當前位置:科技新聞 > 

中國“天宮”:世界航天豐碑

發布時間:2023-08-14 15:32:15|來源:新華網

中國空間站在軌運行示意圖?!≈袊教炜萍技瘓F五院供圖

  航天員王亞平在中國空間站執行任務期間留影?!≠Y料圖片

  一橫一豎組成遨游太空的“T”字,積十多年苦功,中國天宮空間站建成了,鑄就了中國載人航天工程和世界史上的一座豐碑。作為中國空間站建設的一分子,我以參與中國“天宮”建設為自己最大榮耀。

  三步走,步步為營

  1992年9月,中央決策實施載人航天工程,并確定了中國載人航天“三步走”的發展戰略。第一步,發射載人飛船,建成初步配套的試驗性載人飛船工程,開展空間應用實驗。第二步,突破航天員出艙活動技術、空間飛行器交會對接技術,發射空間實驗室,解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題。第三步,建造空間站,解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

  第一步是最基礎的工作,目標是保證中國航天員能在太空生存,能安全返回。第二步主要是做突破性、驗證性工作,實現中國航天員出艙,具備在太空工作的能力。這兩步都是在為第三步做驗證和鋪墊,其中空間交會對接是至為關鍵的技術之一,空間站的組裝、建造和長期飛行都要靠該技術來實現。

  2003年,我進入中國航天科技集團五院即航天五院工作,第一個從頭到尾參與的項目就是神舟八號,其核心目標是突破空間交會對接技術。按照規劃,先發射一艘無人飛船(神舟八號)來驗證無人空間交會對接技術,之后再實施兩艘載人飛船即神舟九號和神舟十號任務。這3艘飛船是主備份關系,即如果神舟八號沒有達到任務預期目標,就由神舟九號繼續驗證,神舟十號載人飛船則驗證有人空間交會對接技術。由于神舟八號順利完成了使命,神舟九號的任務被確定為驗證有人交會對接技術,神舟十號的任務則是實現首次應用性飛。

  作為目標飛行器,天宮二號其實是天宮一號的備份,其最初就被命名為“天宮一備”,由于天宮一號任務圓滿成功,天宮二號的任務被確定為開展航天員中期駐留、推進劑在軌補加、在軌維修技術試驗等。

  就這樣環環相扣,中國載人航天工程穩步前進。

  2010年9月,《載人空間站工程實施方案》獲批。之后歷時約12年,經過空間實驗室任務和空間站任務兩個階段,中國“太空之家”在軌建成。

  “T”字型,可以拓展

  除在九天之上運行的天宮空間站之外,我們其實還有兩座“空間站”:一座是與天宮空間站1∶1鏡像的“數字空間站”,用于進行仿真驗證和數字推演等;另一座是測試用的“電性空間站”,其軟硬件與在軌運行的“天宮”一模一樣,可以實現與在軌的航天員視頻連線并同步模擬系統工作與在軌活動等。通過這兩座“空間站”,我們能夠實現天地協同。

  為了保障可靠、安全、長壽命運行,天宮空間站進行了一些冗余備份設計,要指出的是,這些冗余備份是經濟的,不會出現“死冗余”“呆冗余”。比如,在3艙組合后,冗余備份可以共用,充分體現了“1+1=1”設計理念。再比如,核心艙雖然在載荷支持功能方面不如實驗艙,但配置很高,僅控制系統的星敏感器就有4個,可以減少實驗艙上的星敏感器數量。

  中國“天宮”是一個可更新、可開放的系統,不僅能夠實現硬件設備的維修、更換和升級,而且其本身可以根據需要拓展?!癟”字基本構型建成后,可以在前向對接新艙段,形成“十”字構型,新艙段上帶有節點艙,增加4個對接口和1個出艙口,既可以為巡天望遠鏡這一級別的航天器進行補給、維護、服務保障,也可以對接艙段級的“大塊頭”科學載荷。將來,國外的飛船或艙段也可以與“天宮”對接,這將大幅提升國際空間合作的水平。

  目前,我們正在開展第四個艙段的方案論證和先期設計,將把更多精力用在為航天員提供更多活動空間、增加人性化設計、提升用戶體驗上。比如,把儀器儀表設計得更有科技美感,更適于隨身穿戴。再比如,使操縱桿更符合人體工學、功能更強大。

  最優解,彰顯智慧

  關于中國空間站構型布局,先后有十幾種方案擺在桌面上供討論和選擇。綜合多方面因素,特別是適配天地環境、滿足功能性能要求、保障重要設備在軌工作等,我們最終選定“T”字構型。

  選“T”字構型可以獲得最大發電效率。通過在“T”字“橫”的兩段,設置雙自由度太陽翼,能夠保障最大限度利用太陽光。

  “T”字構型可以保持前向、后向、徑(下)向三向對接能力。前向、徑向兩個對接口可以接納兩艘載人飛船實現輪換,而且兩個對接口都在軌道平面內,飛船可以在軌道面內沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接,無需對接后再轉位,更安全。后向對接貨運飛船,天宮空間站可以直接用貨運飛船發動機進行軌道機動。

  “T”字構型是最優解,彰顯了中國航天人的智慧。

  難關多,逐一攻克

  空間站重在科研應用,我們所有的努力都旨在為科研應用打牢基礎,讓平臺、結構、能源、信息、控制、生命保障等功能經得起考驗,做到令人放心,同時賦予其足夠的擴展能力和適應能力。

  當然,要做到令人放心并不容易,在這個過程中,我們遇到了很多難題,其中有兩類頗具代表性。

  第一類與長壽命、長周期、長時間有關。一些材料在前期表現很好,卻在工程研制中出問題,導致做長壽命試驗時未能抵近極限。一些小尺寸材料做防原子氧處置效果很好,但是在用一些新方法、新技術在某些大尺寸材料上做,就出現瑕疵。

  第二類與在地面無法完全真實模擬某些空間環境有關。由于地面仿真手段有限,對仿真對象了解不夠深入,導致仿真模型不夠準。比如在液體收集管理方面,我們在地面試驗中做到收集率達到99%,在太空中即使達到98%也會造成麻煩,因為液體殘留量會日積月累。

  航天領域老前輩們常說:“識別關鍵技術進行攻關?!泵鎸﹄y關,我們不僅要攻破技術原理,而且要把工程實現的全過程走通,把每件產品質量做到極致,把各種狀態摸透??梢哉f,我們一直在努力識別“未知”,量化“已知”并通過各種分析驗證,借助相關數據反饋,把難關逐一攻克。

  “天宮”的實驗艙上有一對碩大的太陽翼,可以像大風車一樣360°轉動,非常炫酷。這對太陽翼就是我們用上述方式攻克難關取得的一大碩果。

  該太陽翼尺寸特別大,單翼長約27米,展開面積138平方米。如此巨型的翼在軌展開后會產生怎么振動呢?由于在地面無法進行等尺寸動力學特性驗證,我們只能從局部入手,對太陽翼伸展機構做單獨的動力學特性驗證,再通過仿真、數值補償等辦法推出完整的動力學特性,再結合核心艙的一套辨識系統,監測其太陽翼在軌振動、擾動情況并測出振動頻率。 據此,我們在實驗艙發射前對其太陽翼控制參數、仿真模型參數進行了修正。最終,實驗艙振翅高飛,助力中國“天宮”遨游太空。

  忙驗證,三線并行

  天和核心艙在發射入軌后約一年間,在兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船配合下,完成了“關鍵技術驗證階段”。這一階段是系統工程一個生命周期尋求滿意解的“最后一公里”。對于空間站建造來說,在該階段有空間站推進劑補加、再生生保、艙外操作、在軌維修等7大關鍵技術要在軌驗證。

  再生生保即再生式生命保障是人類實現中長期載人飛行最核心的關鍵技術之一,既受微重力環境影響,又有時間效應。在空間站微重力環境下,水處理、尿處理、電解制氧等構成的自我循環系統與在地面的表現不同,同時需要足夠長的時間才能建立起物質平衡,這就需要航天員在軌生活數月進行驗證。

  2021年6月,神舟十二號飛行乘組進入核心艙,中國空間站開始載人飛行,對相關性能進行在軌驗證。之后,神舟十三號和神舟十四號飛行乘組入駐“天宮”,進行了一些艙外操作驗證,完成對空間站上機電產品、有流體回路的產品的設置。值得一提的是,神舟十三號航天員乘組在地面科技人員的密切協同下,在空間站核心艙內采取手控遙操作方式,圓滿完成了天舟二號貨運飛船與空間站組合體交會對接試驗。

  空間站關鍵技術驗證階段之后就是空間站在軌建造階段。那幾年,我們一邊研制艙段,一邊做空間站關鍵技術驗證,還一邊謀劃空間站長期運行模式,可謂三線并進。

  大系統,團結協作

  空間站的設計空前復雜,系統多、接口多、狀態多,組織體系和設計體系特殊。

  艙段上各分系統由眾多單位負責,研制難度超過了很多航天器。由于各部分自身是一個獨立系統,同時又要融入整個大系統中,涉及大量協調和優化工作。

  作為中國空間站系統總指揮,我時刻關注各分系統之間的相互影響,從空間站大系統的視角來看問題,做“系統決策”。讓我非常感動的是,空間站系統所有參與人員都多年如一日,兢兢業業、精益求精、忘我工作,都著眼大局、服務大局、團結協作。大家為了完成同一個目標,傾情付出,貢獻自己的汗水和聰明才智。

  中國載人航天工程系統當然是更龐大的系統,除了空間站系統之外,還有載人飛船系統、貨運飛船系統、運載火箭系統、發射場系統、測控通信系統、著陸場系統等。只有各系統群策群力、密切協作才能保障中國載人航天工程取得成功。

  多年來,中國空間站系統獲得其他兄弟系統的鼎力支持。飛船系統的有些技術,已經應用很久,非常成熟了,但是為了適應空間站需求,做出了必要調整。對運載火箭系統,空間站不僅要求其推力大、起飛重量大,而且要求箭艙分離時的沖擊力小?;鸺到y團隊與我們精誠合作,攜手實現了目標??臻g站艙段發射對入軌精度要求高,對發射時間窗口有限制。為了滿足要求,發射場系統團隊和火箭系統團隊積極努力,使空間站艙段精準入軌,給空間交會對接創造了好條件。同時,測控系統不斷加強和優化陸、海和天基測控資源,提供優質測控服務。

  航天是“千人一枚箭、萬人一桿槍”的事業,正是靠著萬眾一心的團結協作精神,中國空間站建成,遨游于九天之上。

  隨著中國“天宮”的誕生,中國航天站上了新起點,國際科技界擁有了一項新的太空科研基礎設施。我們深信,這座由中國人設計并主導、向世界開放的空間站將充分體現載人航天的價值,為人類進一步認識宇宙、更好利用空間資源做出卓越貢獻。     

 ?。ㄍ跸?本文作者王翔為空間站系統總指揮,由陳立根據作者口述整理) 中國科協科學技術傳播中心與本報合作推出


責任編輯:楊文博 校對:楊文博

中國周刊官方微博

官方微信公眾號

Top 亚洲综合极品香蕉久久网