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日志

 
 

《 人民日报 》( 2017年04月21日 05 版)  

2017-04-24 16:45:29|  分类: 人民日报 |  标签: |举报 |字号 订阅

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05版:要闻

《 人民日报 》( 2017年04月21日   05 版) - wangguochun - wangguochun000 的博客

输送航天员所需物资和空间站所需推进剂

太空快递来了

本报记者 余建斌 刘诗瑶 蒋建科 喻思娈

《 人民日报 》( 2017年04月21日   05 版)

  4月20日19时41分,天舟一号货运飞船在文昌航天发射场由长征七号运载火箭成功发射升空。

  天舟一号是中国载人空间站正式建设前的最后实战机会,而此次发射也是天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的首次飞行试验。自此,我国不仅有载人的神舟飞船,也有了专门向太空运货的天舟飞船。

  未来我们还要建造长期有人照料的空间站,这就需要输送航天员所需的生活、工作物资和空间站运转所需的推进剂,所以天舟一号的意义不仅仅是一艘货运飞船,该系列货运飞船就是面向我国空间站建造和运营物资运输补给任务全新研制的航天器,是航天员长期在太空生活和空间站长期运营的重要基础。

  最大亮点是检验太空加油技术,将进行全自主绕飞

  作为我国载人空间站工程的重要组成部分,货运飞船顾名思义地承担了为空间站加油和运输货物的重担,并负责将未来空间站里的废弃物带回大气层烧毁。“天舟一号此次任务包含了建造空间站需要突破和掌握的关键技术,更是未来空间站运行的基础。”中国航天科技集团五院天舟一号总设计师白明生列举了三项极具亮点的任务。

  第一项是检验太空加油技术,也是这次天舟任务的最大亮点。就像汽车需要加油,未来空间站长期在轨也需要补给,这项任务由天舟系列货运飞船完成。天舟一号发射进入轨道后,将与天宫二号进行首次对接,两个航天器组成的组合体将进行两个月的在轨飞行,并完成推进剂在轨补加试验,突破和掌握推进剂补加技术,解决空间站能源供给问题。这将为我国空间站组装建造和长期运营扫清能源供给的最后障碍,为顺利进入载人空间站建设运营阶段奠定基础。

  第二项是3次交会对接任务。天舟一号与天宫二号共将进行三次交会对接,分别是:

  第一次交会对接后将测试货运飞船对组合体的控制能力。这次交会对接有个特点,就是新研制的光学成像敏感器首次在阳照区开展工作,也就是要求敏感器等设备在非常明亮刺眼的环境下,找到标识目标。

  第二次交会对接是从不同接口方向进行对接。这次将由天舟一号对天宫二号进行绕飞,并加速赶到天宫二号前方来进行交会对接。与之前神舟十号的绕飞不同,此次货运飞船绕飞是一次全自主绕飞,即当绕飞指令发出,飞船上制导导航与控制系统的计算机便开始自主规划出最优绕飞轨迹,自主进行变轨控制,自动进行姿态机动,不需要地面人员干预。“如果把神舟十号的绕飞比作是技术人员‘领着’航天器走路,那么此次货运飞船的绕飞则是技术人员‘看着’航天器独立走路。”中国航天科技集团五院天舟一号副总设计师张强说。

  更具看点的是第三次交会对接,天舟一号将采用自主快速交会对接技术。在天舟一号之前,我国掌握的交会对接技术需要耗时两天左右时间,而快速交会对接将时间控制在6个小时左右。掌握该项技术有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性,提高航天员舒适性,大大缩短航天员在飞船上狭小空间中滞留的时间,还可保障科研用品特别是生物制剂等无法经历长期运输的货品尽快送达空间站。

  第三项是以天基测控体制为主进行飞行控制。天舟一号货运飞船首次采用了以天基测控体制为主的设计原则,就是将原本在地面或海上的测量系统“搬”到了天上。白明生说:“相比一般卫星在使命完成后,随着推进剂的消耗殆尽而缓慢降轨,最终在大气层烧毁的结束方式,天舟一号在飞行任务结束后,将实施主动离轨,受控坠落于南太平洋指定区域,既避免自身成为太空垃圾、避开离轨过程中的不可控因素,又能为打造洁净、安全的太空环境作出自己的贡献。”

  载货性价比优于国际飞船,快递货物更实惠

  由于天舟一号“只运货、不送人”,它被形象地称为太空“快递小哥”:身高10.6米,体宽3.35米,比天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室还要大一些,“体重”约13吨,是我国目前体积最大、重量最重的航天器,而且“肚大能容”——运送相当于自身重量6吨多的货物不在话下,上行载货比、货物运输、推进剂补加等综合能力比肩甚至优于国际现役货运飞船,快递货物经济实惠。同时,它还具备独立飞行不小于3个月的能力。

  作为“太空快递”,天舟一号的物资上行能力超过6吨,接近天宫一号载荷能力的2倍,高于俄罗斯研制的进步号M型和美国的天鹅座飞船扩展型。可以说,其有效载荷比例也就是运货效率在目前所有的货运飞船中是最高的。

  那么,天舟一号运载能力为何高?专家表示,货运飞船内部精心设计的货架和货包起到了非常大的作用。

  对于天舟一号实现的大承载,内部的高效承载货架设计功不可没。这种货架采用一种基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板预埋结构,蜂窝板有大量的留空面积用于装货,碳纤维立梁材质非常轻且抗变形能力好,二者的完美结合使货架既能适应传统刚性结构安装,又能适应柔性束缚带的连接承载,形成大量的标准装货单元,结构与货物重量比达到8%。此外,大承载货架结构与密封舱主结构的连接环节也是结构设计一大亮点,碳纤维结合铝合金的设计,避免了在轨环境下内压载荷对结构造成的破坏,这一项项先进、便利的技术成就了高效承载的货架结构,保证天舟一号稳固地运送货物。

  然而,天舟一号要运送的物资中有许多精密的仪器设备和航天员用品,生怕磕碰,只用高强度的货架还不行,所以对敏感的电子器件、机械硬件系统以及其他生活物资等采用了“软包装”或类似方法来实现装载、运送。这种“软包装”与传统的硬连接不同,它是包裹在泡沫或气囊袋里面,再一起固定在货架上,而不是直接与运载工具的内部货架结构相连接。

  飞船建造类似搭积木,还可作为空间试验平台

  从2011年天舟一号飞船立项算起,到成功发射,研制人员历时6年打造了这艘货运飞船。值得注意的是,天舟一号采用了模块化设计,飞船建造类似“搭积木”,模块间技术和产品实现共享和通用,降低了研制成本,缩短了周期。

  针对运输货物的不同类型和需求,天舟系列货运飞船设计了全密封、半开放、全开放等三种型谱。其中,全密封货运飞船主要用于运输航天员消耗品、密封舱内设备与试验载荷;半密封货运飞船除了可以运输密封舱内货物外,还可以满足包括太阳电池翼等舱外物资的运输需求;全开放货运飞船主要用于大型舱外货物的运输。天舟一号就属于全密封货运飞船。

  中国航天科技集团五院天舟一号副总设计师徐小平解释说:“之所以把货运飞船也叫载人航天器,是因为货运飞船虽然是运货的,但将来在轨道上停靠空间站后,航天员要进入货运飞船进行操作,搬运货物、开展实验。”

  由于天舟具备较长时间的独立自主飞行能力,还可以作为空间科学试验的平台,这次天舟一号也将进行包括微重力对细胞增殖与分化影响研究、非牛顿引力实验检验的关键技术验证等在内的多项空间实验和试验。载人航天工程航天员系统副总设计师黄伟芬表示,将来在空间站任务阶段,在舱外对航天器零件、设备进行维修是航天员的重要任务,舱外服是实现舱外活动的重要保障。在这次任务中,通过搭载一套模拟舱外服,安装相关的传感器,来获取力学和温度方面的数据,为未来舱外服的设计积累数据、提供设计依据。

天舟瘦身记

龚 康 薛 飞

《 人民日报 》( 2017年04月21日   05 版)

  我是太空“快递小哥”——天舟一号货运飞船。最近我承接了一项艰巨又光荣的运输任务。这次任务不光运送的货物重达6吨,而且路途也非常遥远。从位于海南岛的中国文昌航天发射场出发,我将穿透厚厚的大气层,把货物送到“客户”——天宫二号空间实验室的手中。

  我送去的货物不仅有各种太空实验设备,还有维持天宫二号运行的补给。想到天宫二号正孤零零地在太空里等待,我就暗下决心,一定要运送更多的货物给它,让它更健康、舒适地完成科学试验。但是要知道,我的“车”——运载火箭的运载能力是固定的,如果想运更多的货物,我就必须在保证自己足够强壮的同时,尽可能再不断减肥,把瘦下来的重量,替换成更多的货物。按照国际上的标准测算,运送1公斤的货物上太空,成本少则几万美元,多则几十万,所以我“减肥”,还有着巨大的经济效益。

  谈到“减肥”,恐怕对很多人都是个头疼的问题。不过好在我有一个厉害的私人教练——中国航天科技集团公司五院的研制人员。他们给我做了全面检查,明确告诉我哪个部位能减重,哪里要保持肌肉力量不能减反而要加强等信息,并为我量身定制了多种减肥和健身方案。

  减过肥的人都知道,腰部赘肉是最难减下去的。而我的腰部是一个个连接框,为了将我高大的身躯牢固连接,这些连接框做得很厚实,所以显得臃肿,减肥的第一步就是减腰部赘肉。

  经过多次试验验证,他们将我的连接框设计成镂空形式,将非受力部分的“肉肉”去除掉,只保留结构受力部分。这么说起来挺容易,但是实现就麻烦了。因为如果这样设计,连接框的结构就变得非常复杂,给加工制造带来了难题。后来,研制人员通过数控加工仿真技术,保证了去除部分的绝对准确。现在我腰部每个连接框的重量都降低到原来的50%左右,但却丝毫没有影响我的结实程度。

  我的教练十分严格,不仅不放过肉眼可见的腰部赘肉,连肉眼几乎无法分辨的“皮下脂肪”也不放过。我的外部是一种壁板结构,壁板连接完成后,组成的密封空间就是装货物的肚子了。虽然壁板厚度只有不到3毫米,但是在“教练”看来,依然有减重的空间。他们严格控制加工温度、切削速度等参数,尽量使壁板厚度贴近设计人员给出的公差下限。也就是在不影响性能的基础上,通过这种“皮下脂肪去除法”,尽可能让壁板变薄。由于壁板面积很大,即使去除A4纸那样薄的一层“脂肪”,整舱的重量也会下降很多。这不,在研制人员的努力下,我的体重因此又减少了30千克左右。减去的这些重量,又够我多运送好几台设备呢。

  为了装下更多的货物,设计人员用货架将我的肚子分成了许多区域。我的“教练”连这些货架也没放过,他们选用了轻质高强度材料组成货架。比如,“货架面板”——仪器板,使用的是铝合金蜂窝板;“货架框架”——立梁,使用的是碳纤维材料。每一项改进都涉及多种先进而复杂的制造工艺。为此,研制人员完成了许多工艺攻关,还采用了“无应力”装配的方式,保证了货架装配误差不超过2毫米。这些“锻炼”让我的肌肉又轻又强壮,保证能将货物完好无缺地交给天宫二号。

  在教练的魔鬼训练下,我的瘦身计划圆满完成。经过体检,各项指标均已到达要求。很多人都感受过等待快递到来时那种望眼欲穿的感觉,远在地球之外的天宫二号等待快递到来的心情一定更加迫切。不多说了,我已经装满货物整装待发了。天宫二号,我来啦!

太空加油怎么加

本报记者 余建斌 刘诗瑶

《 人民日报 》( 2017年04月21日   05 版)
《 人民日报 》( 2017年04月21日   05 版) - wangguochun - wangguochun000 的博客

  天舟一号发射升空后,万众瞩目的“太空加油”即将上演。飞机空中加油本已是高难度、高风险,而重达13吨的飞行器,在每小时29万千米的太空高速飞行过程中要精准对接,并点滴不漏地完成推进剂补加,其难度已经超出常人想象。

  幸运的是,科研人员为天舟一号货运飞船和天宫二号空间实验室设计了三大法宝,保障推进剂在轨补加这个任务顺利进行。

  第一大法宝是对接机构全新升级,精度提高一倍。进行推进剂在轨补加是天舟一号的重要任务,而对接机构分系统在其中扮演着重要角色,为完成这一使命,天舟一号对接机构进行了全新升级,可称为对接机构2.0版。在轨推进剂补加主要通过安装在对接机构上的4路推进剂补加液路浮动断接器来实现,这就相当于加油的管路和油枪都安装在了第二代对接机构产品上。而油枪能否准确无误地插入加油口,就得看对接的初始精度。天舟一号要顺利地把推进剂供给天宫二号,两个对接机构必须对接得严丝合缝,因此此次对接要求精度提高一倍。

  “接到液体补加要求的精度指标,我们着实苦恼了一阵。”中国航天科技集团公司八院对接机构主任设计师邱华勇说,对接机构不仅要确保液路补加能够高精度的对上,还要确保能够100%分得开,“就好像钢笔和笔帽的关系,若笔帽卡得过紧,有可能拔不下来了。”

  虽然在正常情况下,并不存在对接机构分不开的情况,但是万一出现意外,对接机构系统如何应对呢?中国航天科技集团公司八院对接机构副主任设计师丁立超介绍说:“出现意外状况时,对接机构的分离推杆便开始工作。大量计算和力学试验表明,我们的分离推杆力能够克服故障状态下的分离力,使航天器正常分离。”

  第二大法宝是补加驱动器,为首次在轨补加把好关。补加驱动器是在轨补加任务中的关键单机,是智能的管路控制单元,它在接收到系统指令后控制液体管路阀门的开关,同时调节流量、流速保证推进剂补加过程安全进行。

  “与天宫二号相伴的大半年时光里,补加驱动器早已熟悉了太空中的各项工作和环境,并多次开展在轨试验验证,只等天宫二号与天舟一号交会对接后大展拳脚。”中国航天科技集团八院对接机构控制子系统副主任设计师丁承华说。

  第三大法宝是推进系统,“太空加油”的关键技术设备。据中国航天科技集团公司六院801所的专家介绍,目前国内空间飞行器只含有单一的推进系统为飞行器提供动力,货运飞船除含有满足常规推进功能的推进系统外,还具有在轨补加推进剂的补加系统,同时将其一体化设计。所谓一体化设计,就是推进系统与补加系统之间连接起来,在不影响各自独立功能的前提下,实现补加系统的推进剂供应推进系统的发动机工作,推进系统的推进剂可以用于补加,从而实现推进剂的最大利用。

  为了确保飞行器顺利在轨运行,通常需地面进行多次对管路系统充压检漏,确保系统漏率合格;货运飞船在对接及浮动断接器插合完成后,还需要对货运飞船和天宫二号连接起来的补加管路系统进行检漏,确保补加过程中无泄漏及补加系统的安全;在货运飞船完成推进剂补加后,为保持管路清洁以便可以进行后续多次补加,还要对补加管路里的推进剂进行吹除,而在太空真空环境下吹除液体推进剂,国内尚无先例,研制团队经过摸索确定了相应吹除方案,确保后续补加的顺利进行。

  版式设计:蔡华伟

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