从云端，到星际探秘诞生在浙大的航空航天科技成果

　　从梦想飞行到翱翔云端，从仰望星空到登陆星球，过去的一个多世纪见证了人类的航空航天技术迅猛发展，数千年的飞天神话成为现实。
　　近日，一份汇集70多位科学家和行业领袖见解的研究报告引起科学界和市场关注。报告展望2050年，描绘了一幅包含飞行出租车、无人机快递、洲际超音速商务旅行等元素的创新蓝图，认为航空航天领域的创新将在未来30年里重塑世界。
　　这并非虚言。1903年，人类第一次飞上蓝天；1969年，我们已经踏上月球。这是何其伟大的科技创举。我们迈向空天的每一步，都是丰富智慧和工业伟力的结晶。始终不变的勇气和情怀，激励我们以更成熟的技术和更坚定的信念，一次次起飞。
　　实际上，在我们身边就有不少科学家投身这一激动人心的事业。近日，记者来到我省科技创新的领头羊和主力军单位——浙江大学，采访了多位专家。他们的专长各不相同，但多年钻研取得的成果，都在帮助我们以更先进的姿态离开地面，离开地球，拥抱前所未见的奇景。
　　发动机材料
　　探秘＂不被破坏的金属＂
　　飞机的发动机对一次飞行的关键作用，几乎是不言而喻的。哪怕第一回坐飞机的乘客，都会从直觉出发去关心发动机的状态。
　　航空发动机是如此重要，其技术又是如此精深，被称为一国工业皇冠上的明珠。比如，罗尔斯罗伊斯公司研制的航空发动机就是英国的骄傲，其用于波音787的遄达发动机在起飞时承受的负荷，相当于发动机每个叶片末段悬挂9辆伦敦巴士。
　　研发一款高性能航空发动机需要的技术积累和投入很多，极为关键的一项就是制备发动机叶片的材料——高温合金。航空发动机的叶片高速转动，在飞机起飞和降落时其服役温度至少在1300摄氏度以上，同时材料还会受到应力的影响，几乎没有材料能完全胜任这样苛刻的工作条件。而高温合金则被称为＂不被破坏的金属材料＂。
　　浙大张泽院士领导的团队近期在这一领域取得重要进展。科研人员发现，在高温合金中的关键位置添加一种极为稀缺的贵金属＂铼＂，能让材料不易断裂，在更高温度下保护飞机发动机的安全。
　　航空发动机断裂往往是由裂纹造成的，如何防止裂纹发生、裂纹发生后如何阻止它快速生长，就成了决定材料强度的关键一环。
　　＂材料的薄弱环节在两相界面。＂
　　浙大材料学院科研人员介绍，就像河流结冰后，冰与水就会有一个两相界面，一边是固态一边是液体，这个界面是极不稳定的。金属材料的两相界面两边都是固态，但由不同成分或是由不同结构组成。高温合金的两相界面中会形成致密的界面位错网。
　　通过特定的热处理，科研人员把铼放置在界面位错网的核心位置。就如同日常生活中的砖块墙，铼元素分布在＂砖块＂与＂水泥＂之间的界面位错网上，可以让＂砖块＂间的＂水泥＂变得非常稳固，使材料中的裂纹不易贯穿。＂当力的作用不断加大，含有铼的高温合金也会出现裂纹，但裂纹生长在单相中呈现锯齿形，延缓了快速开裂。＂科研人员说。
　　研究人员表示，这可能不是个时髦的研究，却有着重大的战略意义。对高温合金特别是铼的深刻认识，有望帮助我们研制出性能更优、寿命更长的航空发动机。
　　太空生物实验
　　帮助宇航员应对骨质疏松
　　许多人可能想象不到身处太空的宇航员们面临的一个严峻问题——骨质疏松。
　　正常人的骨质处在一种动态平衡中，每天骨质流失和生成的量大致相当。而宇航员在太空微重力的环境中，骨质流失加剧。孕妇是另一个容易发生骨质流失的人群。研究发现，宇航员在太空中一个月遭受的骨质流失，相当于孕妇10个月骨质流失的量。
　　浙江大学生命科学学院王金福教授的团队近年来一直致力于研究宇航员＂腿软＂的难题。他设计的生物实验已经多次飞上太空，带回宝贵的实验数据，开启了全新的认知。
　　＂我们的研究表明，微重力环境不仅加剧骨质流失，还影响干细胞分化为骨细胞的能力，即宇航员的骨质生成也被太空环境削弱了。＂王金福说。
　　2016年以来，浙大团队先后在＂实践十号＂科学卫星和＂天舟一号＂货运飞船中进行了两次太空实验。最新的实验项目则有望成为我国载人空间站的首批实验项目之一。
　　在太空中开展干细胞实验并不容易。为完成＂实践十号＂卫星上的实验，王金福团队和中科院相关科研工程团队一起工作了3年，就是为了研制出一个微波炉大小、15千克重的匣子，里面装着骨髓间充质干细胞、特殊材料制成的支架、盛满培养液的瓶瓶罐罐和密集的管道与线路。
　　＂与在地面上做实验的感觉完全不同。＂王金福感慨地说，要充分考虑到各种细节。
　　比如，实验完毕，卫星返回前，细胞必须低温保存。在实验室里，细胞保存适用于4摄氏度这一标准，任何一个冰箱都能做到。＂但是，在卫星上这成了一件奢侈的事情。为了降低能耗，工程团队希望能够把温度提高一点，比如提高到8摄氏度。＂在8摄氏度保存可行吗？王金福团队此前从未考虑过这个问题，而现在他们必须作出回答。于是科研团队又专门就此做了一系列实验。
　　＂实践十号＂卫星发射升空前两天，早已驻守在发射中心的浙大科研人员把实验用细胞从液氮中取出，经解冻、培养，发射前数小时在装置里安装完毕，送上卫星。卫星成功进入轨道后，王金福收到来自北京观测中心令人激动的消息：装置已经启动，第一批诱导培养液开始注入，数据源源不断地发送回来。＂实践十号＂卫星返回舱成功回收后，王金福和学生们又在内蒙古接回实验装置，连夜运回杭州，在实验室埋头分析。
　　在我国自主研制的首艘货运飞船＂天舟一号＂上，浙大团队又开展了进一步实验。飞船上搭载的生物反应器能够自动拍摄太空微重力环境下细胞内部结构，并传回地球。科研人员取得一系列关键发现。
　　通过两次实验，浙大团队已经描绘出一个明确的细胞信号通路，阐释微重力如何环环作用，最终导致骨质生成减少。但这两次太空实验因为缺少人的在场，条件不同程度受限。＂实践十号＂卫星实验，实验人员在地面上只能得到太空中传回的一些数据，只有等卫星返回地球后才能看到细胞的样子。在＂天舟一号＂上的实验则恰恰相反，他们看到了细胞在太空中的照片，但＂天舟一号＂完成任务后离轨陨落烧毁，意味着实验细胞无法回收。
　　相比之下，空间站优势明显，供科学家们施展身手的条件宽裕多了。常驻空间站的宇航员将全程＂呵护＂实验细胞，随时完成必要的实验操作。太空阶段完成后，实验细胞可搭乘往返空间站和地球的飞船回到地面，供实验室做深入研究。王金福说，空间站实验将深化人们对微重力引发骨质疏松的认识，并为未来研发靶向药物、最终解决这个长年困扰宇航员的难题打下基础。
　　高性能无人机
　　面向未来的智能飞行
　　发展到今天，飞机已经从莱特兄弟那台靠着螺旋桨驱动的简易机器，变身为集成了一系列尖端科技的庞然大物。在装备了越来越多的智能系统和设备后，如今的飞机已经有了自己的＂大脑＂。
　　在我们纷纷谈论无人驾驶对道路安全的影响时，一个类似的畅想是：智能飞行的未来是怎样的图景，将来搭载我们飞越大洋的会是一架无人机吗？
　　对此，浙大航空航天学院常务副院长邵雪明教授说：＂无人机发展的速度极快，超过我们的想象。如果说今天的无人机还处在‘大哥大’的阶段，10年之后，它很有可能达到甚至超过‘智能手机’的阶段。＂
　　邵雪明教授带领的团队近年来致力于高性能无人机前沿技术研究和系统研发。＂3架甚至6架无人机，在不同时间发射升空，以超过700公里的时速高速飞行，依靠智能化协同‘大脑’，它们完全自主地完成集合、编队、队形变换和返航……＂邵雪明带领的团队已在智能无人机集群研究方向迈出了坚实的一步。
　　无人机的未来将会是一台会思考的空中机器人。＂在民用领域，无人机也已经被应用于农业植保、电力巡线等多种领域，正在快速地改变很多行业的生产作业方式。随着智能化技术的不断发展，我们可以想见，未来的农业植保将会是多架无人机自主规划最优路径，协同完成大面积农田的喷药任务。无人机还可以携带各种智能化传感器，自主判断下方这片农田应该洒什么药、洒多少药。＂邵雪明说，＂因此，无人机必然是未来精准农业中重要的装备之一。＂
　　当前，包括我国在内的多国科学家也正在研发以太阳能为动力的无人机，可在空中不间断飞行数昼夜，未来为你提供WiFi信号的可能就是一架太阳能无人机。而在高楼鳞次栉比的大都市中，一架自主规划路线、熟练避开障碍的无人机，不仅能送快递，载人也未尝不可。也许在不远的将来，停在你门口的会是一架等候你＂上机＂的＂空中的士＂。
　　当然，这些畅想成真的前提，是无人机可靠性和智能化的不断加强，还需要多领域前沿技术的持续创新和突破。邵雪明说，浙大成立的无人机科技联盟，就汇集了航空航天、计算机、信息与电子工程、控制等多个学科的创新力量。一个更加智能的未来飞行远景，值得期待。
　　皮卫星
　　牵手组队去太空
　　浙大微小卫星中心有个传统，每年要为几个在＂天上＂的小伙伴庆祝生日——距离地球640公里和525公里的两个轨道上，目前共有4颗浙大自主研发的皮卫星正在工作。两颗＂皮星一号A＂卫星已进入太空工作近9年，两颗＂皮星二号＂卫星入轨服务近4年。
　　皮卫星是什么？相对于重达几百公斤到几吨的大卫星，皮卫星是指质量为公斤级的微小卫星。皮卫星有许多独特优势：成本低廉，研制生产和发射周期短，功能密度与技术性能高，应急反应快、灵活性强。中国发射的首颗皮卫星就在浙大诞生。
　　浙大微小卫星中心主任、航空航天学院副院长金仲和教授介绍，目前在轨的皮卫星中，＂皮星一号A＂是边长15厘米的立方体，重3.5公斤，外身披着36片太阳能电池，其中对地面的一角安装了一个浙大自主研制的360度视场全景相机，用于成像实验。它们是一对孪生星，每96分钟绕地球一圈，每天与西安卫星测控中心有一次通信联系，传回轨道定位、健康数据、拍摄的图像等信息。
　　＂皮星二号＂则是中国首例承担重大试验任务的应用型皮纳卫星，重20公斤，包含了约10公斤的任务载荷质量：其中5.6公斤的任务载荷是一把高级碳纤维＂伞＂，展开直径有1.6米。这把＂伞＂包含有多项堪称国际首创的关键技术。经＂皮星二号＂验证，伞状天线结构被证明可用于皮卫星和纳卫星中，能在通信、地震监测、行星际探测以及新技术的演示验证等多个领域发挥更大的作用。
　　研发皮卫星，相当于给大卫星＂减肥＂，要克服很多困难。在金仲和团队最初着手研发时，卫星上一个用于对地通讯的测控应答机的重量就有10多公斤。通过多年努力，历经上千次的实验，团队最后完成的应答机的质量仅有56克。
　　皮卫星一直是航天领域研究的热点之一，在通信、遥感、探测等领域有着广泛的应用场景。在不远的未来，借助人工智能技术，皮卫星还将具有自主决策、数据处理和协同配合任务的能力。
　　位于海洋、森林、沙漠中传感器采集的数据，现在往往需要通过飞机飞跃、航船打捞、地面电缆等方式才能来到我们手中，不仅成本巨大，而且很多地方人力无法企及。而通过皮卫星组网，就可以通过物联网和遥感技术，达到实时数据采集。
　　物联网和遥感并不是新的名词，然而由于大卫星成本高，没有形成卫星编组，很多时候对一个地区的观测常常是半年一次。而物联网皮卫星和遥感皮卫星的出现，让一次发射就可以有一批皮卫星布局，多批次发射后就可以全球布网。专家表示，未来高速公路上的车流、进出港口的船只、海洋中的赤潮等都可以通过遍布全球的皮卫星开展实时监测。
　　资料来源：浙江日报
　　编辑：项逸妮 校对：柳扬 施洋洋