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航天502所成功研制空间飞行器用软体贮箱,专家

近期,我国第一个空间实验室用通用软体贮箱样机研制成功,填补了这个领域的空白,也为空间飞行器贮箱家族增添了新成员。

奥门银河官方app 1   9月29日,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号F运载火箭将天宫一号目标飞行器发射升空。 新华社记者 王建民 摄

昨日22时04分09秒,天宫二号成功升空,在中国传统佳节中秋节的月圆之夜约会嫦娥。

小小贮箱本事不小

  新华网甘肃酒泉9月29日电题:中国瞄准基于空间站需要的下一代载人航天技术

天宫二号空间实验室是在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上改进研制而成,全长10.4米,最大直径3.35米,太阳翼展宽约18.4米,重8.6吨,采用实验舱和资源舱两舱构型,设计在轨寿命不小于2年。

与之前想象的方形结构和柔软的质地相比,软体贮箱的椭圆形结构更显圆润,其周身包裹着的类似帆布的坚硬外囊,好似一身白色紧身衣,使贮箱整体神秘而充满魅力。本以为贮箱会很重,不料却轻巧得如家中使用的塑料水桶一般。

  新华社记者李惠子、徐壮志、赵薇

作为我国第一个真正意义上的太空实验室,天宫二号将接受神舟十一号载人飞船的访问,完成两名航天员中期驻留,考核面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障等相关技术;接受天舟一号货运飞船的访问,考核验证推进剂在轨补加技术;开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术,以及在轨维修和空间站技术验证等试验。

参与该项目研制的中国航天科技集团公司五院502所技术人员说,别看贮箱现在是圆圆鼓鼓的,在不装液体的情况下,还可以像背包一样进行折叠,折叠成长宽数百毫米、厚度几十毫米左右的平板,总重量不过两公斤多,携带轻便,节省空间。

  成功发射天宫一号并将在2012年底前,完成无人和载人空间交会对接试验……我国瞄准基于空间站需要的下一代载人航天技术。

四大神器护“天宫”

若能将该软体贮箱广泛应用于空间飞行器上,将极大地解决金属贮箱自身重量和空间方面的不足所造成的空间物资保障难题。

  作为我国目前研制的最大的载人航天器,天宫一号目标飞行器将与11月中旬发射的神舟八号飞船进行无人交会对接,并在明年与神舟九号和十号飞船进行无人或有人的交会对接试验,这将为2020年左右建立60吨级载人空间站奠定重要的技术基础。

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然而,最让记者惊讶的,是软体贮箱的“肚量”,不仅能与饮用水相容,还能与下冷凝水、超纯水、尿液及尿液残渣等四种不同介质长期相容,可谓包罗万象。

  中国载人航天工程总设计师周建平说,天宫一号各项性能指标瞄准空间实验室研制,对空间站关键技术提前进行了验证和积累。

控制力矩陀螺

原来,技术人员在研制贮箱之初,就特别关注贮箱的防护性和环保性,采用数层高阻抗复合材料,使其具备了可折叠、高阻水、高阻气的功能。另外,为了防止注液溢液,贮箱的外囊上还设计了动力提示带,随着贮箱体积的增加,提示带会呈现“绿、黄、红”3种颜色,提示航天员注意加液情况,操作十分方便。

  “天宫一号将试验空间站必需的再生式环控生保技术中的关键单项技术,如控制技术、电源技术、推进剂贮箱技术等,经过改进完善后,可直接用于我国未来的空间站上。”他说。

——天宫“定海神针”

有了金刚钻 敢揽瓷器活

  周建平说,每个国家都是经过多次试验才能成熟掌握交会对接技术,相比美、俄每次都需要发射两艘飞船进行一次对接,我国一个目标飞行器与3艘飞船先后对接的“1+N”模式,减少了2次发射,显著降低了成本。

在天宫二号空间实验室里,有一个“定海神针”:控制力矩陀螺(ControlMomentGyros,简称CMG)。它是航天器姿态控制系统的执行装置,用来对卫星或空间站姿态的控制。

“所里以前一直在搞贮箱,星上第一个气瓶、第一个皮囊贮箱、第一个表面张力贮箱都出自502所研制人员之手。目前,不但集团公司五院所有星用贮箱都由我们研制,八院的多颗卫星也由我们提供贮箱。”贮箱首席专家潘海林感慨地说。

  “这种模式缩短了空间实验室的研制进程。”他说。

此番用在天宫二号上的控制力矩陀螺,曾在天宫一号任务时首次亮相,且在服役期间姿态控制精准,在轨工作稳定、表现优异。

空间实验室软体贮箱是一个全新产品,产品研制过程中高阻隔复合膜材料配方设计等,都是该产品问世急需攻克的难题。

  天宫一号也是未来空间实验室的雏形。作为我国首次研制发射的低轨道长寿命空间飞行器,它的特点不同于载人飞船。载人飞船是天地往返运输工具,天宫一号则可在完成交会对接任务的同时,开展一定规模的空间科学实验,为航天员提供驻留的工作和生活条件。

“定海神针”的研发团队、中国航天科技集团公司五院502所科研人员称,对于大型长寿命航天器来说,控制力矩陀螺既能实现快速姿态机动,又能实现姿态高稳定控制,如果空间站上缺少了它,灵活性就会明显差很多,调整变化的能力也会很小。

2012年,在接到空间站软体贮箱研制任务之初,只有四、五名技术人员组成的团队就意识到了任务的艰巨和身上的使命。由于国外实行技术封锁,贮箱需要完全国产化,没有参考实物,没有精确的技术参数,只有一些国外文献可参阅,技术人员只能不辞辛苦地奔波,反复进行试验验证。

  杨宏说,天宫一号目标飞行器采用了多项空间新技术,为将来空间站的建造和试验做先期的技术验证。天宫一号中有很多人性化设计,如为航天员提供了15立方米舒适的工作和生活空间,不再是神舟飞船的“蜗居”。这个空间还提供锻炼和娱乐设施,航天员还可收发电子邮件。

2.

两周时间完成详细而完善的方案设计,为软体贮箱研制开了个好头。但是,方案出来了,材料的应用和工艺试制又成了问题。国内轻工业水平参差不齐,缺少高分子复合膜设计材料,能否有合适的厂家胜任试制任务,谁的心里都没底儿。

  火箭方面,我国正围绕空间站研制新一代、更大推力的运载火箭。载人航天工程运载火箭系统总设计师荆木春说,由于空间站的每个舱重达20吨左右,发射升空需要新一代更大推力的运载火箭。“我们已经在为2020年空间站的发射做准备。”

资源舱

为此,技术人员先后奔赴全国10个城市对软体贮箱内外囊材料及加工单位进行调研。有时同一天里要从南京赶到上海,再从上海赶往汕头,马不停蹄。最终选定了国内最有实力的单位进行试制,并全程跟踪产品的研制过程,确保了产品研制进度和质量。

  运载火箭系统副总设计师宋征宇说,数字化、无毒无污染的中国新一代系列运载火箭长征5号、长征7号有望在2014年左右实现首飞。预计2021年左右新型火箭的各项技术将趋于成熟,并逐步替代现有的长征2号、3号、4号系列。

——可“太空加油”的动力之源

事前有方案,事后有验证。在产品试制过程中,502所技术人员没有丝毫放松,单就外囊试验,他们就进行了10余次,完成了24项试验项目,前后试验项目验证方案也有10种之多,而产品内囊及其整体性能的试验验证更是数不胜数。

  飞船方面,杨宏说,未来空间站的建造和运营要靠天地往返运输系统来完成。神舟飞船将从神八开始批量生产。

天宫二号将与今年10月发射的神舟十一号载人飞船和明年发射的货运飞船实施空间交会对接。

新人当家不为利来

  航天员训练方面,载人航天工程航天员系统副总设计师王宪民说,航天员的训练着重人控交会对接能力方面的训练,力求“把航天员训练得像开车一样”,能够熟练地进行交会对接。

“天宫二号空间实验室是在天宫一号备份目标飞行器的基础上改进研制而成的,采用实验舱和资源舱两舱构型。”中国载人航天工程货运飞船系统副总设计师查学雷说:“实验舱大家比较熟悉,出现在电视画面中航天员太空驻留的部分便是,相对而言,资源舱是不为人知的幕后英雄。”

记者见到502所庄保堂、周成两位年轻设计师时,总有种似曾相识的感觉,可能是他们所具有的航天人特有的阳光与稳重,让人倍感亲切。

  此外,未来的我国空间站上,航天员在轨工作时间增加,这就需要更多措施抵抗失重环境可能带来的不利影响。王宪民说,骨丢失对抗仪等实验装置随天宫一号进入太空。仪器会以不同强度和频率敲打航天员的腿部骨头,根据记录来分析其效用,从而进一步研制失重对抗设备。

天宫二号资源舱高3米多,腰围接近3米,是个上下一般粗的大家伙,他的个头比实验舱矮,但是却为天宫二号提供所有的动能和电能,航天员维持生命的氧气也储存在这里。

“去年4月份接到这项任务时,我还有点蒙,当时庄博士递给我一份外国文献让我看,一时间真不知该如何下手。”回忆起自己刚入职便接受空间站软体贮箱任务时的窘境,周成不好意思地说。

奥门银河官方app,  他说,2008年搭载神舟七号飞船上天的航天员开始使用中医对抗失重不适等症状,效果很好。

为了适应任务的变化,资源舱进行了多项改进设计,与实验舱一起全力保障天宫二号空间实验室的各项任务:接受载人飞船和货运飞船访问,考核验证航天员中期驻留、推进剂补加等空间站相关关键技术,并开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术试验,以及在轨维修试验和空间站技术验证试验。

庄保堂和周成都是502所近两年刚入职的设计师,一位是清华大学的博士,一位是北京航空航天大学的硕士。他们的“加盟”恰逢研制任务最为紧张的关键时期,他们可谓是集方案制定、材料选购、试验验证于一身的多面手了。

  王宪民说,我国首次选拔的女航天员也正在进行交会对接任务训练,最早可搭载神舟十号飞船上天。“女航天员的工作和生活用品与男航天员不同,目前已设计好,正在研制。”

应用推进剂补加技术是此次任务的重要技术创新点,它将为空间站提供燃料,是确保我国空间站长寿命运行的最基本保障。未来,货运飞船将通过空间实验室新增的推进剂补加系统实现这一功能,为未来航天员在空间站中长期驻留提供保障。为此,科研人员在承担的空间交会对接机构上,特别增加了液路浮动断接器及补加管路的安装接口,并在资源舱增加了补加推进剂管路,以实现增压气体和推进剂在补加系统中的流动。这不仅突破了国外技术封锁,还将使我国成为世界上第二个掌握空间补加核心技术的国家。

在首席专家潘海林和主任工艺师冯春兰的指导下,两位年轻人花费了大量的精力,一遍遍查找文献,一次次出差到外地调研材料和设备,并不厌其烦地去外协厂家盯着别人做样品。

  中国航天员科研训练中心已成为继俄罗斯、美国之后能独立培养航天员的世界第三个航天员训练基地。

随着明年“天舟一号”我国首艘货运飞船的发射升空,“太空加油”技术将为中国空间站建设提供源源不断的动力能源。

为了工作,他们在北京的时间屈指可数,别说是亲人和朋友团聚,就算是约会也总是一推再推。不过,两位年轻人都很乐观,“这种全新的任务是一次很好的锻炼,通过自己的艰辛创业可以很好地提高自身的设计和工艺水平,更重要的是对航天的责任感和使命感在这项任务中能够得到充分的理解。

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每次只要一想到我们亲手研制出来的产品能够用在未来的空间站上,推动我国成为第二个在空间飞行器上使用软体贮箱的国家,内心的自豪与骄傲就会不自觉地显露出来,幸福满溢……”

多台核心计算机

空间站软体贮箱模样产品已通过验收,但是距离能够真正应用到空间站上的正样产品还有很长的路要走。在资深专家、产品首席和这些年轻设计师的共同努力下,502所的贮箱研制团队将为航天员生命保障系统的完善和提升作出更多贡献。 来源:中国航天网

——天宫“最强大脑”

在天宫二号,中国航天科技集团公司五院的有关单位研制的计算机产品应用于热控、仪表照明、空间技术试验等多个分系统,作为“最强大脑”,有力保证了各分系统的正常运行。

其中,仪表控制器是我国第一款用于航天的PowerPC高性能计算机,是天宫二号空间实验室仪表照明分系统的核心计算机。它既是实现仪表照明分系统与其他分系统之间数据交换的关键设备,也是未来航天员在轨进行空间实验和空间站管理的“重要工具”。

热控分系统负责天宫二号的温度、湿度的控制与调节,是航天员的“太空空调”。它通过对各舱段的温度点、各种传感器状态信息进行采集,并及时下传,相当于热控分系统的神经中枢,分别安装在天宫一号的实验舱、推进舱段。

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测控与通信子系统

——天地耳目

相信大家还记得天宫一号太空授课的情景,这主要归功于中国航天科技集团八院研制的测控与通信子系统中的图像、话音设备。此次任务中,它们为神舟十一号飞船、天宫二号空间实验室装上了眼睛和耳朵,天宫二号设备的2台舱内摄像机和2台舱外摄像机,使我们能够在地球上看到航天器内外的实时影像,双向图像编解码设备在保证了图像质量的前提下大大节约了天地通信带宽,采用高保真编码体制的话音设备能够与航天员进行实时通话,就算播放高质量的音乐也不在话下。

另外,空空通信设备,在天宫二号、神舟十一号之间架设起无形的通信之桥,实现了两个飞行器间的信息互通、指令共享,保证了交会对接的成功进行。USB应答机在地面和飞行器间拉了一根无形的“线”,实时监测着飞行器的距离、方位和速度信息。遥测设备是飞行器的“家庭医生”,实时监测着飞行器的“生理状态”,可以将数字图像/话音和其他数据通过高速通信、数传、天线设备传回地球。遥控设备接收来自地球的各种指令或控制数据,控制着飞行器上仪器设备的各种动作,让地面科研人员能够在几百公里之外控制着天宫二号和神舟十一号的一举一动。

“天宫”何所似

密闭系统已经过检验

天宫二号的规模与天宫一号一致,也是一个长期在轨自动运行、短期载人的飞行器。如果把它与飞船对接组合体比作太空居室,那么天宫二号结构则是这个“大开间”的主结构,航天员将在其中工作与生活。

那么这个大开间有哪些奥妙之处呢?

记者走进了中国航天科技集团公司五院总体部,一探天宫二号结构机构分系统的奥妙。

天宫二号外部真空、内部只有1个大气压。评价这个“大开间”安全性的最重要指标就是——在2年在轨飞行过程中,漏气量要非常小。

天宫二号是金属制成的结构,但由于功能需要还包括观察舷窗、舱门等部件,这些地方更容易漏气。设计师根据各种结构特点设计了多种安全可靠的密封结构。密封结构中最为关键的就是密封圈,一般的密封圈都存在老化问题。设计人员就从配方开始研究,再到密封圈的结构形式、密封结构设计等,通过大量细致的实验,终于取得了成功,并在天宫一号在轨两年的安全运行中得到检验。

地面24小时监控用电

航天员在轨工作、生活30天,但飞行控制任务长达60天,这对电源系统飞控队伍来说是一项极限挑战。为了让航天员有在家用电的安全感,地面人员必须24小时监控电源分系统性能数据,力求万无一失。而此次任务又新增一项挑战:国产化。

据货运飞船系统副总师陈启忠介绍:“太阳翼所使用国产化的材料虽然在其他卫星上也有用过,但是用的地方和我们的不一样。”神舟十一号飞船采用的太阳翼是我国载人航天领域第一个国产化材料的太阳翼。

神舟十一号太阳电池翼不仅启用了新的国产化材料,并且其在轨复杂工况下的载荷适应能力更是大于一般卫星。

神舟十一号电源分系统的设计师们将基板几乎全部进行了国产化“改造”,通过初样阶段详细的设计,包括全面充分的仿真分析和试验验证,包括材料级、工艺级、组件级、整翼级的试验,最终神舟十一号的“翅膀”在原材料上实现了国产化,成为目前国内所有卫星型号中太阳翼国产化最彻底的型号。

3分钟检测完舱内气体

中国航天科技集团公司五院研制的在轨有害气体检测装置担负起天宫二号舱内“环保卫士”的使命。舱内气体进入它身体内部后,它3分钟便能完成气体成分和浓度的检测,为空间实验室的环境安全保驾护航。

在航天员入住舱内前,在轨有害气体检测装置先要对舱内空气质量进行检测。一旦有害气体的浓度超标,它就会发出警报,开启空气净化系统。实验舱内空气得到过滤净化后,航天员便可以放心入住。航天员入住期间,在轨有害气体检测装置会定期检查舱内的空气质量,为航天员生活环境的安全提供持续保障。

为航天员配“健康保健员”

针对失重环境,中国航天科技集团五院513所为天宫二号研发了多项产品,用于保障航天员健康工作。

为了研究航天飞行对人体的前庭眼动、心血管及脑高级功能影响,同步检测动脉脉搏、静脉脉搏、脑电和眼动,早在天宫一号任务时,我国就首次研究了一种微重力环境下进行的系统生理学研究实验航天医学空间实验设备,这就是失重生理效应实验装置I。在天宫二号上将继续使用该产品深入开展相关认知研究。失重生理效应实验装置Ⅱ是我国研制的第一个正式上天的全自动细胞培养装置,该装置主要用于进行失重生理效应防护的细胞机制研究,为针对关键的细胞信号分子开发相关的靶标药物以及制定防护措施奠定基础。

同时,研制单位专门为航天员设计了“健身器”——骨丢失对抗仪,也叫“对抗骨质疏松的仪器”,是保证在太空飞行中的航天员身体健康的仪器之一。骨丢失对抗仪能通过敲打人体小腿部位相应穴位,刺激骨骼、改善血液循环,对抗骨质疏松,保障骨骼健康。此外,还有无创心功能监测仪,主要通过无创检测航天员的脉搏血压、脉搏量和血氧饱和度等生理参数,定期监测航天员的身体状态,被称为航天员的“健康保健员”。

一心夙愿奔天阙

两名男航天员

将上天宫二号

中国航天科技集团五院空间实验室总设计师朱枞鹏介绍,此次天宫二号空间实验室主要有四方面任务,首先是实现与神舟十一号载人飞船交会对接,两名男航天员将进行30天中期驻留;明年和货运飞船交互对接,补加推进剂;航天员驻留期间要开展维修系统技术试验,开展舱内科学实验项目;实验室内有覆盖14个领域的载荷设备,进行空间技术应用的各类实验。

这些工作都是为了将来建造空间站进行先期实验。比如未来空间站要飞行十年以上,那么针对航天员长期飞行、推进剂补加、航天器维修等各方面都要进行先期实验。

“天宫二号”其实该算是备用转正。天宫二号原来是天宫一号的备份。朱枞鹏解释说,虽然和天宫一号外形一样,但就像汽车一样,配置却有很大不同。在航天员健康保障方面,首先要保障在失重环境下身体机能不会退化,如配自行车、跑步机等设施以进行力量训练。此外,还有对他们进行心血管定期监测,对饮食、居住环境进行改进。心理建设上,将和地面上的家人进行视频聊天,沟通亲情。同时,还设有娱乐设施,可以听音乐、看视频,根据需要看地面转播电视信号。

另据了解,这次航天员是两名男性航天员,之所以没有女航天员,是因为此前曾有两位女航天员上天执行任务,从飞行体验上来说目的已经实现了。而且这次搭载了很多设备,两人上天体量上更为合适。

推进分系统

确保“天神”精准相会

不久之后,天宫二号将与神舟十一号载人飞船在距地面393公里的轨道高度交会对接。

众所周知,载人航天工程任务是一项系统工程,一次完整的载人航天飞行,需要品种各样、高可靠性的发动机。而在这次空间实验室与载人飞船对接及后续科研试验中,高质量高稳定高安全度的火箭发动机和空间推进系统研制,就成为了关键中的关键。

承担推进分系统研制的中国航天科技集团6院工程人员介绍,“天宫二号”推进分系统位于空间站资源舱内,共配置20多台不同推力的姿轨控发动机;神舟十一号飞船推进分系统则由返回舱推进子系统和推进舱推进子系统组成。返回舱子系统位于返回舱凹舱内,共配置8台单元发动机,提供返回舱俯仰、偏航和滚动所需的动力;推进舱系统共配置40台大小不一的姿轨控发动机。

天宫二号和神舟十一号发射后,要实现完美入轨并进行空间对接,要求每台发动机在每个阶段都要提供强大可靠的动力和调姿变轨的精准稳定。此番担负着交会对接任务的天宫二号490N双组变轨发动机和神舟十一号飞船推进舱系列姿轨控发动机,则是保证空间实验室与神舟十一号载人飞船能否对接成功的关键因素。

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