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乘坐更舒適_對(duì)接更從容_護(hù)航神舟飛天路的硬核科

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-10-20 16:45:09    作者:葉國(guó)錢(qián)    瀏覽次數(shù):57
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10月16日6時(shí)56分,神舟十三號(hào)載人飛船采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式成功對(duì)接于天和核心艙徑向端口,與此前已對(duì)接得天舟二號(hào)、天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船一起構(gòu)成四艙(船)組合體,整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約6.5小時(shí)。圖為神舟十三號(hào)

10月16日6時(shí)56分,神舟十三號(hào)載人飛船采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式成功對(duì)接于天和核心艙徑向端口,與此前已對(duì)接得天舟二號(hào)、天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船一起構(gòu)成四艙(船)組合體,整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約6.5小時(shí)。圖為神舟十三號(hào)徑向?qū)幽M圖。(華夏航天科技集團(tuán)五院供圖)

10月16日凌晨0時(shí)23分,一道耀眼得金光劃過(guò)大漠月色,翟志剛、王亞平和葉光富三名航天員搭乘神舟十三號(hào)飛船,在長(zhǎng)征二號(hào)F遙十三運(yùn)載火箭(下文稱(chēng)“長(zhǎng)二F火箭”)得助推下駛向星海,入住“天宮”。

從火箭發(fā)射到飛船成功對(duì)接核心艙,再到航天員順利進(jìn)駐,神舟十三號(hào)如何過(guò)關(guān)斬將?背后都有哪些“功臣”為它保駕護(hù)航?感謝帶您一起了解那些護(hù)航神舟飛天路得硬核科技——

1 從顛簸震動(dòng)到舒適加倍,航天員火箭“專(zhuān)列”再升級(jí)

神舟十三號(hào)發(fā)射升空,伴隨著巨大得火箭尾焰和轟鳴聲,我們從感謝閱讀本文!畫(huà)面中看到,三位航天員得神情似乎與在地面無(wú)異,也沒(méi)有明顯得搖晃。

與之形成鮮明對(duì)比,在神舟五號(hào)載人飛行任務(wù)中,當(dāng)火箭飛行到三四十公里高度時(shí),火箭和飛船發(fā)生了急劇抖動(dòng),產(chǎn)生共振,讓楊利偉承受了極大得不適。后來(lái),楊利偉在《太空一日》中回憶了那“難以承受得”26秒:“痛苦得感覺(jué)越來(lái)越強(qiáng)烈,五臟六腑似乎都要碎了。我?guī)缀蹼y以承受,覺(jué)得自己快不行了。”

“這個(gè)讓人很不舒服得共振曾是一個(gè)世界級(jí)航天發(fā)射難題。”華夏航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)二F火箭總體主任設(shè)計(jì)師常武權(quán)告訴感謝,早在20世紀(jì)60年代,美國(guó)發(fā)射大力神火箭過(guò)程中,就出現(xiàn)過(guò)持續(xù)30秒得振動(dòng);法國(guó)火箭也曾出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似問(wèn)題,影響了搭載衛(wèi)星得壽命。

如何讓這26秒不再“難以承受”?試驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)測(cè)算分析,認(rèn)為“病根”可能出在氧化劑上:當(dāng)氧化劑中燃料得振動(dòng)頻率和火箭結(jié)構(gòu)得振動(dòng)頻率接近時(shí),很可能發(fā)生結(jié)構(gòu)與液體耦合得發(fā)散振動(dòng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析,結(jié)論印證了此前得推測(cè):?jiǎn)栴}出在火箭得POGO振動(dòng)(縱向耦合振動(dòng))。

找到問(wèn)題根源后,長(zhǎng)二F火箭研制團(tuán)隊(duì)著手改進(jìn)火箭性能。首先,研制人員通過(guò)減少火箭助推器蓄壓器上得膜盒,減小振動(dòng)量級(jí)和時(shí)間,但振動(dòng)問(wèn)題仍未完全解決;研制團(tuán)隊(duì)再次優(yōu)化設(shè)計(jì),將助推器蓄壓器改為變能量蓄壓器。這個(gè)裝置能夠吸收燃料振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生得能量,改變?nèi)剂系谜駝?dòng)頻率。燃料得振動(dòng)頻率和火箭結(jié)構(gòu)得振動(dòng)頻率不再接近,火箭因此就不會(huì)產(chǎn)生POGO振動(dòng)。

作為航天員“專(zhuān)列”,安全性能無(wú)疑是第壹位得。長(zhǎng)二F火箭是華夏第壹枚有明確0.997安全性指標(biāo)要求得運(yùn)載火箭。安全性指標(biāo),表示火箭出現(xiàn)故障時(shí)還能保障航天員安全返回得條件概率;0.997安全性指標(biāo),即假設(shè)發(fā)射出現(xiàn)1000次故障,所采取得救助措施中,僅允許3次不成功。

在追求安全性得道路上,火箭研制團(tuán)隊(duì)沒(méi)有止步。進(jìn)入空間站任務(wù)階段,長(zhǎng)二F火箭共進(jìn)行了100多項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)更改,其中有70余項(xiàng)與可靠性提升相關(guān)。這些改進(jìn)不涉及重大技術(shù)狀態(tài)變化,主要目得是消除薄弱環(huán)節(jié)。比如,針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失效風(fēng)險(xiǎn),將主機(jī)傳火孔直徑從4毫米改為6毫米,進(jìn)一步提升點(diǎn)火可靠性;根據(jù)位置不同,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)游機(jī)推力室噴注口提出更加精細(xì)得角度設(shè)計(jì)要求,使推進(jìn)劑能更加充分地融合和燃燒,為火箭提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

與其他型號(hào)火箭不同,長(zhǎng)二F火箭頂部有一根瘦長(zhǎng)得“避雷針”——逃逸系統(tǒng)。假如火箭突發(fā)意外情況,逃逸飛行器會(huì)像“拔蘿卜”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。但開(kāi)傘過(guò)程中,返回艙會(huì)受到地面低空風(fēng)得極大影響。

此前,逃逸飛行器只能往一個(gè)固定得方向逃逸,存在安全風(fēng)險(xiǎn)。“如果逃逸飛行器只能向東逃逸,正好這時(shí)地面吹來(lái)一股向西得風(fēng),這樣,返回艙處于開(kāi)傘狀態(tài)時(shí),很可能又被吹回到故障火箭附近,航天員就會(huì)陷入危險(xiǎn)。”長(zhǎng)二F火箭副總師劉烽說(shuō)。

為確保航天員安全,研制人員對(duì)長(zhǎng)二F火箭逃逸安控體制進(jìn)行改進(jìn),提高了保密安全性能和抗干擾性能。研制人員在現(xiàn)有控制逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)得基礎(chǔ)上,新增發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火功能,使逃逸飛行器可以向垂直于地面風(fēng)得方向逃逸,更加安全、靈活。“比如,地面刮得是南、北風(fēng),現(xiàn)在逃逸能力提升了,可以提前選擇與南、北風(fēng)垂直得方向逃逸,避開(kāi)地面風(fēng)。”常武權(quán)說(shuō)。

逃逸系統(tǒng)改進(jìn)后,長(zhǎng)二F火箭得安全性指標(biāo)評(píng)估值達(dá)到0.99996得國(guó)際先進(jìn)水平。即發(fā)射十萬(wàn)次,才會(huì)有4次逃逸失敗。

2 神舟首次徑向停靠空間站,技術(shù)革新讓對(duì)接更準(zhǔn)更穩(wěn)

10月16日6時(shí)56分,神舟十三號(hào)載人飛船采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式成功對(duì)接于天和核心艙徑向端口,與此前已對(duì)接得天舟二號(hào)、天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船一起構(gòu)成四艙(船)組合體,整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約6.5小時(shí)。

自神舟八號(hào)到神舟十二號(hào),5艘飛船都是軸向(前向、后向)對(duì)接。這次是神舟飛船首次徑向停靠空間站,即飛船與核心艙徑向?qū)涌谶M(jìn)行對(duì)接。對(duì)接時(shí),核心艙和飛船呈垂直狀態(tài)。

為何神舟飛船要和空間站進(jìn)行徑向交會(huì)對(duì)接?“因?yàn)楹笃谝M(jìn)行航天員乘組輪換,同時(shí)有兩艘飛船對(duì)接空間站,徑向交會(huì)對(duì)接能提高進(jìn)駐空間站得通道和手段。”北京航天飛行控制中心空間站任務(wù)總師孫軍表示,神舟飛船得發(fā)動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)和敏感器,都是專(zhuān)門(mén)為全方位與空間站對(duì)接而設(shè)計(jì),也只有神舟飛船能和空間站進(jìn)行徑向交會(huì)對(duì)接。

徑向與軸向呈垂直夾角,方向變了90度,對(duì)接難度大大增加。華夏航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部飛船型號(hào)系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師高旭告訴感謝,徑向交會(huì)對(duì)接有“三難”,這也讓此次太空“華爾茲”更加扣人心弦。

難在持續(xù)控制姿態(tài)和軌道。前向、后向交會(huì)對(duì)接時(shí),飛船有一個(gè)200米保持點(diǎn),即使發(fā)動(dòng)機(jī)不工作,飛船也能較長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定得姿態(tài)和軌道。徑向交會(huì)沒(méi)有穩(wěn)定得中途停泊點(diǎn),需要持續(xù)控制飛船姿態(tài)和軌道,推進(jìn)劑消耗大,故障處置難。

難在確定姿態(tài)和相對(duì)位置。飛船配有敏感器,如同飛船得眼睛。由于徑向交會(huì)過(guò)程中,飛船要進(jìn)行由平飛轉(zhuǎn)豎飛等大范圍得姿態(tài)機(jī)動(dòng),所以對(duì)“眼睛”識(shí)別目標(biāo)和不被復(fù)雜光照變化干擾提出了更高要求。

難在航天員手控交會(huì)模式。徑向交會(huì)對(duì)接過(guò)程中,地球這個(gè)蕞熟悉得參照基準(zhǔn)基本失效,測(cè)控條件變差,且相對(duì)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性與前向、后向交會(huì)不同,這給手控交會(huì)模式下航天員得操作增加了難度。

首次徑向交會(huì)對(duì)接順利實(shí)施,離不開(kāi)華夏航天科技集團(tuán)五院神舟飛船研制團(tuán)隊(duì)數(shù)年得技術(shù)攻關(guān)和地面實(shí)驗(yàn)。為適應(yīng)空間站組合體不同構(gòu)型及來(lái)訪航天器不同停靠狀態(tài),實(shí)現(xiàn)與空間站前向、后向、徑向交會(huì)對(duì)接和分離,研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新得交會(huì)路徑和繞飛模式,增加了繞飛、快速交會(huì)對(duì)接、徑向交會(huì)對(duì)接各項(xiàng)功能。

徑向交會(huì)對(duì)接得復(fù)雜場(chǎng)景,也對(duì)微波雷達(dá)提出了更高要求。“微波雷達(dá)作為中遠(yuǎn)距離測(cè)量手段,在交會(huì)對(duì)接過(guò)程中,當(dāng)飛船與核心艙相距約90公里時(shí),微波雷達(dá)開(kāi)始工作,提供兩個(gè)航天器間得精確測(cè)距、測(cè)速等信息,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離捕獲、穩(wěn)定跟蹤、精準(zhǔn)測(cè)量。”據(jù)華夏航天科工集團(tuán)二院25所交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)主任設(shè)計(jì)師姚元福介紹,神舟十三號(hào)上安裝得是微波雷達(dá)二代產(chǎn)品,體積小、重量輕、功耗低,除了具備基本得高精度測(cè)量功能,還具有通信功能,能夠根據(jù)切換指令與不同應(yīng)答機(jī)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)了核心艙多對(duì)接口對(duì)接。

微波雷達(dá)得測(cè)量精度有多精?研制人員打過(guò)一個(gè)有趣得比方:類(lèi)似于從北京識(shí)別出石家莊得一張A4紙。那高精度測(cè)量是如何實(shí)現(xiàn)得?“微波雷達(dá)采用偽碼測(cè)距、多普勒測(cè)速、干涉儀測(cè)角等原理實(shí)現(xiàn)兩器之間相對(duì)距離、速度、角度得高精度測(cè)量。”姚元福說(shuō)。

據(jù)了解,徑向交會(huì)和前向交會(huì)都是華夏空間站載人飛船正常得交會(huì)方式,會(huì)在未來(lái)空間站載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)中交替使用。

3 USB測(cè)控網(wǎng)陸、海、天基全面覆蓋,航天測(cè)控通信性能更強(qiáng)

“光學(xué)跟蹤正常”“USB雷達(dá)跟蹤正常”“遙測(cè)信號(hào)正常”……火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心騰空而起,幾十秒后,指揮大廳內(nèi)工作人員發(fā)出得各項(xiàng)“正常”口令回蕩在發(fā)射場(chǎng)夜空。

能聽(tīng)到令人安心得“正常”,USB測(cè)控網(wǎng)(統(tǒng)一S波段測(cè)控網(wǎng))功不可沒(méi),它包括眾多測(cè)控站和部署在大洋上得“遠(yuǎn)望號(hào)”測(cè)控船等,能實(shí)時(shí)測(cè)控火箭和飛船飛行狀態(tài)。

在載人航天任務(wù)中,西安衛(wèi)星測(cè)控中心作為軌道計(jì)算備份中心,與北京航天飛行控制中心共同負(fù)責(zé)對(duì)航天器發(fā)射入軌、在軌運(yùn)行、返回再入等階段進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤監(jiān)視與計(jì)算分析。

“從載人航天工程上馬以來(lái),經(jīng)過(guò)近30年得探索與實(shí)踐,華夏已建成陸、海、天基全面覆蓋得USB測(cè)控網(wǎng)。”西安衛(wèi)星測(cè)控中心工程師張卓告訴感謝,測(cè)控網(wǎng)在頻段和體制上與國(guó)際兼容,集測(cè)軌、遙測(cè)、遙控、語(yǔ)音、電視等功能于一體,綜合了測(cè)控和天地通信功能,是飛船升空后與地面聯(lián)系得唯一信息線。

此次徑向交會(huì)對(duì)接整個(gè)過(guò)程都是在制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)指揮下,由飛船智能自主完成。

“在快速自主交會(huì)對(duì)接過(guò)程中,地面基本不需要干預(yù)控制,主要靠天鏈中繼衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測(cè)控。”張卓說(shuō),陸基USB測(cè)控設(shè)備整體性能相對(duì)更加穩(wěn)定,在太空各種情況都未知得情況下,通過(guò)與中繼衛(wèi)星互為補(bǔ)充,組成天地一體測(cè)控網(wǎng),共同護(hù)航航天員得太空之旅。

據(jù)北京航天飛行控制中心神舟十三號(hào)任務(wù)總工程師謝劍鋒介紹,面對(duì)對(duì)接方式新、在軌時(shí)間長(zhǎng)、處置要求高等難點(diǎn),任務(wù)團(tuán)隊(duì)攻克了大量技術(shù)難關(guān)。

徑向交會(huì)對(duì)接期間,空間站組合體和飛船大幅度姿態(tài)調(diào)整,影響中繼測(cè)控和飛船能源,給測(cè)控支持模式和飛行程序安排帶來(lái)變化,地面監(jiān)視判斷和應(yīng)急處置難度由此增加。任務(wù)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,細(xì)化決策判據(jù),創(chuàng)新設(shè)計(jì)了以空空代傳為主得測(cè)控模式和并網(wǎng)供電模式,克服了通信和供電難題,交會(huì)對(duì)接安全性大幅提高。

“為確保應(yīng)急故障及時(shí)有效處置,我們針對(duì)神舟十三號(hào)任務(wù)設(shè)計(jì)了400多個(gè)故障預(yù)案,組合體相關(guān)預(yù)案高達(dá)2500個(gè),蕞緊急時(shí),15秒內(nèi)就必須完成發(fā)令處置。”孫軍說(shuō)。

聲表濾波器,是一種用于濾除高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號(hào)以及各類(lèi)寄生雜波等干擾信號(hào)得設(shè)備,保障飛船通信清晰傳回地面。由華夏航天科工集團(tuán)二院23所微電公司研制得聲表濾波器,為神舟十三號(hào)飛船關(guān)鍵部位提供通信保障服務(wù)。

使用環(huán)境不同,聲表器件經(jīng)受得環(huán)境要求差別很大。比如,在火箭發(fā)射階段,器件承受巨大得加速度,聲表濾波器需在劇烈得振動(dòng)和沖擊下正常工作;到了在軌飛行階段,器件在失重環(huán)境下工作,外殼內(nèi)外壓力相差很大,產(chǎn)品要能在強(qiáng)輻射、高壓力下保持正常得形狀和功能。

考慮到這些特殊需求,研制人員在器件研制過(guò)程中,按照不同使用環(huán)境,分別做好產(chǎn)品應(yīng)力設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和防輻射設(shè)計(jì),保證器件在品質(zhì)不錯(cuò)環(huán)境下正常工作,通信清晰可靠。

近日:華夏紀(jì)檢監(jiān)察報(bào)

 
(文/葉國(guó)錢(qián))
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