五星太空之家,与神舟十一号载人飞船相关的12个细节

探秘天宫二号有哪些高科技
空间实验室结构机构分系统及热控系统

新华社甘肃酒泉10月17日电10月17日7时30分,神舟十一号载人飞船搭载着航天员景海鹏和陈冬飞向浩瀚宇宙,将与等候在太空的天宫二号空间实验室进行交会对接。

天宫二号彰显我国综合实力——科技创新打造“五星太空之家”

作为我国长期在轨自动运行、短期载人的飞行器,天宫二号任务是我国建造空间站之前进行技术验证的重要阶段。未来,神舟十一号飞船发射后,航天员将在天宫二号中工作和生活。

神舟十一号本次飞行有哪些特点?“神舟”到底“神”在何处?对此,相关专家向记者讲述了与神舟十一号相关的11个细节。

发射时中高低温交叉的“冰火两重天”,剧烈震动的严峻挑战,充斥着高能粒子、宇宙射线的恶劣环境……在这样的条件下,天宫二号能否为宇航员提供一个舒适温暖的家?《经济日报》记者从天宫二号和神舟十一号的缔造者——航天科技集团公司第五研究院获悉,科研人员在天宫二号和神舟十一号设计研制过程中,实施尽心、放心、贴心“三心”工程,力争为航天员打造“五星太空之家”,让他们在遥远的深空体会到“家”的舒心和温暖。

日前,《中国科学报》记者从中国航天科技集团公司五院总体部获悉,科研人员在天宫二号结构与机构、热控系统方面采用了多项高科技,为其执行空间实验室任务奠定了基础。

细节一:飞得更高——393公里轨道高度的对接与运行

《西游记》中有一个定海神针,天宫二号空间实验室上面也有一个“定海神针”,它就是控制力矩陀螺。CMG是空间飞行器姿态机动与姿态稳定的控制部件。“没有CMG的话,卫星和空间站这类航天器的灵活性会差很多,调整变化的能力也会很小。有了CMG,航天器的机动性就会大大增强。”航天科技集团公司五院502所科研人员告诉记者。

密不透风的“钢筋铁骨”

神舟十一号充分继承了神舟十号的技术状态,同时为了适应本次任务要求而进行了多项技术改进。

CMG结构复杂,重量、体积大,力学设计、热设计难度高,一直属于“卡脖子”工程。502所科研人员自1998年启动攻关,用了十几年时间啃下了这块硬骨头。2011年天宫一号成功发射,各项遥测数据正常,标志着我国自主研制的CMG首次在轨应用成功,使我国成为世界上第三个掌握该技术的国家。

和以往发射的神舟飞船最大的区别在于,天宫系列目标飞行器的在轨飞行时间长。所以,长寿命设计成为结构与机构分系统面临的新挑战。中国航天科技集团公司五院的结构与机构分系统设计团队科研人员在密封舱漏率、结构形式及结构重量等方面开展了多项大胆创新,使设计水平上升了新的台阶。

“为满足本次任务要求,调整了轨道控制策略和飞行程序,使神舟十一号飞船能够适应本次任务交会对接轨道和返回轨道高度由343公里提高到393公里的要求。”中国载人航天工程办公室副主任武平说。

“天宫二号上面的200NmsCMG输出力矩平稳、力矩分辨率高,在天宫一号任务时首次亮相,在服役期间姿态控制精度均优于设计指标,在轨工作稳定、表现优异。”专家介绍。

“天宫二号”是一个外部真空、内部1个大气压的结构,漏气量是评价其安全性的重要指标。针对最容易漏气的观察舷窗、开关舱门等部件,设计师们根据各种结构特点设计了安全可靠的密封结构,其中最关键的便是密封圈。为了面对太空中温度变化更加激烈而导致的老化问题,设计人员从配方开始,再到其结构形式、结构设计,通过大量细致实验,最终取得了成功。

神舟十号与天宫一号对接时,轨道高度是343公里。神舟十一号和天宫二号对接时的轨道高度是393公里,比过去高了50公里,为何要高出50公里?航天科技集团五院GNC分系统指挥罗谷清说,主要是为了我国载人航天“三步走”发展战略的第三步——建造空间站做准备,因为这与未来空间站的轨道高度基本相同,飞行也更加接近未来空间站要求。

天宫二号的密封结构也是保障安全性的另一法宝。航天科技集团公司五院总体部相关负责人告诉记者:“天宫二号是一个外部真空、内部有1个大气压的结构。评价其安全性很重要的方面,就是在2年的在轨飞行过程中,漏气量要非常小。就像再好的篮球早晚也会漏气,只是好的产品和设计可以让漏气非常缓慢。”

在结构形式上,设计人员向《中国科学报》记者介绍,飞船的结构形式由于焊点成千上万,长期在轨时,点焊部位容易出现腐蚀,对结构寿命造成极大威胁。对此,设计师们对国际空间站和“和平”号空间站的结构形式和原材料进行了充分调研,结合国内工艺水平和原材料供应能力,提出了“整体壁板式”密封舱结构方案。

细节二:时间更长——33天的太空旅程

天宫二号由于功能需要设有观察舷窗、开关舱门等部件,这些都容易导致漏气。设计师根据各种结构特点设计了多种安全可靠的密封结构。密封结构中最为关键的就是密封圈,一般的密封圈都存在老化问题,更何况太空中温度变化更加剧烈。设计人员就从配方开始研究,再到密封圈的结构形式、密封结构设计,终于取得成功。

此外,由于结构重量占据了飞船的大部分重量,曾一度让研制工作陷入困境。对此,设计师们邀请多位跨型号的结构设计专家,对方案进行了多次优化,最终使结构重量降低了20%多。

神舟十一号入轨后经过两天独立飞行,完成与天宫二号自动对接形成组合体,完成组合体30天中期驻留任务后,与天宫二号分离,在一天内返回内蒙古主着陆场,神舟十一号任务结束。在太空时间长,如何保障航天员太空工作生活和执行任务的能力,怎样提高飞船的可靠性?

电影中,当一套高级大型设备发生故障时,技术人员像插拔U盘一样,快捷地拔下损害部件,插上新部件后,设备立刻恢复正常。这炫酷的一幕也将在“太空之家”上演。五院技术人员对“太空之家”的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化模块设计,打造出可快速更换的模块单元。拿智能配电单元来说,五院技术人员在我国航天器上首次采用了“插拔式”的结构设计,在地面的模拟试验中,技术人员只需用几分钟就能完成一次维修更换。

打造安全舒适的“家”

神舟十一号的技术改进,很重要的一个创新亮点,是新配备了宽波束中继通信终端设备。

航天科技集团五院天宫二号总设计师朱枞鹏告诉记者,“天宫二号最初是天宫一号的备份产品,天宫一号发射时,天宫二号已经设计研制出来了,随着天宫一号任务的圆满成功,天宫二号被赋予了开展航天员中期驻留、在轨维修技术试验等新使命。为此,我们本着‘好、快、省’的模式,在物尽其用的基础上,对天宫二号进行了全面的改装和升级,不仅解决了天宫一号在轨运行过程暴露出的设计瑕疵,更极尽所能、集智攻关用各类‘神器’武装‘太空之家’,显着提升了它的性能和智能化程度”。

在即将开展的太空实验中,对接组合体好比“太空居室”,那么“天宫二号”结构则是这个“大开间”的主结构,航天员将在其中工作与生活。

“为进一步提高安全性可靠性,新配备了宽波束中继通信终端设备,显着扩大了测控覆盖范围,提升了飞船姿态快速变化时的天地通信保障能力,从而提高了航天员的安全性和飞船的可靠性。”武平说。

“太空之家”里有一位“智能管家”,就是控制计算机系统和自主研发的spaceOS2操作系统。这位聪明的“管家”可以自主进行航天器飞行轨道、姿态调整、运行状态的智能化诊断,以及遥测下传、地面遥控指令的执行。这位“管家”还可以实现“一心多用”,能同时管理运行几十个任务,并具备从3台互为备份的计算机中发现错误、下达正确指令的“三机容错”功能,真正意义上实现了多台计算机在故障时的无缝切换,为航天员在太空的工作生活提供了有力保障。

为了让航天员在太空中有尽量大的活动空间,“天宫二号”结构尺寸基本按运载火箭可容许的最大包络做设计。既要大空间、又要轻巧结实的要求,给工程人员带来了挑战。最终,工程人员反复计算,最终确定技术状态,研制出了这个直径3米多的薄壁飞船结构,圆满地满足了各项要求。

细节三:升级光学成像敏感器——完成高难度“太空之吻”

此外,为了搭建起“太空之家”与航天员之间的智能化沟通桥梁,五院技术人员运用数字化手段,研制出“太空高智能APP”——仪表控制器应用系统,它整合了航天器10多个分系统的所有数据,把复杂、晦涩的专业数据浓缩成为52组画面,实现了在轨海量信息的图形、文字、动画的智能化处理与显示,为航天员执行任务提供了清晰、直观、舒适的显示界面,大大降低了在轨操作的负担和难度。

噪音则是航天员在这个大开间舒适生活的另一大影响因素。工作舱内一些设备需要日夜不停地工作,会发出各种噪声,长期生活在这种环境下会使人感觉身心疲惫。为最大限度地减轻噪声对航天员的影响,总体设计人员在天宫二号设计阶段,制定出严格的生活区和仪器区噪声控制指标,并通过技术攻关加以解决,以最大限度地把噪声控制在最小的指标范围之内。

“为验证未来航天技术,满足未来空间站交会测量设备长寿命使用要求,对神舟十一号的交会测量设备进行了升级换代。”武平说。

天宫二号、神舟十一号要保持着比子弹速度快8倍的高速毫厘不差地对接在一起,一双犀利而精准的“对接天眼”必不可少。在此次任务中,五院技术人员推出了全新升级的“对接天眼”——光学成像敏感器,与在天宫一号上运用的第一代产品相比,升级版的CRDS产品在太阳杂光抑制能力、识别目标敏感度上有了大幅提升。

设计人员介绍,目前,面向太空应用的新型的吸能降噪结构也正在研发中,将来的任务中则有望在传统结构上布置吸能环节,从源头上降低噪音。

天宫二号和神舟十一号的交会对接,是搭建太空之家的重要一步,尤其是两者从相距120米到最终完成对接的阶段,难度最大、风险最高。为了让它们能在以8倍于子弹的速度下毫厘不差地对接在一起,技术人员对光学成像敏感器实现了升级。

“在太空中,太阳光的照射强度是地球上的3到5倍,飞行器的‘眼睛’在交会对接时很容易被闪坏。以往交会对接时要选择光线合适的时机,而天宫二号和神舟十一号已经可以实现准全天候实时对接。”五院技术人员龚德铸告诉记者,这一创新将有力支撑航天器在太空进行突发维修补给或航天员应急救生。

卓越的“空调系统”

神舟十一号交会对接光学成像敏感器主任设计师龚德铸说,太空中阳光照射强度是地球上的三到五倍,很容易“亮瞎”飞行器的“双眼”,就像开车时被对面来车晃了大灯,需要一段时间才能恢复视力,因此以往交会对接要选择光线合适的时机进行。

此外,科研人员还将敏感器首次捕获时间由原来的约10秒提高至不到几百毫秒。“这个时间就好比司机在开车时被强光晃到眼睛之后恢复正常视力的时间,‘眼睛’从看到目标到做出判断的反应时间也大大缩短。”五院敏感器设计师刘启海说,该产品在精度、重量、功耗等关键技术指标方面均超过了国际同类产品水平,将确保交会对接的安全性。

为保证仪器设备和结构的温度,同时为航天员提供舒适的温湿度环境,空间实验室必须拥有一套卓越的“空调系统”。

mgm5808美高梅,与天宫一号上运用的一代产品相比,升级版敏感器的太阳杂光抑制能力、识别目标敏感度均大幅提升,即使被晃了眼,视力恢复时间也能从原来的十秒缩短到几百毫秒。由此,神舟十一号和天宫二号可以实现准全天候实时对接,可保障航天器突发维修补给或航天员应急救生。

“与天宫一号‘简单装修’不同,由天宫二号和神舟十一号组成的‘太空之家’是‘精装修’的。”朱枞鹏说,太空中,航天员在神舟飞船内吃饭、生活,在天宫二号内工作、娱乐及锻炼身体,再加上单独的睡眠区、垃圾存放区,组合体的空间被紧凑地分成了多个功能区。其中,航天员在天宫二号工作和生活的空间大约有15立方米。占地较大的供航天员锻炼身体用的“跑台”和工作用的“多功能平台”采用了折叠方式进行收纳,最大程度节省了空间。

据设计人员介绍,为节省宝贵的电资源,空间实验室的“空调系统”无需使用压缩机,利用外太空的冷背景和单相流体回路的热量收集和传递功能,将密封舱内的仪器设备产热、化学产热和航天员产热共计几千瓦的热量,通过辐射器排散到外太空。

细节四:首次考核航天员中期驻留能力

要舒心,噪音不能有。工作舱内一些需要日夜不停工作的设备会发出噪声,容易使航天员感觉身心疲惫。为了攻克这个弊端,五院技术人员制定出严格的生活区和仪器区噪声控制指标,并采取设备分区安装、增设吸能装置、优化消声装置等方法,把航天员工作区和生活区的噪音控制在了50分贝这一适宜的区间。

而“基于单相流体回路的热总线技术”将整器需要降温的设备热量收集起来,把这部分废热传递到需要补热的低温结构上,省去了低温结构补热的电加热功耗,实现了空间实验室的热量综合管理和高效利用。据悉,这套“空调系统”功率仅有220W左右,实现了高效节能的空调系统。

“此次任务目的是进一步对改进型载人飞船功能进行全面验证,为后续载人任务提供重要的技术支撑。此外,通过多项在轨试验,将进一步验证飞船设计功能,获取和积累载人环境相关的飞行试验数据。”神舟十一号飞船总设计师张柏楠说。

要宜居,温度要舒服。人体最舒适的体表温度是23℃,相对湿度在50%附近,“太空之家”携带的热控系统通过有组织的对流通风与单机流体回路耦合换热,将密封舱的空气温度控制在22℃至24℃,相对湿度为45%至55%,为航天员长期在轨驻留提供舒适环境。

此外,针对空间实验室阶段目标的诸多变化,设计师们为热控系统增强了适应能力,实现了压气机温度接口的精确控温和密封舱温度的精确调节。而智能化的热控核心控制设备实现了热控设备在轨故障的自主诊断、隔离和处置,实现了“空调系统”的高可靠性。

在此次空间实验室任务中,对接轨道和返回轨道高度比以前增加了50公里,神舟十一号任务将首次考核验证空间站阶段的交会对接和载人飞船返回技术,还将首次考核航天员中期驻留能力,通过验证航天员驻留能力,为航天员空间站阶段长期在轨考核奠定基础。

要健康,空气得清新。为了保障空气质量,五院技术人员专门研制了环控检测装置,它可以同时完成“太空之家”内20多种有害气体及有害微生物的浓度监测,当有害物质含量超过预警值时,立即进行报警并指示航天员按照预定方法进行处理。

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细节五:照明设备点亮“飞天之路”

为了使航天员在失重下的太空体会到在地球上的感觉,五院技术人员为“太空之家”漆上了不同的颜色,四周的墙面选择了明亮的米白色,底部选择了深灰色,工作台等面板采用了天蓝色,多层次的颜色划分给航天员清爽的感觉。

神舟十一号在浩瀚的宇宙遨游过程中,会周期性地经过地球阴影区,此时会经历很长时间的黑暗,影响在轨任务的顺利完成。飞船舱内照明设备和交会对接照明设备,不仅为航天员提供了舱内工作、生活照明,还为载人飞船与空间实验室在阴影区的交会对接提供了摄像辅助照明。

航天员在太空处于失重状态,行动需要借助踩踏内部结构的反作用力。“太空之家”在内装饰材料上选择了轻量化的硬件材料,有效解决了之前航天员在天宫一号工作时脚下软质内饰“一踩一个坑”的不便。此外,“太空之家”还在多个区域增加了硬质扶手,并贴心地引入了驻留腰带、头戴式无线蓝牙耳麦等人性化设计来解放航天员的双手,让航天员在舱内更轻松自如地开展工作。

“在太空,如果直接采用生活中常用的白炽灯、节能灯,估计在飞船上还没用几天就熄火了。飞船上究竟采用了什么光源?神舟十一号飞船舱内照明设备和交会对接照明设备使用LED光源,也就是固态照明光源。”承担这一设备研制任务的航天科技集团五院510所产品主管设计师杨军说。

他指出,载人飞船有了舱内照明设备和交会对接照明设备后,当飞船进入地球阴影区时,航天员在舱内仍然可以正确判读仪表,手动操作各种开关,再也不会误打误撞了,飞船与空间实验室交会对接也多了一份成功的保障。

细节六:热控系统为“太空之家”保驾护航

“神舟十一号在太空中飞行,最关键的是航天员安危。”航天科技集团五院神舟十一号发射场热控分系统负责人付杨说,确保航天员在太空中的生活舒适安全,须为航天员营造一个类似于地面一样的“家”——有适宜人类生存生活的温度、氧气等,而这要靠热控分系统和环控生保系统来提供:热控分系统的作用是使飞船内保持一定的温度湿度,环控生保系统是为航天员创造合适的舱内生存环境条件,保障航天员在空间飞行的特殊环境下安全生活和正常工作,为航天员营造一个温暖如春的居住环境。

他说,热控分系统和环控生保系统,分别位于载人飞船的推进舱和轨道舱的舱壁内。环控、热控分系统主要采用流体换热技术进行温度控制,通过流体流动将船上产生的热量传递给外部辐射器,再通过辐射器将热量辐射到太空中。

细节七:舱门快速检漏仪——载人飞船的“小门神”

航天员在太空飞行多天,期间要经历多次穿舱活动,需要打开和关闭舱门;航天员在舱内时,维持其正常生活的气体不能泄漏,舱门是否密封良好具有决定性作用,因此精准快速检测舱门的密封性至关重要。

早期的飞船采用整舱加压,通过监测舱压的变化来检测舱门的密封性,这种方法准确、可靠,但耗时较长,对载人飞船的航天员来说影响较大,会浪费大量时间,因此需改进检测手段,缩短检测时间。

航天科技集团公司五院510所研发的舱门快速检漏仪,实现对舱门和对接面的快速、准确检漏。舱门在关闭后,门体上的两道密封圈与门框之间会形成一个小空间。检漏仪利用舱门的特有结构,在工作时向小空间内充入一定量的检测气体,通过监测小空间内压力的变化来判断舱门的密封情况。如果发生泄漏,舱门快速检漏仪会立刻发出报警指示。航天员对舱门进行处理,经过再次检漏合格后,才能顺利入住舱内。

“舱门快速检漏仪能够做到在8分钟内快速给出测试结果,堪称载人飞船的‘小门神’。”航天科技集团公司五院510所产品主管设计师董义鹏说。

细节八:仪表板减振器——飞船仪表的“救生衣”

飞船上仪表类器件通过液晶屏和航天员完成人机交互工作,作为高精科技代表的仪表类器件往往比较脆弱,而发射过程中火箭的瞬时快速加速会引起飞船舱内设备的剧烈振动,如果无法很好的隔离、衰减发射时的冲击振动,很可能导致飞船仪表损坏、飞行任务失败。

此时,神舟系列飞船仪表板减振器肩负起了为整个飞船仪表减振的重任,安装在仪表板四个安装点上的金属橡胶减振器将仪表和船体隔离了开来,并通过振动过程中金属丝之间不断互相摩擦消耗了大量能量,这部分能量最终变成热能消失在了周围介质中。

专家指出,金属橡胶减振器完美扮演了神舟飞船仪表类器件“救生衣”的角色,确保了历次飞行任务的圆满成功。

细节九:载人飞船的神奇“外衣”

神舟十一号运行在距离地球表面约400公里高度的轨道上,在那里会受到太阳的辐射、地球-大气的辐射和反照,还会受到许多游离在空间的高能粒子影响。在这样的环境中,飞船该怎样更好地保护自己?

付杨说,他们为飞船设计的神奇“外衣”就像人类的衣服一样,天冷时能保暖,太阳照射时能防晒,同时衣服还能隔离灰尘、雾霾等有害因素对皮肤的伤害。

航天科技集团五院的研究人员为轨道舱设计了一套厚度约2厘米的外衣,能高效隔离空间环境与轨道舱舱壁之间的换热,外衣表面还有一层华丽的复合膜,来提高飞船对轨道原子氧等粒子的防护能力;在返回舱外表面,喷涂了特殊设计的有机热控涂层,为保证在轨期间的返回舱温度条件提供有力支持。

在推进舱的底部,为有效抑制发动机点火后的高温对推进舱内的影响,这一重点区域运用了多层隔热材料,能够隔离的最高温度达900℃。

细节十:逃逸发动机——航天员巡天的“定心丸”

看过神舟飞船发射的人们会注意到,火箭顶端有个类似避雷针的尖塔状装置,这就是由航天科技集团四院自主研制,被称为航天员“生命之塔”的逃逸救生系统。

航天科技集团四院逃逸发动机总指挥余海林说,逃逸系统承担着航天员安全救生使命,是我国载人航天工程必须突破的三大技术难关之一。四院人克服困难成功研制的逃逸救生系统,为航天员放心巡天提供了安全保障。

据余海林介绍,逃逸塔性能特殊,技术复杂,国际上只有美国和俄罗斯掌握了这项技术。

细节十一:飞船安全返航的法宝

回收着陆是载人航天活动的最后步骤,也是决定航天员能否安全回家的最后一棒。

航天科技集团五院神舟飞船副总设计师荣伟说,五院508所肩负神舟飞船回收着陆系统研制,先后攻克了特大型降落伞、着陆缓冲、静压开伞高度控制、多模式回收程序控制、非电传爆弹盖开伞等关键技术,研制了目前国内回收质量最大、着陆速度最低、可靠性安全性最高、系统最复杂的一套航天器回收着陆系统。

他说,神舟十一号回收着陆的亮点明显,一是全国首创特大型降落伞。降落伞系统是飞船返回阶段的重要气动力减速装置,它可以将进入大气层的飞船返回舱从高铁速度降到普通人慢跑的速度。系统由7000多个零部件组成,是目前我国航天器回收降落伞中结构最庞大和最复杂的系统。其中主伞1200平方米,能铺满一个足球场。二是着陆缓冲技术提升乘坐舒适度。经过与空气的“软”摩擦之后,飞船返回舱进入着陆缓冲环节,这最后一步是硬碰硬的撞击。为了让飞船在“落脚”的一瞬依然保持航天员良好的乘坐体验,研究人员将着陆缓冲技术应用于神舟飞船返回舱的着陆缓冲系统,从而实现返回舱“软着陆”。

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