曾经的航天故障改写了工业史

纪方远

“伽利略号”在太空中曾遇到冷焊的麻烦

说起焊接，你第一时间想到的一定是火花四溅的场景，通过加温或加压破坏金属原先的原子键，冷却后再形成新的原子键，从而实现两种金属材料的连接，这是最常见的焊接方法。但是这种方法不仅比较危险，焊接过程中产生的辐射、烟尘对人体和环境很不友好，焊接后的材料还会出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，使材料寿命缩短。

长久以来，人们想了很多方法去克服这些缺陷，包括在焊接池中充入惰性气体、用聚焦的激光束作为热源轰击焊件等，但这些方法都无法避开所有的问题。直到近年来，一种新型焊接技术——摩擦焊的兴起才最终解决了以上问题，而这种技术的出现，也许要归功于航天历史中的一次故障。

多灾多难的“伽利略号”

“伽利略号”是美国宇航局制造的木星探测飞船，它的工作使人类获得了木星大气层的第一手资料，大大增进了人们对木星的了解，可算是美国宇航局发射的最成功的探测器之一。可是，“伽利略号”从诞生到“退休”，曾经历过各种各样的磨难，包括技术、资金和舆论等各方面的压力接踵而来，甚至一度有项目流产的风险。

1989年，“伽利略号”好不容易发射了，却又发生了一个意想不到的故障让“伽利略号”差点没能完成任务。1991年，“伽利略号”完成了向金星借力进行第一次加速的过程，在返回地球第二次借力的途中，科研人员发出了展开高增益天线的指令，这个天线使探测器能在遥远的木星将数据传回地球。为了避免天线在太阳照射下损坏，飞船发射时天线像雨伞一样处于收拢的状态，等收到指令时才展开，完全展开之后会给地面发送一个确认信号，可科学家们一直没能等到这个信号。

为了弄清楚远方的“伽利略号”到底发生了什么，科学家们利用“伽利略号”传回来的飞行姿态等有限数据，在地球上使用复制品进行分析和模拟。排除掉种种可能性后，科学家们最后发现，天线未能完全伸展到位，是因为有三根杆粘在了一起，这让天线看起来就像一把不能完全展开的坏雨伞。

科学家使用了好几种方法试图让天线分开。第一招是热胀冷缩，他们通过远程指令让探测器进行旋转，先让天线长时间面向太阳暴晒，再将它置于防护罩的阴影中，让它冷却，希望温度差所产生的应力可以让天线分离，但没能奏效。第二招是撞击，工程师们尝试旋转“伽利略号”另一个较小的天线来撞击高增益天线，期望由此产生的振动可以让骨架弹开，可惜经过六次撞击也没能成功。第二招失败后，工程师们用了最后的方法：反复重启。他们将用来打开天线的驱动器以特定的频率反复开启，以此增大展开动作的动力，希望能一举“开伞”。

遗憾的是，这些方法通通无效。无奈之下，科学家们只能让另一套近距离通信的低增益天線独挑大梁，接收传输速度慢且清晰度不高的数据。后来，随着地面接收技术以及信息压缩技术的进步，科学家们才获得了足够的探测数据。

冷焊效应与防冷焊方法

为什么高增益天线的骨架粘得这么牢靠，以至于智计百出的科学家都拿它毫无办法呢？进一步研究发现，原来这些金属天线就像被焊接过一样，完全地熔在了一起，自然不能指望小小的外力轻易地将它们分开了。

在温度极低、压力很小的真空环境中怎么会发生“焊接”这样的现象呢？科学家们将这种现象称为冷焊效应，当航天器处于超高真空环境时，航天器金属部件表面的原子类型单一，没有任何其他物质将它们隔开。这些原子便会相互扩散，甚至发生不同程度的粘合，直至进一步整体黏着，就发生了类似焊接的现象。

“伽利略号”的高增益天线之所以会出现冷焊现象，是因为在发射升空之前，“伽利略号”在地面上经历了数次运输和测试，在这些过程中，覆盖在几根骨架上的润滑物质和氧化层在摩擦的作用下被磨损掉了。再加上满足了超高真空、相同的金属材料以及一定的压力等几个冷焊的发生条件，最终导致了冷焊现象的发生。

自然了，在航天工作中一旦发生这样的情况是非常不利的，轻则像“伽利略号”这样影响科研工作的完成程度，重则甚至可能报废天价的人造航天器。那么，该怎么避免真空冷焊现象呢？中国科学院兰州化物所的科学家自20世纪80年代初就结合“风云一号”气象卫星开始进行空间环境的润滑与防冷焊技术的研究，目前已经积累了相当多的研究成果。

冷焊技术使焊接更简单

用于冷焊的工字钢/铝棒

防冷焊的研究通常从破坏冷焊现象的发生条件入手，从环境压力（真空度）、材料接触面的压力、材料表面光洁度等主要影响因素进行分析。研究人员在运用卫星进行太空空间冷焊试验的同时，还在地球上进行了大量的地面模拟试验。试验结果表明，在金属材料表面涂抹氧化层是最经济且高效的防冷焊方法。根据研究成果，兰州化物所的科研人员利用高性能固体润滑涂层技术和长寿命润滑薄膜技术，有效解决了“天宫二号”空间站的零部件的润滑与防冷焊问题，为“神舟十一号”飞船与“天宫二号”的成功对接保驾护航。

冷焊技术与现代工业

冷焊现象在航天研究中不受欢迎，但在地面上的工业领域却大展神威。冷焊在工业中被称为摩擦焊，是美国焊接研究所在1991年发明的一种新型焊接技术，其原理与冷焊效应完全一致，在低温低压的条件下，通过剧烈地搅拌、摩擦以及接头的压力作用，使得两块相同的金属迅速地粘接在一起。

与其他焊接技术相比，摩擦焊技术的优势很明显。首先，摩擦焊的整个过程不经过高温熔融、冷却固化，而是在材料的塑性状态下实现的，这使得焊缝的一致性很高，没有热裂纹、夹渣、气孔等熔焊缺陷产生，机械性能优异;另外，摩擦焊焊接过程中不需要填充材料和保护气，大大简化了焊接工序;最重要的是，摩擦焊不需要燃料、激光等额外的热源，焊接过程也不会排放废气废料，更加节能环保。

目前，摩擦焊技术在航空航天制造业中已经到了工业化运用阶段，像波音、洛克希德·马丁等航空航天的巨头都已采用了这项技术。在汽车工业中，越来越多的零部件生产也开始出现了摩擦焊的身影。我们知道，铝、镁合金一类的轻质合金在焊接中有着接头软化严重、易形成氧化膜、容易产生气孔和热裂纹、焊接变形严重等缺点。而摩擦焊正好能解决这类问题，在2005年，福特公司就使用了这项技术来焊接镁铝合金。可以说，摩擦焊是最适合镁铝合金材质的焊接工艺之一。近年来，地铁机车的制造中也运用了摩擦焊，2010年，广州地铁3号线城轨车辆的车体就大量使用了摩擦焊。如此看来，摩擦焊未来确实大有可为。

航天史上的一个小故障引发了工业上如此大的变化，没想到吧？