新華社 2021年04月30日
□四川日報(bào)全媒體記者徐莉莎
4月29日11時(shí)23分,海南文昌航天發(fā)射場,熾焰飛騰,聲震長空,長征五號B遙二運(yùn)載火箭搭載空間站“天和”核心艙,一飛沖天,標(biāo)志著我國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略邁出最后一步。
“天和”核心艙發(fā)射圓滿成功,中國空間站距離我們又近了一步。位于成都的中國航天科技集團(tuán)第七研究院(以下簡稱“七院”)和中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所(以下簡稱“十所”)打造的多款“四川智造”深度參與其中。從物資管理分系統(tǒng)、第三代“綜合化測控體系”再到火工裝置、環(huán)控生保裝置、伺服機(jī)構(gòu)、箭上電纜網(wǎng)……四川智慧遍布空間站、運(yùn)載火箭和地面設(shè)備。
他們是空間站的“精裝大師”
●保障航天員在太空的“吃喝拉撒睡”,決定他們的幸福指數(shù)和舒適程度
“航天員在空間站吃什么、喝什么、找什么、缺什么,我們心中有數(shù)、一清二楚。”七院七部宇航室主任蔣琳介紹,“我們是空間站‘全屋定制’供應(yīng)商,我們研制的分系統(tǒng)就相當(dāng)于空間站的‘智能管家’。”
在此次“天和”核心艙的研制中,七院承研了15個(gè)分系統(tǒng)之一的物資管理分系統(tǒng),具體負(fù)責(zé)空間站所有物資的全生命周期管理及艙內(nèi)在軌駐留輔助支持保障產(chǎn)品研制。換句話說,今后空間站在軌運(yùn)行,全球人民通過艙內(nèi)攝像機(jī)看到的,都是七院研制的產(chǎn)品。
在遠(yuǎn)離地球且封閉狹小的空間內(nèi),每批航天員都需要駐留100天以上,加上科研任務(wù),他們往往承受著巨大的心理壓力。因此,艙內(nèi)除了要保證其生命安全,還需要宜居,為航天員減壓。這百余臺(套)產(chǎn)品雖不直接決定任務(wù)的成敗,但卻決定著航天員在太空駐留期間的幸福指數(shù)和舒適程度。
同時(shí),空間站作為目前中國最復(fù)雜的航天器,艙內(nèi)自身就有數(shù)量眾多的功能設(shè)備;航天員在軌長期駐留,同樣需要巨量的空間站運(yùn)營物資。這些物資數(shù)以萬計(jì),通過手動(dòng)記錄消耗、使用以及廢棄物的時(shí)代早已跟不上需求,設(shè)計(jì)開發(fā)一套智能化、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)化的物資管理系統(tǒng)勢在必行。
相關(guān)文獻(xiàn)鳳毛麟角。面對未知,平均年齡不到33歲的核心團(tuán)隊(duì)從零開始,勇敢出征。大到儀器設(shè)備,小到螺絲螺母,上萬件核心艙物資,以及后續(xù)對接艙段的物資,物資管理分系統(tǒng)都要管。
為此,團(tuán)隊(duì)引入了時(shí)下最流行的自動(dòng)識別技術(shù)——RFID技術(shù),物體之間可以通過無線電波不接觸而快速交換和存儲(chǔ)信息。當(dāng)航天員需要某件物品,系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)計(jì)算出最優(yōu)取用路線,并進(jìn)行三維可視化引導(dǎo)。同時(shí),物資信息還將備份在地面數(shù)據(jù)庫中,確保天地?cái)?shù)據(jù)的一致、可靠。
評價(jià)是否“好用”的人機(jī)工效學(xué)是一道必須要邁的門檻。七院七部物資管理分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)師馮琦坦言,工效學(xué)評價(jià)著實(shí)“折磨”了團(tuán)隊(duì)一段時(shí)間??臻g站設(shè)備24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),會(huì)產(chǎn)生一定噪音,睡眠區(qū)要降噪,讓航天員睡個(gè)安穩(wěn)覺;物品不能有尖角、孔洞要避開手指易觸及的位置;用于提示物品使用方法的標(biāo)識字體、大小、粗細(xì)、位置都有明確規(guī)定……
他們維持著天地之間的唯一聯(lián)系
●聯(lián)系“天和”核心艙的“生命線”,由十所打造
“天和”如何與地面保持聯(lián)系?這就需要航天測控通信技術(shù),即地面站對飛船、空間站等航天器,進(jìn)行軌道測量、遙測遙控和數(shù)據(jù)傳輸。航天員要和地面對話、傳圖,地面站要對航天器定位、調(diào)姿、發(fā)送指令,都離不開這一技術(shù)。航天測控通信是航天器升空后與地面唯一的聯(lián)系,因此也被稱為航天器的“生命線”。
這根聯(lián)系“天和”核心艙的“生命線”,就是由十所傾力鑄造的。
記者了解到,此次發(fā)射,首次應(yīng)用了第三代“綜合化測控體系”。如果說前兩代系統(tǒng)都是保障和提升測控通信的基礎(chǔ)操作,那第三代則是高質(zhì)量、智能化的體現(xiàn)。
據(jù)十所副總工程師柴霖介紹,第三代系統(tǒng)具有“多重組、深綜合、全國產(chǎn)、高可靠”四大特點(diǎn)?!八扔袀鹘y(tǒng)測控功能,又有高速數(shù)據(jù)傳輸功能,而且這兩類數(shù)據(jù)是融合在一起傳輸?shù)?,非常?jié)省信道資源。更重要的是,綜合化后的設(shè)備,為操作手帶來了極大的便利。操作手在執(zhí)行測控任務(wù)時(shí),就像在玩手機(jī)。”
在新一代測控系統(tǒng)中,從軟件到硬件,從基礎(chǔ)元器件到整機(jī)、系統(tǒng),已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
“近年來,我國載人航天測控覆蓋率無論從理論上還是實(shí)際使用中都能達(dá)到100%?!辈窳乇硎荆皳Q句話說,任何時(shí)間、任何地點(diǎn),航天員們都能享受到祖國母親無微不至的呵護(hù)。而且無論是在關(guān)鍵弧段還是常態(tài)化運(yùn)行,都能保障航天員與地面的高質(zhì)量語音、圖像和上網(wǎng)服務(wù),與在地面無分別?!?/p>
“可以說,憑借高超的技術(shù)能力、完善貼心的服務(wù),新一代載人航天測控通信系統(tǒng)已為開啟中國的空間站時(shí)代做好了準(zhǔn)備?!辈窳卣f。
他們精研了這些系統(tǒng)部件
●安裝在核心艙和實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的兩個(gè)空氣凈化子系統(tǒng),保障航天員生命安全
由七院下屬的四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司,承制了CO2
去除子系統(tǒng)和微量有害氣體去除子系統(tǒng)。這兩個(gè)子系統(tǒng)就像“空氣凈化器”,是環(huán)控生保分系統(tǒng)的重要組成部分,安裝在空間站的核心艙和實(shí)驗(yàn)艙內(nèi),用于凈化艙內(nèi)的氣體環(huán)境,是航天員生命安全不可缺少的保障條件。
在“寸土寸金”的艙內(nèi)安置“凈化器”,不是那么簡單。兩個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊,包含大量異形復(fù)雜薄壁管路,管路件的結(jié)構(gòu)緊湊且不規(guī)整。在管路件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),還要兼顧零件的實(shí)際加工制造誤差及裝配過程的誤差累積。
研發(fā)人員通過采用“尺寸鏈積累誤差預(yù)補(bǔ)償技術(shù)”,使得整機(jī)復(fù)雜管路系統(tǒng)高效、快速安裝。在保證安全的前提下,研發(fā)人員運(yùn)用實(shí)時(shí)安全減重虛擬驗(yàn)證技術(shù),通過自有多物理場耦合虛擬驗(yàn)證平臺,針對兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行三維建模,對整機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)級優(yōu)化,減輕兩個(gè)子系統(tǒng)的重量,降低了研制樣機(jī)的加工成本。
“天和”核心艙有哪些“核心”功能
“天和”核心艙是中國空間站任務(wù)的“首飛”航天器,是中國空間站的關(guān)鍵艙段。國際宇航聯(lián)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光介紹說,核心艙內(nèi)部其實(shí)分為資源生活艙、居住艙,以及節(jié)點(diǎn)艙。從未來空間站的基本功能來講,此次發(fā)射的核心艙有這幾個(gè)功能——
第一個(gè)是支持航天員長期在軌駐留,因?yàn)閷碚麄€(gè)空間站建成后,在貨運(yùn)飛船不斷給送補(bǔ)給的情況下,每批航天員或許都要在空間站里連續(xù)駐留很長一段時(shí)間,就像現(xiàn)在仍在使用的國際空間站一樣,只不過航天員會(huì)不停地輪換,這個(gè)空間站也會(huì)存在十幾年甚至更久。
要實(shí)現(xiàn)連續(xù)駐留就要有一個(gè)居住條件,最基本的就是它不能太小。目前看,“天和”核心艙在設(shè)計(jì)上較過去有了很大突破,供航天員工作生活的空間約50立方米,未來加上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙后,整體能夠達(dá)到110立方米。
“‘天和’核心艙的密封艙內(nèi)配置了工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)六個(gè)區(qū)域?!敝袊教炜萍技瘓F(tuán)五院空間站系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師張昊表示,核心艙不僅能夠保證每名航天員都有獨(dú)立的睡眠環(huán)境和專用衛(wèi)生間,而且在就餐區(qū)配置了微波爐、冰箱、飲水機(jī)、折疊桌等家居,還配置了太空跑臺、太空自行車、抗阻拉力器等健身器材,以滿足航天員日常鍛煉。
除此之外,要讓航天員能在其中長期居住,最重要的是要有一套環(huán)控生保系統(tǒng)(環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)),也就是物化再生式生命保障系統(tǒng)。楊宇光表示,這必須是一套可再生式的環(huán)控生保系統(tǒng),保證艙內(nèi)資源可以重復(fù)使用,比如艙內(nèi)的水和氧氣等,都必須具備被收集后重復(fù)使用的功能。
此外,核心艙其實(shí)還有一些其他的功能,比如我們的空間站的管理和控制,包括它的姿態(tài)控制、電源、通信等,都是以核心艙為樞紐來進(jìn)行控制的。有點(diǎn)類似未來空間站的“主腦”。
還有一個(gè)重要的任務(wù),要驗(yàn)證出艙技術(shù)。過去我們只在神舟七號時(shí),航天員翟志剛出過一次艙,而未來有很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)都需要在艙外進(jìn)行。
中國的空間站長什么樣
中國航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師朱光辰曾經(jīng)打過一個(gè)形象的比喻:如果神舟飛船是一輛轎車,天宮一號和天宮二號就相當(dāng)于一室一廳的房子,而空間站就是三室兩廳還帶儲(chǔ)藏間,算是“豪宅”了?!叭摇敝负诵呐撎旌汀?shí)驗(yàn)艙問天和夢天三個(gè)艙段,“兩廳”指神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船,整體呈T字構(gòu)型。
“天和”核心艙是天宮空間站的“智慧大腦”和中樞,是中國空間站的關(guān)鍵艙段,它好比是大樹的樹干,其他的艙段都會(huì)安裝在它的接口上,它也是航天員長期駐留的主要生活場所。中國航天科技集團(tuán)五院空間站核心艙結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師施麗銘介紹,核心艙的長度比五層樓房還要高,直徑比火車和地鐵的車廂還要寬不少,體積比國際空間站的任何一個(gè)艙位都大,航天員入駐后,活動(dòng)空間非常寬敞。重量相當(dāng)于三輛大客車的空重重量,同樣也超過國際空間站的任何一個(gè)艙段。
核心艙成功發(fā)射意味著什么
1992年,中國載人航天發(fā)展正式確立了“三步走”的戰(zhàn)略。
第一步是載人飛船階段,在此期間我國完成了載人飛船的研制,實(shí)現(xiàn)了航天員天地往返等目標(biāo);
第二步是空間實(shí)驗(yàn)室階段,我國不僅掌握了出艙活動(dòng)、空間交會(huì)對接技術(shù),而且成功驗(yàn)證了航天員中期駐留太空、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、運(yùn)送貨物補(bǔ)給等任務(wù)和技術(shù);
第三步是空間站建設(shè)階段,我國將建造長期有人照料的空間站。
“天和”核心艙的發(fā)射標(biāo)志著中國空間站在軌組裝建造全面展開,我國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略成功邁出第三步。
按照空間站建造任務(wù)規(guī)劃,今明兩年中國將接續(xù)實(shí)施11次飛行任務(wù),包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運(yùn)飛船以及4次載人飛船發(fā)射,于2022年前后完成空間站在軌建造,實(shí)現(xiàn)中國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略“第三步”的任務(wù)目標(biāo)。中國在世界航天領(lǐng)域中的地位和影響力,將會(huì)踏入一個(gè)全新的階段。
中國為什么要建自己的空間站
航天科技集團(tuán)有限公司五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師柏林厚表示,空間站工程將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)、科技和綜合國力的重要標(biāo)志。
“開展空間站工程,將從國家全產(chǎn)業(yè)鏈角度,極大地引領(lǐng)和帶動(dòng)包括空間科學(xué)、生命科學(xué)等多種前沿學(xué)科和原材料、元器件、智能制造等多領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)發(fā)展,發(fā)揮著不可替代的作用。”柏林厚認(rèn)為,空間站作為長期在軌運(yùn)行的“太空母港”,其天然的高真空、微重力、超潔凈環(huán)境也可以充分用于開展各類科學(xué)技術(shù)研究,推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。
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