如何“四季如春”?怎样“实时在线”?揭秘问天实验舱的航天科技

7月24日,我国空间站建造阶段首个实验舱——问天实验舱在海南文昌航天发射场由长征五号B遥三运载火箭托举升空。25日凌晨,问天实验舱与天和核心舱组合体成功在轨交会对接。

此次飞行任务中,有哪些航天科技为问天实验舱的问天之路保驾护航?

文 | 宋晨 胡喆 温竞华

本文转载自微信公众号“新华视点”(ID:XHSXHSD),原文首发于2022年7月26日,原标题为《如何“四季如春”?怎样“实时在线”?揭秘问天实验舱的航天科技》.

1

问天实验舱为何能“四季如春”?

航天器在轨时,没有了大气层的保护,在太阳照射的情况下,表面温度可达100摄氏度以上,而没有阳光时,温度会降到零下100摄氏度以下。

问天实验舱作为我国目前最重、尺寸最大的单体飞行器,在极冷极热的太空环境中,想要保证舱内各种设备始终处于20多摄氏度的舒适环境,就要靠航天科技集团五院空间站问天实验舱热控团队研制的“太空空调”。

“太空空调”的核心是遍布各个位置的液冷系统,航天科技集团五院问天实验舱流体回路负责人王德伟介绍,团队为问天实验舱研制了三套液冷系统,将各种设备或试验载荷产生的热量收集并辐射到外太空,可支持数千瓦级以上试验载荷的散热,其中一套是专门为舱外试验载荷进行温度保障的散热回路。

同时,航天科技集团五院的研制人员开发了大尺寸、高效界面导热材料,兼顾了舱外载荷维修和导热的双重目的。

在“太空空调”的研制中,为满足部分特殊设备的温度控制要求,许多新科技纷纷登场,如舱外设备上使用的太阳反射率超过90%的“白色外衣”、石墨烯导热索技术等。

7月25日在北京航天飞行控制中心拍摄的问天实验舱与空间站组合体交会对接。这是问天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口的模拟图像。 新华社记者 郭中正 摄

2

问天实验舱怎样“实时在线”?

航天测控通信是指地面站对航天器进行轨道测量、遥测遥控和数据传输,是航天器升空后与地面的唯一联系,就像放风筝的线。因此,航天测控通信也被大家称为航天器的“生命线”。

本次问天实验舱升空,中国电科用十余个陆基测控站、海基测量船和天链中继卫星编织了一张全覆盖的测控通信网络。

中国电科首席专家柴霖表示,目前我国已建成第三代“综合化测控体制”,具备“多重组、深综合、高可靠”等特点。

第三代“综合化测控体制”采用了资源重组的设计理念和技术,即各部分之间以交叉组合的方式重构出多种设备形态,系统组成灵活多样,提高了设备使用率和任务可靠度。

柴霖介绍,新一代测控设备为测运控一体化系统,既有传统测控功能,又有高速数据传输功能,两类数据融合传输,节省资源。

综合化设备和智能手机一样,可支持在一套航天测控通信设备同时安装多个应用程序,不同信号形式、工作模式、技术体制的功能可以同时或分别使用。

3

问天实验舱怎样保障用水?

一直以来,太空尿液处理与水回收技术是公认的技术难题,也是我国空间站建造的核心关键技术之一。

由航天科工集团二院206所研制的第二套环控生保尿处理子系统随问天舱发射上行后,在与天和核心舱完成对接后投入使用,后续按照总体规划,航天员乘组将对该套尿处理子系统进行状态设置,并进行在轨测试以确认系统的功能状态与性能指标是否正常,测试通过后,该套系统将按照总体规划定期进行自清洗流程。

按照总体规划,在发射问天实验舱、梦天实验舱后,中国空间站将完成在轨建造,随后空间站将转入长期运营阶段。目前,位于天和核心舱的首套尿处理子系统按照工作节律正常运行,保障航天员正常用水,位于问天实验舱的第二套尿处理子系统作为备份组件,两套尿处理子系统将协同为更多的中国航天员乘组在空间站长期驻留提供清洁的再生水。

首套尿处理子系统于2021年4月29日随天和核心舱发射入轨,并成功保障神舟十二号、神舟十三号6名航天员在轨长期驻留。目前,首套尿处理子系统产品运行过程中功能正常,性能稳定。

延伸阅读:

太空“新居”是怎样建造的?| 新闻背后的故事

7月24日14时22分,搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭,在我国文昌航天发射场准时点火发射,约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道。

25日3时13分,问天实验舱与天和核心舱组合体在轨完成交会对接。这是空间站有航天员在轨驻留期间首次进行空间交会对接。

25日10时03分,神舟十四号航天员乘组成功开启问天实验舱舱门,顺利进入问天实验舱。这是中国航天员首次在轨进入科学实验舱。

问天实验舱是中国空间站第二个舱段,也是首个科学实验舱。此次发射前后有哪些动人细节?中国太空家园的“新居”有哪些技术突破?

文 | 温竞华 胡喆 宋晨

本文转载自微信公众号“新华视点”(ID:XHSXHSD),原文首发于2022年7月25日,原标题为《太空“新居”是怎样建造的?| 新闻背后的故事》。

1

毫米“计较”,打造更大更强太空“新居”

“问天实验舱是空间站家族里的大块头,舱体总长17.9米,发射重量达23吨,是我国目前最重、尺寸最大的单体飞行器,功能强大、结构复杂、指标先进。”航天科技集团五院空间站系统总体主任设计师张昊介绍。

“更大、更强、更全、更优、更细”——为使问天实验舱达到这样的目标,设计研制队伍团结攻克了一系列工艺瓶颈,研发了多项关键技术,最终得以保证问天实验舱高质量交付、成功发射。

问天实验舱中的工作舱,是我国目前最大的载人密封航天器舱体,舱段长度近10米。为了保证舱外安装载荷的正常工作,舱外72个设备支架的接口精度要求非常高。但正是因为“个子大”,舱体结构上的精密接口尺寸受温度的影响也被放大,导致支架装调过程中测量误差大。

与此同时,当前大型舱体研制使用的厂房空间大,产品研制周期长,实现厂房长时间恒定温度环境的难度很大。为此,航天科技集团五院529厂载人航天领域总师赵长喜带领团队,巧妙提出了一种虚拟恒温测量方法,依靠数学矩阵计算原理,使易受温度影响的测量环节可靠稳定,最终实现了支架装配的高精度,成功为问天实验舱这个大体格雕琢出一个精准的外形,保证了问天实验舱舱外载荷的高可靠工作。

气闸舱是问天实验舱最重要的组成部分之一,是未来航天员的主要出舱通道。然而要在舱体的柱段上进行出舱舱门焊接,给研制人员出了难题。以往的型号舱门处大多为规则的平面曲线焊缝,焊接厚度仅2毫米,而这个舱门焊接的位置在一个马鞍形空间曲面上,焊接厚度还增加到5毫米,传统的手工焊接已无法满足要求。

经过反复研究测试和大量工艺试验,航天科技集团五院的研制人员提出了空间曲线自动化焊接新技术,自主研发了可柔性变化的焊接工装,顺利完成了密封舱舱门门框的焊接,各项指标均满足设计要求。

正是近乎苛刻的对完美的追求,才打造出更优质的太空之家。

2

精确精准,护航空间站“万无一失”

中国空间站由一个核心舱和两个实验舱组成,这3个舱段的发射任务都由长五B火箭执行。2021年4月29日,长五B火箭成功发射天和核心舱,打响了空间站建造的开局之战。一年后,问天实验舱发射,长五B研制团队再次执“箭”出征。

航天科技集团一院长五B火箭副总设计师娄路亮说,此次长五B发射问天舱,是我国大型低温火箭首次执行交会对接任务,“零窗口”发射对火箭的运载能力、入轨精度和发射可靠性都提出了更高要求。围绕任务特点,研制团队用一年时间完成了30多项全箭飞行可靠性提升工作。

娄路亮说,交会对接就好比在太空“穿针引线”,为了更加精准、可靠地完成任务,长五B团队在优化射前流程、拓展发射窗口和提升运载能力上寻求突破。

研制团队首先将各系统环环相扣的工作流程由“串联”调整为“并联”,为火箭点火前预留2分30秒的故障处理时间。然后,“在满足入轨精度的要求下,用“起飞时间修正技术”将发射窗口扩宽至2分30秒,即使火箭没能完全按照预定窗口发射,也能在这个时间内通过后期的轨道修正精准完成入轨和交会对接。

团队还将长五B火箭的运载能力提升至不低于23 吨。但大推力火箭精准入轨的难度也会变大,这就如同让一辆正在高速行驶的汽车一脚刹车就停到指定位置。长五B火箭特有的“大推力直接入轨精度控制技术”和20.5米超大整流罩,让空间站的舱段可以安全地到达预定轨道。

“就像眼睛不能进沙子,一个小小的多余物就可能对火箭发射和对接造成灾难性的后果。”航天科技集团一院长五B火箭总体副主任设计师刘秉说,为了保证问天舱成功实现交会对接,长五B团队通过技术沟通、分析论证,严控火箭多余物,尽量减少对舱体对接造成的影响。

此外,这一年,长五B团队还开展了该型火箭的未来规划论证工作。团队对前七次飞行过程数据进行系统梳理,将原来 60天的发射准备时间缩短至53天左右,为后续应对高密度发射任务作准备。

见证问天实验舱发射成功,长五B团队暂时卸下了重担。但正如他们所说:“每次发射成功后只能高兴两个小时。”梦天实验舱发射即将到来,他们再一次扛起重任。

3

从“天问”到“问天”,对太空不懈追问不变

2020年7月23日,长征五号遥四火箭托举天问一号火星探测器,迈出了探索浩瀚宇宙的重要一步,开启了中国人的行星探测时代。

从“天问”到“问天”,两次发射刚好相差两年零一天。从探索行星到建设中国人自己的空间站,两年间,航天人从未停下前行的脚步,行星探测工程、探月工程、载人航天工程接连圆梦太空,走出一条条“问天”之路。

从“天问”到“问天”,一个“问”字揭示了它们共同的内涵——探索和追问。问天实验舱既是航天员的太空“新居”,也承载着空间科学研究的重要使命。

作为“国家太空实验室”的组成部分,问天实验舱将主要进行生命科学和生物技术研究。目前,问天实验舱在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验等4个领域方向规划部署了10余个研究主题,已立项40余项科学项目。

中科院空间应用中心研究员、集成技术中心副主任张璐介绍,我国在载人航天“三步走”的第二步时期,在天宫一号、天宫二号开展了多种类型的科学实验,是以单一的实验项目为主,实验样品不具备更换能力和需求。如今,进入空间站阶段,科研实验将从单一分散转为大规模集团式,在太空建造一个真正的科学实验室。舱内配置的科学实验柜就是开展多种科学实验的通用基础平台。

“除个别实验柜外,大部分实验柜的外部接口全部统一,内部载荷的接口做成了国家级标准,维修更换非常便捷。同时,实验柜也能够兼容国际标准,为后续开展国际合作做好准备。”张璐说。

未来,空间站还将开展空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术及应用等4大领域的65个研究计划,包括近千项研究项目。

空间应用系统副总师、中科院空间应用中心集成技术中心主任王珂说:“建成空间站只是我国空间科学研究的一个开始。后续,全国的高校、科研院所和大中小学生都可以参与到空间站的空间科学实验中来。我们也欢迎全世界的科研人员共同利用我们的平台开展科学研究。”

库叔福利

库叔的赠书活动一直都在!人民邮电出版社为库叔提供25本《24小时大脑》赠予热心读者。本书用80个经典科学用脑和精力管理方法,真正帮助每一个“忙、累、困”的现代人迅速走出焦虑、抑郁、萎靡不振的情绪陷阱,疏解心理压力,高效完成任务,让每个人都可以做自己的精力管理师,拥抱元气满满的一天。请大家在文章下评论,点赞最高的前3名(数量超过50)将得到赠书。

发表评论
留言与评论(共有 0 条评论) “”
   
验证码:

相关文章

推荐文章