电影幕后纪录片 谁知道一些航天工业幕后的故事,有没有相关的纪录片?

航天工程是动辄牵动上万人的庞大工程。很多时候我们的关注点都在极少数的航天员或者科学家身上,不过这些航天员能活着上去、活着回来,那些科学卫星、空间探测器能顺利完成任务,着实有赖于整个大工程背后每一个部门、每一个人、每一道环节的一丝不苟。


感谢 推荐的《》,看完突然意识到,“焊接”这个我们平时有点看不上的“蓝领”工种,其实是航天工程中非常关键的基础工种,而且很多时候直接影响到整个航天任务的成败。


航天器是由多种材料组成的,包括高强度、低密度的铝合金和钛合金,高强度的钢,耐高温的镍合金、钴合金,以及玻璃、碳纤维复合材料,等等。这些性质不同的材料往往需要牢固的结合起来,包括金属对金属,也包括金属对非金属。焊接就是其中非常重要的一种结合技术。(Chaturvedi 2012, Welding andJoining of Aerospace Materials)


当然,焊接在任何一个工业制造业门类中都据有一席之地,但其在航天活动中的重要性尤甚:航天器在发射和运行过程中会经历剧烈的温度变化、强烈的震动,如果焊接有瑕疵,随时可能造成解体、爆炸等灾难性后果;而且航天器构造复杂,焊接流程瑕疵往往会影响到其他部件的健康,牵一发而动全身。



历史上,各航天大国都为焊接相关原因导致的航天事故而付出了不少代价。


行波管放大器的一处焊接坏点被认为是1971年水手号火星探测器下行信号功率损失0.5 dB的原因。(来自“NASA教训”网站,,以下4段同)


1991年,约翰逊航天中心在调查某液氢贮藏系统温度传感器失效问题时,认为少了一个传感器数据问题不大;然而他们忘了考察这对整个系统的影响——由于焊接点断裂而脱落的温度传感器进入了液氢贮藏系统,造成了灾难性的后果。(NASA未言明是何任务)


1995年,火星环球勘测者号(MGS)的主发动机在地面进行测试时,由于发动机喷口和燃烧室之间焊接点的异常(焊料过度侵入),破坏了原有的热设计,导致点火测试后几秒内,测试发动机爆炸,卒。


火星科学实验室(“好奇号”火星车)在开发将近结束时,发现推进剂管线的一批使用了惯性摩擦焊接技术的钢-钛转换管在焊接点出现异常,被迫更换全部组件——由于已经进入很晚的开发阶段,这次更换产生了非常昂贵的成本。旅行者号也出现过测试过程中发现焊接点断裂导致任务进度受影响的情况。


在伽利略木星探测器推进剂管线总装工序的一次电弧焊(见后文)中,一道电弧意外跳到了预定焊点之外的管线表面,引起一阵电流脉冲流遍整个飞船及其电子元件。虽然经过检查,这次意外并没有给飞船其他子系统带来实际的损害,但也提醒了飞船的设计者:飞船内结构复杂、局促,焊接容易出现意外,而电弧焊操作不当引发的漏电可能对未施以防护的脆弱电子元件造成损害,不可不防。


中国航天同样有焊接失败造成的苦涩记忆。据公开资料显示(),负责长征火箭推进器贮箱焊接的航天211厂5车间5组,曾经在2005年一起质量事故(推测为爆炸事故)后,把事故产生的贮箱残片装裱悬墙,以示警醒。


而如果把“焊接”从狭义的金属焊接,稍微拓展到电子元件焊接,则我们更有过血的教训:1996年,中国长征三号乙型火箭首飞失败,造成重大地面人员伤亡;据网友菊香书屋表示,其原因是“主控一个线路板中的多余物体类似焊接锡丝残余没有清除,瞬间短路造成的”。


(长三乙事故)


回头说说焊接工艺的发展历史。

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传统上,焊接作为金属间的连接工艺,有漫长的历史。但一直到19世纪末之前,人类都只会一种焊接工艺:锻焊。也就是在熔点以下,让两块金属在白炽状态接触,然后反复锻打,使两块金属的接触面形成共晶,从而融合在一起。


近代以来,人们终于能制备并安全的存储氧气和乙炔,于是有了我们熟悉的气焊;随着发电能力的提升,利用电流焦耳热加热金属接触面的电阻焊、利用电流击穿空气形成的高温电弧作为热源的电弧焊,也都在一战前被发明出来。(Weman 2012, Welding Processes Handbook)


到20世纪中叶,电弧焊又有若干改进:1930年代,在弧焊的基础上又发展出“埋弧焊”——把电弧嵌埋在焊接熔融区域下方,隔绝了空气,焊接质量较好,此法至今仍在使用(wiki:)。二战期间,同样是为隔绝空气,使用惰性气体对焊接作业区域进行保护隔离的“钨极惰性气体保护焊”(TIG焊)也被发明出来。


(一手执焊料,一手执氩弧焊枪——视频中这个镜头似乎就是在做TIG焊)


TIG焊中,钨电极是不熔化的。二战后,出现了采用可融化的金属焊丝作为电极的“惰性/活性气体保护金属极电弧焊”(MIG焊/MAG焊)。因为电极本身融化后就充当了焊缝的填充金属,这两种方法不需要电极、焊丝两根棍子同时操作。区别是MIG采用惰性气体而MAG采用可以与金属反应的二氧化碳等活性气体。


1960年代,利用化学爆炸产生的高压将金属捏合在一起的、暴力的“爆炸焊”发明。

()


之后,使用电子束、激光等能量密度更高的热源的焊接技术也涌现出来。1992年,无需融化焊件、无需填充焊料且能耗较低的搅拌摩擦焊由英国人发明,被称作20世纪焊接领域最重大的发明。


(搅拌摩擦焊原理,Weman2012)


在整个20世纪,焊接这个工业制造的基础工艺,在持续的发生革新。现在焊接这门技艺,已经枝繁叶茂,远超常人以为“焊接是低技术工种”的想象。


(Weman 2012)


现在这些革新还在工程师和一线工匠的手中不断的发生着。这也使得中国航天人这个庞大的群体中,涌现出了一批以专精焊接闻名的工匠大师;仅见诸媒体者,有高凤林、陈树君、刘红光……以及前面提到的,曹玉玺。


2006年,受诺贝尔奖获得者丁肇中教授邀请,高凤林作为航天专家,参加了由世界16个国家参与的反物质探测器项目。研究院当时的反物质探测器项目技术负责人王毅这样说:AMS2 反物质探测器采用的是低温超导磁铁,国际上还有国内组织两批专家来进行技术攻关,提出的技术方案,都没能得到美国宇航局的评审通过。高凤林到现场看了设计方案、看了零部组件后,根据他丰富的实践经验和扎实的理论功底,第二天就提出了生产制造方案。这个方案马上得到了方方面面的、各方面一致认可。丁教授对这件事非常满意,丁教授专门打电话给研究院院长,对高凤林帮助解决了 AMS2 技术攻关表示感谢。


天宫一号的焊接,难就难在又薄又软,3米多的大壳子最薄处只有两毫米厚,焊缝还要经受住太空环境的考验。


“盲焊”,就意味着对这1毫米距离的把握不靠眼睛,而只靠手上的感觉、焊接声音的变化。



(另一名杰出的焊接技师高凤林,曾参与丁肇中的阿尔法磁谱仪的结构设计)


除了开发出天宫空间站铝合金外壳的焊接设备的陈树君是北工大教授,其他几位,都是基层的火箭发动机焊接技师。这样一份名单和他们的事迹提示我们,在工程加工工艺领域,不仅重大的方法和装备创新非常重要,一线工人“但手熟耳”的精湛手艺,和创造性运用既有方法的微创新,也都是国家工业制造能力的组成基石。德日制造业的品质长期被国人追捧,其成功的原因也被很多人归结为拥有高素质的技术工人队伍。这些中国航天焊接大师,似乎让我们看到了中国制造业的积淀和未来。



以上。

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