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護航神舟飛天路的硬核科技有哪些?記者帶你了解

華夏經緯網 > 新聞 > 大陸新聞 > 時事要聞      2021-10-18 08:53:27

  乘坐更舒適 對接更從容 測控更精準

  硬核科技護神舟

  10月16日淩晨0時23分,一道耀眼的金光劃過大漠月色,翟志剛、王亞平和葉光富三名航太員搭乘神舟十三號飛船,在長征二號F遙十三運載火箭(下文稱“長二F火箭”)的助推下駛向星海,入住“天宮”。

  從火箭發射到飛船成功對接核心艙,再到航太員順利進駐,神舟十三號如何過關斬將?背後都有哪些“功臣”為它保駕護航?記者帶您一起了解那些護航神舟飛天路的硬核科技——

  1 從顛簸震動到舒適加倍,航太員火箭“專列”再升級

  神舟十三號發射升空,伴隨著巨大的火箭尾焰和轟鳴聲,我們從直播畫面中看到,三位航太員的神情似乎與在地面無異,也沒有明顯的搖晃。

  與之形成鮮明對比,在神舟五號載人飛行任務中,當火箭飛行到三四十公里高度時,火箭和飛船發生了急劇抖動,産生共振,讓楊利偉承受了極大的不適。後來,楊利偉在《太空一日》中回憶了那“難以承受的”26秒:“痛苦的感覺越來越強烈,五臟六腑似乎都要碎了。我幾乎難以承受,覺得自己快不行了。”

  “這個讓人很不舒服的共振曾是一個世界級航太發射難題。”中國航太科技集團一院長二F火箭總體主任設計師常武權告訴記者,早在20世紀60年代,美國發射大力神火箭過程中,就出現過持續30秒的振動;法國火箭也曾出現過類似問題,影響了搭載衛星的壽命。

  如何讓這26秒不再“難以承受”?試驗人員經過測算分析,認為“病根”可能出在氧化劑上:當氧化劑中燃料的振動頻率和火箭結構的振動頻率接近時,很可能發生結構與液體耦合的發散振動。經過試驗分析,結論印證了此前的推測:問題出在火箭的POGO振動(縱向耦合振動)。

  找到問題根源後,長二F火箭研製團隊著手改進火箭性能。首先,研製人員通過減少火箭助推器蓄壓器上的膜盒,減小振動量級和時間,但振動問題仍未完全解決;研製團隊再次優化設計,將助推器蓄壓器改為變能量蓄壓器。這個裝置能夠吸收燃料振動時産生的能量,改變燃料的振動頻率。燃料的振動頻率和火箭結構的振動頻率不再接近,火箭因此就不會産生POGO振動。

  作為航太員“專列”,安全性能無疑是第一位的。長二F火箭是我國第一枚有明確0.997安全性指標要求的運載火箭。安全性指標,表示火箭出現故障時還能保障航太員安全返回的條件概率;0.997安全性指標,即假設發射出現1000次故障,所採取的救助措施中,僅允許3次不成功。

  在追求安全性的道路上,火箭研製團隊沒有止步。進入空間站任務階段,長二F火箭共進行了100多項技術狀態更改,其中有70余項與可靠性提升相關。這些改進不涉及重大技術狀態變化,主要目的是消除薄弱環節。比如,針對發動機點火失效風險,將主機傳火孔直徑從4毫米改為6毫米,進一步提升點火可靠性;根據位置不同,對發動機二級遊機推力室噴注口提出更加精細的角度設計要求,使推進劑能更加充分地融合和燃燒,為火箭提供強勁動力。

  與其他型號火箭不同,長二F火箭頂部有一根瘦長的“避雷針”——逃逸系統。假如火箭突發意外情況,逃逸飛行器會像“拔蘿蔔”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。但開傘過程中,返回艙會受到地面低空風的極大影響。

  此前,逃逸飛行器只能往一個固定的方向逃逸,存在安全風險。“如果逃逸飛行器只能向東逃逸,正好這時地面吹來一股向西的風,這樣,返回艙處於開傘狀態時,很可能又被吹回到故障火箭附近,航太員就會陷入危險。”長二F火箭副總師劉烽説。

  為確保航太員安全,研製人員對長二F火箭逃逸安控體制進行改進,提高了保密安全性能和抗干擾性能。研製人員在現有控制逃逸發動機的基礎上,新增發動機點火功能,使逃逸飛行器可以向垂直于地面風的方向逃逸,更加安全、靈活。“比如,地面刮的是南、北風,現在逃逸能力提升了,可以提前選擇與南、北風垂直的方向逃逸,避開地面風。”常武權説。

  逃逸系統改進後,長二F火箭的安全性指標評估值達到0.99996的國際先進水準。即發射十萬次,才會有4次逃逸失敗。

  2 神舟首次徑向停靠空間站,技術革新讓對接更準更穩

  10月16日6時56分,神舟十三號載人飛船採用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙徑向端口,與此前已對接的天舟二號、天舟三號貨運飛船一起構成四艙(船)組合體,整個交會對接過程歷時約6.5小時。

  自神舟八號到神舟十二號,5艘飛船都是軸向(前向、後向)對接。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對介面進行對接。對接時,核心艙和飛船呈垂直狀態。

  為何神舟飛船要和空間站進行徑向交會對接?“因為後期要進行航太員乘組輪換,同時有兩艘飛船對接空間站,徑向交會對接能提高進駐空間站的通道和手段。”北京航太飛行控制中心空間站任務總師孫軍表示,神舟飛船的發動機、控制系統和敏感器,都是專門為全方位與空間站對接而設計,也只有神舟飛船能和空間站進行徑向交會對接。

  徑向與軸向呈垂直夾角,方向變了90度,對接難度大大增加。中國航太科技集團五院總體設計部飛船型號系統總體副主任設計師高旭告訴記者,徑向交會對接有“三難”,這也讓此次太空“華爾茲”更加扣人心弦。

  難在持續控制姿態和軌道。前向、後向交會對接時,飛船有一個200米保持點,即使發動機不工作,飛船也能較長時間保持穩定的姿態和軌道。徑向交會沒有穩定的中途停泊點,需要持續控制飛船姿態和軌道,推進劑消耗大,故障處置難。

  難在確定姿態和相對位置。飛船配有敏感器,如同飛船的眼睛。由於徑向交會過程中,飛船要進行由平飛轉豎飛等大範圍的姿態機動,所以對“眼睛”識別目標和不被複雜光照變化干擾提出了更高要求。

  難在航太員手控交會模式。徑向交會對接過程中,地球這個最熟悉的參照基準基本失效,測控條件變差,且相對動力學運動特性與前向、後向交會不同,這給手控交會模式下航太員的操作增加了難度。

  首次徑向交會對接順利實施,離不開中國航太科技集團五院神舟飛船研製團隊數年的技術攻關和地面實驗。為適應空間站組合體不同構型及來訪航太器不同停靠狀態,實現與空間站前向、後向、徑向交會對接和分離,研製團隊設計了新的交會路徑和繞飛模式,增加了繞飛、快速交會對接、徑向交會對接各項功能。

  徑向交會對接的複雜場景,也對微波雷達提出了更高要求。“微波雷達作為中遠距離測量手段,在交會對接過程中,當飛船與核心艙相距約90公里時,微波雷達開始工作,提供兩個航太器間的精確測距、測速等資訊,實現遠距離捕獲、穩定跟蹤、精準測量。”據中國航太科工集團二院25所交會對接微波雷達主任設計師姚元福介紹,神舟十三號上安裝的是微波雷達二代産品,體積小、重量輕、功耗低,除了具備基本的高精度測量功能,還具有通信功能,能夠根據切換指令與不同應答機進行通信,實現了核心艙多對介面對接。

  微波雷達的測量精度有多精?研製人員打過一個有趣的比方:類似于從北京識別出石家莊的一張A4紙。那高精度測量是如何實現的?“微波雷達採用偽碼測距、多普勒測速、干涉儀測角等原理實現兩器之間相對距離、速度、角度的高精度測量。”姚元福説。

  據了解,徑向交會和前向交會都是中國空間站載人飛船正常的交會方式,會在未來空間站載人交會對接任務中交替使用。

  3 USB測控網陸、海、天基全面覆蓋,航太測控通信性能更強

  “光學跟蹤正常”“USB雷達跟蹤正常”“遙測信號正常”……火箭在酒泉衛星發射中心騰空而起,幾十秒後,指揮大廳內工作人員發出的各項“正常”密碼回蕩在發射場夜空。

  能聽到令人安心的“正常”,USB測控網(統一S波段測控網)功不可沒,它包括眾多測控站和部署在大洋上的“遠望號”測控船等,能實時測控火箭和飛船飛行狀態。

  在載人航太任務中,西安衛星測控中心作為軌道計算備份中心,與北京航太飛行控制中心共同負責對航太器發射入軌、在軌運作、返回再入等階段進行精準跟蹤監視與計算分析。

  “從載人航太工程開工以來,經過近30年的探索與實踐,我國已建成陸、海、天基全面覆蓋的USB測控網。”西安衛星測控中心工程師張卓告訴記者,測控網在頻段和體制上與國際相容,集測軌、遙測、遙控、語音、電視等功能于一體,綜合了測控和天地通信功能,是飛船升空後與地面聯繫的唯一資訊線。

  此次徑向交會對接整個過程都是在制導導航與控制(GNC)系統指揮下,由飛船智慧自主完成。

  “在快速自主交會對接過程中,地面基本不需要干預控制,主要靠天鏈中繼衛星進行跟蹤測控。”張卓説,陸基USB測控設備整體性能相對更加穩定,在太空各種情況都未知的情況下,通過與中繼衛星互為補充,組成天地一體測控網,共同護航航太員的太空之旅。

  據北京航太飛行控制中心神舟十三號任務總工程師謝劍鋒介紹,面對對接方式新、在軌時間長、處置要求高等難點,任務團隊攻克了大量技術難關。

  徑向交會對接期間,空間站組合體和飛船大幅度姿態調整,影響中繼測控和飛船能源,給測控支援模式和飛行程式安排帶來變化,地面監視判斷和應急處置難度由此增加。任務團隊優化設計方案,細化決策判據,創新設計了以空空代傳為主的測控模式和並網供電模式,克服了通信和供電難題,交會對接安全性大幅提高。

  “為確保應急故障及時有效處置,我們針對神舟十三號任務設計了400多個故障預案,組合體相關預案高達2500個,最緊急時,15秒內就必須完成發令處置。”孫軍説。

  聲表濾波器,是一種用於濾除高次諧波、鏡像資訊、發射漏泄信號以及各類寄生雜波等干擾信號的設備,保障飛船通信清晰傳回地面。由中國航太科工集團二院23所微電公司研製的聲表濾波器,為神舟十三號飛船關鍵部位提供通信保障服務。

  使用環境不同,聲表器件經受的環境要求差別很大。比如,在火箭發射階段,器件承受巨大的加速度,聲表濾波器需在劇烈的振動和衝擊下正常工作;到了在軌飛行階段,器件在失重環境下工作,外殼內外壓力相差很大,産品要能在強輻射、高壓力下保持正常的形狀和功能。

  考慮到這些特殊需求,研製人員在器件研製過程中,按照不同使用環境,分別做好産品應力設計、可靠性設計和防輻射設計,保證器件在極端環境下正常工作,通信清晰可靠。

  本報記者 柴雅欣 自東風航太城報道


文章來源:中國紀檢監察報
責任編輯:徐亞旻
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