究机构攻关,北京师范大学低能核物理研究所是其中之一。为此,丁晓纪深感责无旁贷,他勇挑重担,积极开展创新研究。当时研究经费很少,科研人员收入很低,但北师大团队克服重重困难,坚持做科学研究,创造条件做各种科学试验。经过两年多的刻苦攻关,在经过无数次失败之后,他们终于探索到采用多种离子混合注入能使运动耦合部件产生良好的减摩自润滑效果。多种离子混合注入是一种无油减摩自润滑技术,该技术应用MEWVVA源离子注入机(上世纪80年代中期,美国伯壳利实验室布朗博士发明,只引出单一元素束流离子注入机),创新设计引出混合离子束流,注入到材料表面的方法。该混合离子注入,用一种或多种金属元素与非金属元素同时电离、加速成混合离子束流对卫星运动耦合件进行离子注入处理。混合离子注入可在耦合件磨擦磨面形成纳米结构陶瓷注入层。该技术具有降低耦合件摩擦系数、耐磨损、抗冷焊、有一定的无油自润滑性能、延长部件的使用寿命等特点。   用多种离子混合注入方法处理卫星运动耦合部件后,地面试验得到很好的技术指标。在1992年8月发射的“尖兵一号乙”卫星上应用了多种离子混合注入处理的运动耦合部件,卫星首次完成原设计15天的工作内容,为了选择良好着陆点,调整卫星姿态又在太空多运行一天,共计16天。经多种离子混合注入处理的耦合部件运转良好,解决了粘着磨损、冷焊现象以及工作不稳定、消耗电能大等问题,为卫星圆满完成任务提供了重要保障。   自1975年11月我国成功发射、回收第一颗返回式卫星“尖兵”时起,直到1992年十多年的时间里,我国发射的十多颗返回式卫星在轨工作寿命均在3~8天,没有达到原设计寿命。这个困扰我国航天事业多年的难题,终于在众多研究人员的共同努力下得到了完美的解决。1992年9月5日,《人民日报》发表题为“我发射返回式卫星意义重大各项科学实验取得可喜成果”的文章报道,指出:“发展卫星返回技术将为载人航天技术打下基础。因此,返回式卫星在世界各类航天器中占有重要地位”。航天工业总公司第五研究院为北京师范大学低能核物理研究所出具证明:“采用离子注入工艺后,由于能耗的降低,同时也由于采用了其它一系列的科研成果,1992年8月发射的卫星,卫星在轨工作寿命由以往的3至8天延长到16天。从而获得更多的、所需要的科学实验数据。卫里带回的资抖质量很好,清晰度达到设计要求。对现已发射成功的两颗卫星测试表明:离于注入技术的应用,对降低遥感器的能耗,提高工作可靠性,延长卫星在轨工作寿命有着显著的作用,从而产生巨大的经济效益”。丁晓纪也凭此成果和申请的发明专利荣获了第六届“发明创业奖”。   正是因为我国在返回式卫星事业中积累了丰富的成功经验,并首次按原设计圆满完成返回式卫星在轨运行任务,1992年9月21日,党中央召开会议,中国政府批准载人航天工程正式上马,并命名为“921工程”,开启了我国载人航天事业的新局面。921工程堪称是我国在20世纪末期至21世纪初期规模最庞大、技术最复杂的航天工程,   申请专利,应用广泛   为了保密的需要,到了2005年,这项技术才得以《多种离子混合注入技术自润滑轴承》申请了国家发明专利,并获得批准。这是一项在跟踪国际先进技术基础上创新、有自主知识产权的科学技术。据介绍,多种离子混合注入减摩自润滑轴承,属材料科学与机械工程领域,它开创了一种用MEVVA源离子注入机,引出混合离子束流,注入到金属材料表面的方法。该混合离子注入用一种或多种金属元素与非金属元素同时电离、加速成混合离子束流,对轴承环内表面进行离子注入处理。混合离子注入可在轴承环内表面形成纳米级陶瓷注入层。混合离子束流金属离子选自Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Ta、W、Co、Ni、Mn、Y、Ag、Sn、Zn、Sc一种或多种元素;非金属离子选自B、C、N、O、S一种或多种元素。轴承经过上述多种离子束混合注入后不改变其外形尺寸及表面精度;同时具有降低轴承摩擦系数、节约能源、抗腐蚀、耐磨损,延长轴承使用寿命之特点。   多种离子混合注入技术有很好的应用前景,市场前景广泛。当前世界能源面临新的挑战,不断推动航天技术在节能减排领域的研究应用,大力开发环保型新材料和新产品,服务国民经济向节约和低碳方向发展,不仅是我国也是世界各国努力和奋斗的目标。多种离子混合注入减摩自润滑轴承技求将在各种机械节能减排方面找到用武之地,为国家的节能减排再立新功。   “我们的征途是星辰大海!”如今的中国航天人正在实践着这句响彻寰宇的格言,于此同时,我们也不能忘记这伟大征程背后如丁晓纪这样的默默奉献的人们。有人说,在过去的数百年里,由于错误的闭关锁国政策,我们这个民族错过了海洋,所以在过去的一百年里备受欺凌;未来,我们不能再错过太空。唯有如此,中华民族伟大复兴的“中国梦”才能得以实现,而良好的反馈和回报机制,才是一切事业得以做大做强的前提条件。在这个影视明星动辄收入千万乃至上亿的浮躁年代,我们需要设计更好的制度,去真正支持那些为了我们这个民族崛起所默默奉献的人们。
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