《东华大学报》
出版时间:2016-06-15
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用纺织智造托举“北斗”飞天梦

——记东华大学北斗导航卫星“星载天线金属网”陈南梁教授研究团队


作者:向娟




  在东华大学纺织学院产业用纺织品工程研究中心实验室里,有一把特别的伞,伞骨上铺了一层薄薄的黄色金属网,既不挡雨也不遮阳,但就是这不起眼的金属网在我国北斗导航卫星的成功发射中发挥了至关重要的作用,为柔性天线关键产品国产化进程确立了里程碑的作用,为国产金属网在轨顺利应用奠定了坚实的基础,开创了我国卫星采用自主研发金属网天线的历史。其学名叫“星载天线金属网”,参与研制它的正是曾成功助力“天宫一号”发射的东华大学纺织学院陈南梁教授团队。
  小网织出飞天高科技
北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统,与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略并称为全球四大卫星导航系统。目前,我国已成功发射23颗北斗导航卫星。这些卫星像一颗颗棋子,精准分布在地球不同轨道,为中国和全球其他国家用户提供高质量的通讯服务。星载天线金属网是卫星天线反射电磁波的关键部件和星载网状天线的基础材料。但长期以来,我国星载天线金属网主要靠进口,怎样才不受制于人,如何突破技术壁垒,真正实现国产化?从2008年开始,陈南梁教授团队与相关研究所携手,踏上了一条国家航天使命必达的攻关路。
  一张小小金属网怎么助力北斗飞天?这又与纺织有啥联系呢?其实,这一切源于陈教授团队一直坚守的四个字:纺织智造。以往星载天线大多为刚性或半固化反射面天线,采用的多是不锈钢、铝合金、玻璃钢复合材料等传统金属材质的涂层材料,重且不说还硬,不利于卫星天线在太空中收放自如,网状天线由于具有曲面成型精度高、性能稳定等特点。能够适应这种重量轻、结构稳定性好、展开可靠性高等要求的天线反射面主要采用金属网格织物,反复试验中,钼丝闯入了团队眼帘。该材料具有高强度、低热膨胀系数、不易断等特性,是用于制造空间可展开网状天线反射体的绝佳“物选”。但要把它做成金属网却不简单,既要强韧,受得住发射飞行外力“折腾”,还要柔软可编,易在太空中收纳展开。而要“刚柔并济”,就不得不提一提陈教授他们擅长的纺织经编技术。
  纺织通常是经纬线十字交叉,经纬纱线相互垂直交错,经编网织物有很多优点,经编中形成链状串套的线圈,形成了致密的结构,具有很高的结构稳定性和机械稳定性,防止线圈脱散。在生产网眼织物时,与其他生产技术相比,经编技术更实用。生产的网眼织物可以有不同的大小和形状,并且不需要经过任何特殊整理单靠自身结构,就能使织物形状稳定、性能牢固。经编金属网受到力的作用或波动时,在一定的范围内,网格结构密度可以随意变化,这样整个网面密度传递分布很快的均匀,不会影响网的整体结构性能,从而对各种射线的发射率也不会影响,这一点对于卫星天线反射面非常有价值。另外,与扁平的机织物结构相比,经编结构立体感更强,这一重要特点会产生更大的反射面,使得反射率更高。这对于在太空恶劣环境下“生存”的卫星来说是再好不过的了。经过长期不懈的科研攻关,陈教授团队采用极细金属丝合股及经编技术,实现了把只有头发丝四分之一细的极细钼丝纤维合股加捻的突破,还创新设计制造出专用的并线、整经和经编设备及全套生产工艺,最终助力北斗导航卫星天线金属网的成功制备。除“刚柔并济”外,该成果还顺利实现了卫星天线“大伞”重量由传统的数公斤/㎡降到100克/㎡以内,更便于携带和做大尺寸,从而有助更好实现卫星通讯传输。
  创新就是不断试错
航天使命,重任在肩。说起这几年与北斗卫星的“亲密接触”,陈教授和团队成员都说“痛并光荣着”。由于是“北斗定制款”,没有专门的生产工艺和设备,为此,陈教授带着团队骨干一头扎进全国四大经编基地之一的常州,与企业技术人员一同猫在厂房里,琢磨怎么创新生产方法,如何改造工艺设备。每次一待就是三四天,几乎天天都是凌晨2、3点睡觉。
  白手起家,谁都没有经验,技术创新、工艺创新谈何容易,很多时候团队都是摸着石头过河,用团队成员自己的话来说,“失败是再正常不过的事了”。记得有一次,国家航天局有关部门老总第二天就要来验收样品了。前一天,由于钼丝太细,肉眼很难察觉,挡车工操作时一个不小心把所有丝线都弄断了。这可急坏了陈教授他们。团队齐上阵,通宵赶工,一直到凌晨还没修复。验收就在眼前,要是无法如期出样,之前的努力将全都泡汤。大家急得像热锅上的蚂蚁,但所幸阵脚却未曾忙乱。“咬咬牙,或许下次就能成功”,想着这句平时陈教授对大家经常说的话,打样仍有条不紊地进行着。最终,功夫不负有心人,样品终于在验收开始前及时织了出来。验收老总临走时拿着样品,满意地说:“这下我们总算放心了。”自那以后,北斗这个“大单”算被陈教授他们真正“攻”了下来,团队为研发卫星天线金属网也正式开启了规模化生产的旅程。
  “创新是个‘苦差事’,对我们高校科技工作者来说,失败是创新路上再正常不过的事了,但创新本身就是个不断试错的过程。每次到了最难的关头,我们总对自己说,坚持一点再一点,或许下一次,就能成功”。如陈教授所言,或许正是这种敢于试错、坚忍不拔的拼劲,支撑着团队熬过无数个失败的日夜,最终迎来了今天的成功。
  咬定纺织智造不放松
其实,这早已不是东华大学“纺织智造”第一次在中国人的太空逐梦之旅中发力。以陈南梁教授团队为例,2011年,团队凭借半刚性玻璃纤维网格材料的研制为“天宫一号”上天编织出色的能源动力翅膀。而今,星载天线金属网又为推动卫星柔性天线关键产品的国产化发挥了里程碑的作用。据悉,团队目前正与国家航天局相关部门紧密合作,承担着“天宫二号”“天舟”系列货运飞船的相关科研生产任务。在东华大学这所新中国第一所纺织高等学府里,位居全国第一的纺织学科正在国家创新驱动的改革浪潮中悄然实现着转型升级的“华丽转身”。而这背后是一大批像陈教授这样咬定纺织智造不放松的东华人。
  从1984年上大学算起,陈教授已经跟纺织打了32年的交道,而今他不仅是教育部产业用纺织品工程研究中心的领头人,还是东华大学纺织学院的 “掌门人”。不忘初心,在专业上深耕细作,不拘一格,跳出纺织寻求协同突破,成为他执掌学院发展中与同事们达成的广泛共识。据不完全统计,目前东华大学纺织学院在研项目中有50%关乎航空航天、国防军工、生物医用等国家重大发展战略需求。研究中,纺织与物理、化学、新材料、生物医疗、信息、机械等学科交叉比率正在逐年提高。 陈教授表示,“纺织这个传统学科要在今天焕发新的活力,既需要我们解放思想,通过现代纺织、智能纺织、生物医用纺织等渠道主动对接国家重大需求,搭上创新发展的‘快车’,也要我们拓宽思路,破除单打独斗的想法,与其他学科协同合作,共生互荣”。

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