为了让航天员在空间站住得舒适、通讯顺畅——

“天和”核心舱里有四川智慧

2021年04月30日07:18  来源:四川日报
 

4月29日11时23分,海南文昌航天发射场,炽焰飞腾,声震长空,长征五号B遥二运载火箭搭载空间站“天和”核心舱,一飞冲天,标志着我国载人航天工程“三步走”战略迈出最后一步。

“天和”核心舱发射圆满成功,中国空间站距离我们又近了一步。位于成都的中国航天科技集团第七研究院(以下简称“七院”)和中国电子科技集团公司第十研究所(以下简称“十所”)打造的多款“四川智造”深度参与其中。从物资管理分系统、第三代“综合化测控体系”再到火工装置、环控生保装置、伺服机构、箭上电缆网……四川智慧遍布空间站、运载火箭和地面设备。

他们是空间站的“精装大师”

●保障航天员在太空的“吃喝拉撒睡”,决定他们的幸福指数和舒适程度

“航天员在空间站吃什么、喝什么、找什么、缺什么,我们心中有数、一清二楚。”七院七部宇航室主任蒋琳介绍,“我们是空间站‘全屋定制’供应商,我们研制的分系统就相当于空间站的‘智能管家’。”

在此次“天和”核心舱的研制中,七院承研了15个分系统之一的物资管理分系统,具体负责空间站所有物资的全生命周期管理及舱内在轨驻留辅助支持保障产品研制。换句话说,今后空间站在轨运行,全球人民通过舱内摄像机看到的,都是七院研制的产品。

在远离地球且封闭狭小的空间内,每批航天员都需要驻留100天以上,加上科研任务,他们往往承受着巨大的心理压力。因此,舱内除了要保证其生命安全,还需要宜居,为航天员减压。这百余台(套)产品虽不直接决定任务的成败,但却决定着航天员在太空驻留期间的幸福指数和舒适程度。

同时,空间站作为目前中国最复杂的航天器,舱内自身就有数量众多的功能设备;航天员在轨长期驻留,同样需要巨量的空间站运营物资。这些物资数以万计,通过手动记录消耗、使用以及废弃物的时代早已跟不上需求,设计开发一套智能化、自动化、数据化的物资管理系统势在必行。

相关文献凤毛麟角。面对未知,平均年龄不到33岁的核心团队从零开始,勇敢出征。大到仪器设备,小到螺丝螺母,上万件核心舱物资,以及后续对接舱段的物资,物资管理分系统都要管。

为此,团队引入了时下最流行的自动识别技术——RFID技术,物体之间可以通过无线电波不接触而快速交换和存储信息。当航天员需要某件物品,系统自动会计算出最优取用路线,并进行三维可视化引导。同时,物资信息还将备份在地面数据库中,确保天地数据的一致、可靠。

评价是否“好用”的人机工效学是一道必须要迈的门槛。七院七部物资管理分系统总体设计师冯琦坦言,工效学评价着实“折磨”了团队一段时间。空间站设备24小时运转,会产生一定噪音,睡眠区要降噪,让航天员睡个安稳觉;物品不能有尖角、孔洞要避开手指易触及的位置;用于提示物品使用方法的标识字体、大小、粗细、位置都有明确规定……

他们维持着天地之间的唯一联系

●联系“天和”核心舱的“生命线”,由十所打造

“天和”如何与地面保持联系?这就需要航天测控通信技术,即地面站对飞船、空间站等航天器,进行轨道测量、遥测遥控和数据传输。航天员要和地面对话、传图,地面站要对航天器定位、调姿、发送指令,都离不开这一技术。航天测控通信是航天器升空后与地面唯一的联系,因此也被称为航天器的“生命线”。

这根联系“天和”核心舱的“生命线”,就是由十所倾力铸造的。

记者了解到,此次发射,首次应用了第三代“综合化测控体系”。如果说前两代系统都是保障和提升测控通信的基础操作,那第三代则是高质量、智能化的体现。

据十所副总工程师柴霖介绍,第三代系统具有“多重组、深综合、全国产、高可靠”四大特点。“它既有传统测控功能,又有高速数据传输功能,而且这两类数据是融合在一起传输的,非常节省信道资源。更重要的是,综合化后的设备,为操作手带来了极大的便利。操作手在执行测控任务时,就像在玩手机。”

在新一代测控系统中,从软件到硬件,从基础元器件到整机、系统,已实现国产化。

“近年来,我国载人航天测控覆盖率无论从理论上还是实际使用中都能达到100%。”柴霖表示,“换句话说,任何时间、任何地点,航天员们都能享受到祖国母亲无微不至的呵护。而且无论是在关键弧段还是常态化运行,都能保障航天员与地面的高质量语音、图像和上网服务,与在地面无分别。”

“可以说,凭借高超的技术能力、完善贴心的服务,新一代载人航天测控通信系统已为开启中国的空间站时代做好了准备。”柴霖说。

他们精研了这些系统部件

●安装在核心舱和实验舱内的两个空气净化子系统,保障航天员生命安全

由七院下属的四川航天烽火伺服控制技术有限公司,承制了CO2

去除子系统和微量有害气体去除子系统。这两个子系统就像“空气净化器”,是环控生保分系统的重要组成部分,安装在空间站的核心舱和实验舱内,用于净化舱内的气体环境,是航天员生命安全不可缺少的保障条件。

在“寸土寸金”的舱内安置“净化器”,不是那么简单。两个子系统结构十分紧凑,包含大量异形复杂薄壁管路,管路件的结构紧凑且不规整。在管路件结构优化设计时,还要兼顾零件的实际加工制造误差及装配过程的误差累积。

研发人员通过采用“尺寸链积累误差预补偿技术”,使得整机复杂管路系统高效、快速安装。在保证安全的前提下,研发人员运用实时安全减重虚拟验证技术,通过自有多物理场耦合虚拟验证平台,针对两个子系统进行三维建模,对整机进行了系统级优化,减轻两个子系统的重量,降低了研制样机的加工成本。

“天和”核心舱有哪些“核心”功能

“天和”核心舱是中国空间站任务的“首飞”航天器,是中国空间站的关键舱段。国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光介绍说,核心舱内部其实分为资源生活舱、居住舱,以及节点舱。从未来空间站的基本功能来讲,此次发射的核心舱有这几个功能——

第一个是支持航天员长期在轨驻留,因为将来整个空间站建成后,在货运飞船不断给送补给的情况下,每批航天员或许都要在空间站里连续驻留很长一段时间,就像现在仍在使用的国际空间站一样,只不过航天员会不停地轮换,这个空间站也会存在十几年甚至更久。

要实现连续驻留就要有一个居住条件,最基本的就是它不能太小。目前看,“天和”核心舱在设计上较过去有了很大突破,供航天员工作生活的空间约50立方米,未来加上两个实验舱后,整体能够达到110立方米。

“‘天和’核心舱的密封舱内配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区六个区域。”中国航天科技集团五院空间站系统总体主任设计师张昊表示,核心舱不仅能够保证每名航天员都有独立的睡眠环境和专用卫生间,而且在就餐区配置了微波炉、冰箱、饮水机、折叠桌等家居,还配置了太空跑台、太空自行车、抗阻拉力器等健身器材,以满足航天员日常锻炼。

除此之外,要让航天员能在其中长期居住,最重要的是要有一套环控生保系统(环境控制和生命保障系统),也就是物化再生式生命保障系统。杨宇光表示,这必须是一套可再生式的环控生保系统,保证舱内资源可以重复使用,比如舱内的水和氧气等,都必须具备被收集后重复使用的功能。

此外,核心舱其实还有一些其他的功能,比如我们的空间站的管理和控制,包括它的姿态控制、电源、通信等,都是以核心舱为枢纽来进行控制的。有点类似未来空间站的“主脑”。

还有一个重要的任务,要验证出舱技术。过去我们只在神舟七号时,航天员翟志刚出过一次舱,而未来有很多科学实验都需要在舱外进行。

中国的空间站长什么样

中国航天科技集团五院空间站系统副总设计师朱光辰曾经打过一个形象的比喻:如果神舟飞船是一辆轿车,天宫一号和天宫二号就相当于一室一厅的房子,而空间站就是三室两厅还带储藏间,算是“豪宅”了。“三室”指核心舱天和、实验舱问天和梦天三个舱段,“两厅”指神舟载人飞船、天舟货运飞船,整体呈T字构型。

“天和”核心舱是天宫空间站的“智慧大脑”和中枢,是中国空间站的关键舱段,它好比是大树的树干,其他的舱段都会安装在它的接口上,它也是航天员长期驻留的主要生活场所。中国航天科技集团五院空间站核心舱结构分系统主任设计师施丽铭介绍,核心舱的长度比五层楼房还要高,直径比火车和地铁的车厢还要宽不少,体积比国际空间站的任何一个舱位都大,航天员入驻后,活动空间非常宽敞。重量相当于三辆大客车的空重重量,同样也超过国际空间站的任何一个舱段。

核心舱成功发射意味着什么

1992年,中国载人航天发展正式确立了“三步走”的战略。

第一步是载人飞船阶段,在此期间我国完成了载人飞船的研制,实现了航天员天地往返等目标;

第二步是空间实验室阶段,我国不仅掌握了出舱活动、空间交会对接技术,而且成功验证了航天员中期驻留太空、推进剂在轨补加、运送货物补给等任务和技术;

第三步是空间站建设阶段,我国将建造长期有人照料的空间站。

“天和”核心舱的发射标志着中国空间站在轨组装建造全面展开,我国载人航天工程“三步走”战略成功迈出第三步。

按照空间站建造任务规划,今明两年中国将接续实施11次飞行任务,包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射,于2022年前后完成空间站在轨建造,实现中国载人航天工程“三步走”发展战略“第三步”的任务目标。中国在世界航天领域中的地位和影响力,将会踏入一个全新的阶段。

中国为什么要建自己的空间站

航天科技集团有限公司五院空间站系统副总设计师柏林厚表示,空间站工程将产生巨大经济效益和社会效益,已经成为衡量一个国家经济、科技和综合国力的重要标志。

“开展空间站工程,将从国家全产业链角度,极大地引领和带动包括空间科学、生命科学等多种前沿学科和原材料、元器件、智能制造等多领域先进技术发展,发挥着不可替代的作用。”柏林厚认为,空间站作为长期在轨运行的“太空母港”,其天然的高真空、微重力、超洁净环境也可以充分用于开展各类科学技术研究,推动科学技术进步。(四川日报全媒体记者徐莉莎、本版稿件除署名外均据新华社)

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