石英玻璃护航宇航员“太空会师”

黄增强

2022年11月29日23时08分，搭载神舟十五号载人飞船的长征二号F遥十五运载火箭在酒泉卫星发射中心点火成功发射，有“玻璃王”之称的耐辐照石英玻璃又一次为费俊龙、邓清明和张陆三位航天员护航，让他们与神舟十四号航天员乘组实现“太空会师”。

什么是耐辐照石英玻璃？它有哪些特性？耐辐照石英玻璃是一种二氧化硅单一组分的特种工业技术玻璃，由各种纯净的天然石英（如水晶、石英砂等）熔化制成。耐辐照石英玻璃的特性主要体现在五个方面：一是有较好的抗热震性和耐高温性，其软化点温度为

1 730℃，可以在1 100℃环境下长时间使用；二是有良好的透光率，它在紫外线和红外线的整个光谱带中都有很好的透光率；三是電绝缘性能优良，它的电阻值相当于普通玻璃的1万倍；四是热稳定性好，它的热膨胀系数很小，能够承受巨大的温度变化，把它加热到1 100℃左右，再放入常温水中，它也不会炸裂；五是耐酸性强，它具有良好的耐腐蚀性，几乎不与其他酸性类物质发生化学反应。

耐辐照石英玻璃具有其他材料不能替代的一系列性能，用途广泛。耐辐照石英玻璃具有优秀的耐高温功能，不但能用来制作冶金、化工等工业设备，而且广泛运用于核工业和航空航天领域，如火箭、飞船的观察窗和保温外壳。耐辐照石英玻璃耐高温且透光率高，被广泛运用于国防军工和新式电光源等高科技领域。耐辐照石英玻璃具有极佳的光谱特性，不仅能够透过可见光，还能够透过红外线、紫外线，因而被广泛运用于微电子设备和天文设备中，光导纤维便是用耐辐照石英玻璃制成的。即使在高温下，耐辐照石英玻璃也有很稳定的化学特性，被广泛运用于化工、制药等工业中。

耐辐照石英玻璃与普通玻璃有什么区别？它为什么被称为 “玻璃王”？耐辐照石英玻璃与普通玻璃的区别有很多，主要区别是组成成分不同、透光性不同、颜色不同、耐热性不同、硬度不同、耐磨性不同、耐酸性不同。由于具有优良的耐高温性、低膨胀系数、极佳的光谱特性、良好的耐酸性和电绝缘性能，耐辐照石英玻璃因此被称为“玻璃王”。

我国对耐辐照石英玻璃的研究起步较晚。1956年，为找到制作“两弹一星”所需的新型高性能材料，我国才开始研究耐辐照石英玻璃。在没有任何技术基础和专用设备的情况下，中国建筑材料科学研究总院迎难而上，于1957年成功研制出我国第一块不透明石英玻璃。同年8月，中国建筑材料科学研究总院又研制出我国第一支不透明石英玻璃管。1958年，在不透明石英玻璃的试制基础上，中国建筑材料科学研究总院研制出我国第一块透明石英玻璃。

1987年，为了满足深空探测所需，助力航天器遨游宇宙，迈向深空，中国建筑材料科学研究总院工程院院士顾真安及其团队接下了一个项目——研究一款经宇宙射线辐照后不变黑并能过滤紫外线的特殊石英玻璃。在宇宙射线辐照下，这种耐辐照石英玻璃不会变黑，依旧透明纯净，而且能为航天器透过重要的光信号，让航天器靠光信号的变化来调整运行姿态。耐辐照石英玻璃就像航天器的眼睛，确保航天器在茫茫宇宙中不会迷失方向。顾真安团队攻坚克难，于1993年研制出耐辐照石英玻璃。

耐辐照石英玻璃是如何运用在系列卫星及飞船上的呢？耐辐照石英玻璃是重要的太空窗口材料，太空飞行器是以太阳为坐标进行定位的。每个飞行周期内，光线都要通过透明的传感器窗口传递给姿态控制传感器，进行姿态调控。因为在太空中有大量的高能射线，在它的照射下，普通玻璃会产生空穴电子，形成“色心”，吸收可见太阳光，导致姿态控制传感器失灵，太空飞行器失去方向感。而耐辐照石英玻璃具有很好的“抵御”高能射线的能力，还可以过滤紫外线，保护内部传感器正常运行。同时，耐辐照石英玻璃还被用作“神舟飞船”的舷窗窗口材料。不论何种太空飞行器，都有六个朝前的可视窗口，每个窗口都由三层独立的玻璃组合而成。最里层和最外层玻璃均由透明的耐辐照石英玻璃制成，中间是铝硅酸盐玻璃。最外层玻璃用于抵抗与大气层摩擦而产生的高温，厚度在15毫米左右；中间层的铝硅酸盐玻璃非常坚韧，可以承受高压，厚度在33毫米左右；最里层玻璃是红外反射层，可以透过可见光，增强视觉效果。

近二十年来，中国建筑材料科学研究总院自主研制的耐辐照石英玻璃，由于物理、化学性能优良，多批次应用到我国“嫦娥”“北斗”“神舟飞船”等通信、资源、科研等卫星及其他航天器上。2020年6月23日，我国发射的第55颗北斗导航卫星实现了北斗系统全球组网。2020年12月17日凌晨，嫦娥五号在月球“挖土”成功返回。2022年11月29日23时08分，神舟十五号载人飞船成功发射后，于2022年11月30日5时42分，成功自主对接。3名航天员顺利进驻中国空间站，与神舟十四号航天员乘组首次实现“太空会师”。这是中国航空航天发展历史的重要里程碑，是中华民族坚强不息、锐意创新、踔厉奋发的精神写照。

耐辐照石英玻璃一次次飞向太空，助力我国遥感卫星、载人航天、探月探火等重大工程，为我国航天员“太空会师”立下汗马功劳。它就像透明纯净的眼睛，见证着我国从航天大国逐渐迈向航天强国。