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空间站系统总师这就是中国方案

2021-05-12 18:35:45 来源:新浪科技综合
空间站系统总师这就是中国方案

  本文转自中国航天科技集团

  4月29日,由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的中国空间站核心舱——“天和”,在太空中顺利定位,包含11次飞行任务的中国空间站在轨建造任务由此开启。

  核心舱命名为“天和”,全长16.6米,最大直径4.2米,发射质量22.5吨,可支持3名航天员长期在轨驻留,是我国目前研制的最大航天器。它既是空间站的管理和控制中心,也是航天员生活和工作的主要场所,还能支持开展一定规模的空间科学实验和技术试验。

  如何建设中国空间站?中国空间站有哪些特色?如何让中国的“太空实验室”发挥出巨大的科学价值百科?对于这些问题,中国载人航天工程空间站系统总设计师杨宏一一作答。

  是“超级工程”,更是“连环工程”

  看如何在太空中搭积木式建造空间站

  15年前,杨宏作为我国首个空间实验室——“天宫一号”的总设计师,参与了天宫一号全流程的设计工作。

  2011年,结束“天宫一号”的工作后,他被任命为中国空间站总设计师,迅速参与到中国空间站的方案设计中。

  如何实现从“空间实验室”到长期在近地轨道运行的“载人空间站”的迭代和升级,成为杨宏和他的团队重点思考的问题。

  据中国载人航天工程总设计师周建平介绍,空间站基本构型有3个舱段——1个核心舱,2个实验舱,每个舱都是20吨级。空间站整体呈T字构型,核心舱居中,实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ分别连接于两侧。其中,核心舱用来控制整个空间站组合体,两个实验舱分别用于生物、材料、微重力流体、基础物理等多方面的科学实验。

  核心舱是空间站的主控舱段,相当于是整个空间站的中枢系统,主要对整个空间站的飞行姿态、动力性能、载人环境进行控制。核心舱的大柱段直径4.2米,小柱段直径2.8米。大柱段部位主要是航天员开展工作和实验的地方,小柱段则是航天员的睡眠区和卫生区,保障航天员的生活和居住。

  实验舱Ⅰ名为“问天”,主要任务是开展舱内和舱外空间科学实验和技术试验,也是航天员的工作生活场所和应急避难场所。实验舱Ⅰ配备了航天员出舱活动专用气闸舱,支持航天员出舱活动,配置了小型机械臂,可进行舱外载荷自动安装操作。该舱有着核心舱部分关键平台功能,这意味着在需要的时候,它可以执行对整个空间站的管理和控制。

  实验舱Ⅱ名为“梦天”,具备和实验舱Ⅰ类似的功能。该舱配置有货物专用气闸舱,在航天员和机械臂的辅助下,支持货物、载荷自动进出舱

  空间站工程还包括天地往返运输系统和货物运输系统。天地往返运输系统由神舟载人飞船和长征二号F运载火箭组成,货物运输系统主要由天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成,用于航天员和部分物资往返空间站。神舟载人飞船可支持3名航天员实现天地往返,在空间站停靠期间也作为救生船,用于航天员应急救生和返回。

  在中国空间站里,航天员的活动空间将得到极大拓展。

  有人统计过,神舟七号载人飞船航天员的活动空间大概是7立方米;“天宫一号”航天员有效活动空间约为15立方米,大概相当于一个7平方米房间大小。而在中国空间站里,航天员活动空间扩展到了110立方米

  如果把神舟飞船比作一辆轿车,那么“天宫一号”和“天宫二号”就相当于一室一厅,空间站则像是三室两厅还带储藏间。

  但是,空间站不是“天宫一号”简单的放大样。要保证空间站长期安全稳定运行、保障航天员长期在轨健康生活和高效率工作,科研人员还需要开展大量的科学技术试验。与此同时,有些关键技术在地面受重力影响,也需要在天上继续进行关键技术在轨验证。

  中国空间站工程在今明两年将接续实施11次飞行任务,包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船发射以及4次载人飞船发射,并依次围绕核心舱完成组装建造工作。难怪五院的设计师说空间站的建造就像是“在太空中搭积木”。

  这样高密度任务在我国载人航天工程中从未有过。11次任务环环相扣,一系列关键技术需要在天上验证,并进行分段评估,才能进行下一阶段建造工作,进而决定“下一步走向”,可谓是“步步惊心”。

  举例来说,天和核心舱上天后,需要根据自身表现,在48小时内评估在轨状态,进而为下一个任务——天舟二号发出指令,让其进入“发射倒计时”准备阶段。兵马未动,粮草先行。天舟二号货运飞船上天后,根据对接状态,给下一个任务——神舟十二号载人飞船相应的指令。确认一切正常后,载人飞船才能进入发射准备阶段。随后的每一次飞行,都是建立在之前任务状态正常的基础上,才能实施后续任务。任务之间耦合度极高,不允许有任何闪失。

  据介绍,中国空间站提供3个对接口,支持载人飞船、货运飞船及其他来访飞行器的对接和停靠。额定乘员3人,乘员轮换期间短期可达6人,具备十几吨载荷设备的安装和支持能力。

  与此同时,中国空间站设计寿命不小于10年,具有通过维护维修延长使用寿命的能力,能够扩展到180吨级,也为后续发展留有一定的空间。

  是“无纸化操作”,更是“数字化工程”

  看先进信息技术如何“加持”研制全链条

  提到空间站,大家首先会想到国际空间站。以美国为首的16个成员国组成联盟,集合了当时最先进的航天技术,但却把中国排除在外。

  中国空间站凭借一国之力独立建造,瞄准“整体水平能够达到世界先进水平、局部能够超越国际空间站”这个目标来研发。要实现这个目标,靠的是什么?

  对这个问题,杨宏有自己深刻的理解:靠的是新型举国体制优势,创新引领和航天事业多年积累的体系作为保障,开展全国大协作,集智攻关。

  他特别指出,要坚持以信息技术来提升载人航天器能力的设计理念。在工程研制中大胆采用先进信息技术能够给航天器带来突飞猛进的进步。

  传统的航天器研制和生产,从图纸到初样再到正样,是必经之路。

  不同于单一航天器的研制,中国空间站建设涉及3个舱段,还包括与货运飞船、载人飞船的对接,系统之间的关联性和耦合性极高,可谓“牵一发而动全身”。

  作为总师,在各个舱段的设计中,如何实现系统间的高效连接,追求最大程度的“一次到位”,成为杨宏关注的焦点问题。

  “数字化就是破解这个难题的密钥。

  此次在中国空间站研制中实现了“数字化模型设计”,设计过程中没有产生一张纸质图纸,这让研制团队颇为骄傲。

  除了实现各个舱段的“友好耦合”外,空间站舱内设备也需要做到“布局优化”,让航天员的工作生活更便利。

  “就像我们自己家里搞装修一样,除了布线,室内还要装空调、照明灯,哪个先装,哪个后装,都需要统筹考虑。采用数字化建模之后,各个系统就可以在自己的模块内反复迭代,直到生成一个在参数范围内的最理想、和其他系统匹配度最高的模型,生产方拿到设计模型后,直接进入生产环节。”杨宏说,恰恰就是采用这种方式,让设计和生产没有误差,一气呵成。就连舱内最难办的1000多条异性管路,都能一次安装到位,没有返工。

  还有一个小细节也能看到“数字化手段”的功劳。在太空中运行的航天器讲究“质量配平”,大概意思就是舱体布局重量相当。一般情况下,这很难依靠已有的设备实现“完全配平”,需要额外的“配重”来达到平衡。此次在空间站中,因为有数字化手段引入,轻松实现了舱内布局优化的目标。

  值得一提的是,此次舱内实现了WiFi全覆盖。航天员所有的生理参数都通过网络实时下传。先进信息技术的采用,会让航天员如同在地面上一样看剧、打视频电话,太空生活会更加丰富。

  是“高可靠产品”,更是“高品质样板”

  看“舒适太空港”背后的设计匠心

  空间站就是航天员在太空中赖以生存的家,设计师们需要把航天员的安全问题放在首位

  经过载人航天“三步走”中“前两步”的实施,人的“安全性”问题已经得到了充分验证。即便如此,研制团队还是做了大量功课,针对能想到的风险都做了详尽的预案。

  拿安全性来说,航天员在太空中最怕什么?一怕失压,二怕失火。

  太空是一个真空环境。宇宙飞船上的密封舱有适合航天员生活和工作的环境,舱外活动用的航天服,也具有维持正常生活的大气压和氧气。一旦密封舱或航天服遭流星、太空垃圾袭击或其他机械损伤,哪怕是一个很小的洞或裂缝,空气都会很快跑光,航天员将会面临生命危险。

  所以,密封问题非常关键。研制团队针对国际空间站出现的泄漏问题进行了充分的举一反三。对舱内所有的密封环节,进行一一复查。

  此外,针对空间碎片问题,中国空间站配备了一套撞击打击预防系统,能够对“不速之客”——空间碎片,进行定位感知,通过对空间站实施升轨或者降轨,对空间碎片进行规避。

  这就像我们坐飞机遇到不稳定的强烈气流时,飞机通过改变高度实现规避一样。

  此外,针对防失火问题,舱内所有的材料都采用阻燃材料,对高压用电也进行了严格控制。如果发生重大险情,航天员紧急撤离和快速撤离模式可立即启动,帮助航天员在5分钟内快速逃离危险区。

  除了在安全性上做足功课外,设计师们也在想办法提高航天员的太空生活舒适度,注意私密性,极大地提高了航天员的“太空生活质量”

  在中国空间站上,满足乘员轮换期间短期可达6人的居住条件。6人可各自拥有独立的睡眠区和生活区,设计师们对通风、噪声、灯光等细节都有非常周密的考虑。

  我们都有这样的感受,通风对室内环境很重要。但是,风大了会着凉,风小了空气无法流动。在密封的舱体内,必须要靠风扇让空气流动起来。为了防止航天员着凉,航天员睡眠区和工作区的风速都是不同的。经过多次测试,设计团队最终将中国空间站工作区风速设定为每秒0.08米,睡眠区风速则为每秒0.05米

  舱内有大量设备,设备转动起来不可避免会带来噪声,并通过舱体结构进行传导,人在这样嘈杂的环境中待久了显然会很不舒服。

  杨宏坦言,设计团队花了一年半时间进行噪声问题攻关,“付出了很大的辛苦”。杨宏带着总体设计人员和502所的技术人员协同攻关,最终通过加隔振器的方式有效过滤掉了噪声,使工作区的噪声从71分贝降到了58分贝,睡眠区从58分贝降到了49分贝。对人体而言,理想的睡眠环境是30到50分贝。对比国际空间站“工作区72分贝,睡眠区55分贝”的噪声参数,杨宏对中国空间站的噪声处理结果很满意。

  此外,中国空间站还将是一个“智能家居”环境,航天员通过平板电脑遥控指挥舱内的家用电器,在太空厨房里还能使用冰箱、饮水机、微波炉。

  在太空中,航天员将按照北京时间来作息。空间站环绕地球一圈是90分钟,航天员24小时内最多能看到16次日出日落。为了让航天员生物钟不受影响,设计师在舱内设置了情景照明系统,定时将灯光变成黄昏模式、日间模式。这些细节上的周到考虑,都是为了给航天员打造一个宜居环境。

  是中国智造,更是中国创造

  看航天科技和民用技术如何合力打造“最强大脑”

  杨宏把空间站的建造比作是“搭台唱戏”,中国空间站既是为中国科学家,也是为全球科学家提供的科学探索平台。这一初衷,注定了中国空间站是开放的。

  秉承这样的设计思想,中国空间站在集纳当前北斗、天链等先进航天技术的基础上,采用了很多先进的民用技术和商用技术。

  舱内的电器都是我们耳熟能详的家用电器品牌。无线WiFi数据传输系统实现了舱内无缆化,确保了舱内环境井然有序。

  在空间站的天地通话环节上,将看不到航天员戴着耳机与地面连线的场景,骨传导耳机技术运用其中,将会大大减少航天员的用耳负担。

  地面物流技术也被设计师应用其中。伴随着货运飞船的陆续抵达,货物的打包、开包、整理、安装的工作量巨大。国际空间站上已经有100多件物品找不到了,“就像家里一样,一个人放的东西,如何能确保其他人都能找到,这里面学问也不小。”杨宏举例说道。

  借鉴国内物流巨头先进的货物管理技术,中国空间站建立了一套物流管理系统,航天员能够通过扫描二维码的方式,识别货物的位置信息和产品信息,同时对产品信息的库存数量都能做到动态掌控,一进一出,都有台账,确保航天员的工作生活更便捷。

  文图来源:《中国航天报》,中国载人航天工程官方网站,航天科技集团五院

原标题:空间站系统总师这就是中国方案