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      1. 保證“待機”15年 空間站有哪些黑科技?

        2021-04-30 10:35:46 來源: 新京報 作者:

        4月28日,“天和”核心艙1:1實物驗證件在中國科技館展出。新京報記者 李木易 攝

        4月29日,空間站“天和”核心艙發射圓滿成功,中國空間站拉開建造大幕。

        作為空間站的核心艙段,核心艙是空間站的主要控制節點,是未來空間站的指揮控制中心。據航天科技集團五院空間站系統副總設計師侯永青介紹:“為了保證空間站在軌不小于15年長壽命要求,我們從設計伊始,就開展了長壽命、可靠性、維修性、安全性一體化設計?!蹦敲?,科研人員采取了哪些措施,來保證中國空間站長期在軌穩定運行呢?

        揭秘1 “三個首次”打造“史上最復雜”推進系統

        為實現至少在軌運行15年的設計壽命要求,天和核心艙推進系統成為截至目前中國航天飛行器中最為復雜的推進系統。據航天科技集團六院801所載人航天推進系統部部長顧帥華介紹,本次核心艙發射任務中,“三個首次”成為了攻破“史上最復雜”推進系統的關鍵。

        顧帥華介紹,第一項關鍵創新,是較2017年天舟一號貨運飛船“太空加油”,本次核心艙推進系統首次實現完全自動化??蒲腥藛T研制出全新的自動補加程序,使不再需要地面指令干預或是航天員的輔助,即可實現完全自主補加。

        “太空加油”技術和關鍵設備由六院801所完全自主研制,首創國內自主研發的壓氣機及浮動斷接器,為我國后續大型空間站建設奠定了堅實基礎。

        另一項首次創新,是核心艙推進系統除了配備4臺軌控發動機、22臺姿控發動機這些在航天技術中常用的常規動力以外,還額外配置了4臺霍爾電推進發動機,首次將電推進動力應用到航天器上,將對空間站在近地軌道的運行提供極大幫助。

        空間站在圍繞地球運轉的過程中,會因為地球引力影響軌道高度,需要發動機消耗額外推進劑來抬升軌道?;魻栯娡七M系統以其推力小、精確調整、工作時間長的特性,可有效節省核心艙自帶推進劑的消耗。我國也繼俄、美、歐之后第四個掌握霍爾電推進技術。

        顧帥華介紹,第三個首次,是六院801所研發團隊首次設計了包括控制驅動器、霍爾電推進發動機氣瓶等設備可由航天員出艙在軌更換維修的方案。

        揭秘2 熱管輻射器降低被空間碎片擊穿風險

        空間站在軌運行后,在微流星、空間碎片撞擊等意外損傷的條件下,有可能會出現較大的裂紋,從而引起艙體泄漏、艙體開窗、撕裂等災難性事故。

        中國航天科技集團五院空間站系統副總設計師侯永青介紹,結構研制團隊創新設計了健康監測子系統。這個新增的子系統就像體檢醫生一樣,能夠在軌對承受的載荷以及自身的結構狀態進行實時監測,也能夠對空間碎片等“飛來橫禍”進行監測、定位和報警,一旦發現有空間碎片撞擊上來,能迅速及時地報警,第一時間通知地面和航天員,立即處理。它還能對艙內的壓力情況進行監測,根據不同的壓力指標進行分級報警。

        航天科技集團五院空間站熱控分系統主任設計師韓海鷹介紹,為了應對空間碎片等“勁敵”的攻擊,天和核心艙熱控分系統針對長壽命可靠性問題,在載人二期的基礎上,開展了健壯性設計,為空間站安裝了兩條相當于“大動脈”的管子——熱管輻射器,以減少流體管在外暴露的面積,大大降低被空間碎片擊穿的風險。

        揭秘3 太陽電池翼收攏后只有一本書的厚度

        天和核心艙首次采用了大面積可展收柔性太陽翼,其雙翼展開面積可達134平方米。這是我國首次采用柔性太陽翼作為航天器的能量來源。

        與傳統剛性、半剛性的太陽電池翼相比,柔性翼全部收攏后只有一本書的厚度,僅為剛性太陽翼的1/15,同時,展開面積大、功率重量比高,單翼即可為空間站提供9KW的電能,在滿足艙內所有設備正常運轉的同時,也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。

        太陽翼作為艙外產品,要面對的空間環境極其惡劣,除了需要經歷88000次±100℃的高低溫循環外,還要經受低軌環境中原子氧、等離子體、紫外輻照、電離輻照等多種空間環境的考驗。航天科技集團八院805所柔性太陽電池翼研制團隊開展了3年多的方案論證和比較工作,經過大量的地面模擬長壽命測試。

        比如,太陽翼上的張緊機構看似是一根簡單的鋼絲繩,其實是一套恒力彈簧繩索系統,通過它的不斷伸縮才能保證太陽翼在高低溫環境下的足夠剛度以及姿態控制。團隊在地面完成了40萬次熱真空疲勞壽命試驗、100萬次常溫常壓壽命試驗。

        揭秘4 太空廚房可定量分配常溫水和熱水

        核心艙安裝了很多監測航天員身體狀況的醫學監測設備,均由航天科技集團九院771所負責研制生產。

        例如,常規醫監設備可以為航天員在長期飛行中的生理健康狀態和功能提供全面有效的醫學監督和保障;無線生理信號檢測裝置負責監測航天員心電、呼吸、體溫;睡眠監護儀能夠采集航天員睡眠時產生的多路生理信號,為航天員睡眠質量做定期評價提供數據;動態心電監測儀可采集航天員常規心電、運動心電、動態心電、搶救心電等12導同步心電信號;無創血液動力學監護儀可對航天員一導心電和二導脈搏無創監測,協助完成脈搏量、心排量、外周血管阻力等各項血液動力學參數的健康監督。

        此外,為方便航天員長期飛行中的飲食需求,771所提供了多種太空廚房食品設備。熱風加熱裝置可將航天食品在規定時間內加熱到適合在軌食用的溫度;微波加熱裝置則用于加熱非金屬包裝類的食品和飲用水等;飲水分配器除了加熱日常飲用水,還能定量分配常溫水和熱水,濾除水中的銀離子,保證健康飲水。

        揭秘5 卷簾式艙外用保護罩便于操作

        空間站天和核心艙有多個大小不一、形狀不一的艙門,當航天員在空間站艙間穿行或出艙時,艙門沿著艙門門軸旋轉處于側開狀態,通過艙門過程中,存在對艙門門體密封圈剮蹭的風險,一旦密封圈受損,艙門密閉失效,就可能影響航天員的生存環境。

        為保護艙門門體密封圈不受剮蹭,航天科技集團五院研制了2種狀態的艙門保護罩,包括艙內用艙門保護罩和艙外用可展收艙門保護罩。為了便于航天員操作,艙內用艙門保護罩為罩蓋式結構,就像落地電風扇防塵罩,使用時只需要航天員將艙門保護罩口部撐開套在艙門上即可;艙外用艙門保護罩為卷簾式結構,使用時航天員只需“抓”“套”“拉”幾個簡單的操作步驟即可完成。

        ■ 追問

        中國空間站與國際空間站有什么不同?

        國際空間站是目前在軌運行最大的空間平臺,規模大約423噸,由美國、俄羅斯、加拿大、日本等16國聯合,先后經歷12年建造完成。

        航天五院專家表示,中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成,在總體規模上不及國際空間站,這主要是在建設思路上按照符合中國國情,有所為、有所不為來考慮,綜合當前需求和耗費等因素,不搞像國際空間站那么大規模的空間站,而是采用規模適度、留有發展空間的思路,既可以滿足重大科學研究項目的需要,又同時具備擴展和支持來往飛行器對接的能力。

        中國空間站由我國自主建造,實現了產品全部國產化,部組件全部國產化,原材料全部國產化,關鍵核心元器件100%自主可控。

        細節方面,國際空間站的蓄電池初期采用氫鎳蓄電池,后來又經歷技術升級實現了鋰電換氫鎳的過程。而中國空間站從開始就將使用鋰電技術,從技術研發基礎上已并列國際水平。太陽電池翼作為中國空間站最大的艙外產品,其在軌具備的重復展收技術、整體更換技術、柔性電纜傳輸技術都已接近并超越國際空間站的太陽電池翼的技術體系。

        何為載人航天工程“三步走”戰略?

        空間站工程是載人航天工程“三步走”的第三步,天和核心艙則是第三步的首飛之戰。

        上世紀90年代初,我國載人航天工程正式啟動,國家采取了分步實施的戰略,具體分為三步,第一步是載人飛船階段,在此期間完成了載人飛船的研制,實現了航天員天地往返等目標。第二步是空間實驗室階段,在這一階段,不僅掌握了出艙、交會對接技術,成功對航天員中期駐留太空進行了驗證,還成功驗證了推進劑在軌補加技術,完成了運送貨物補給等任務。第三步是空間站建設階段。

        中國空間站任務又分為關鍵技術驗證、組裝建造和運營三個階段,目前正處于關鍵技術驗證階段。在這個階段,將發射天和核心艙和2艘載人飛船、2艘貨運飛船,在軌驗證空間站推進劑補加等7大關鍵技術。

        中國航天科技集團五院空間站任務總指揮王翔介紹,作為人類歷史上規模最大的航天器,空間站代表了當今航天領域最全面、最復雜、最先進和最綜合的科學技術成果?!敖ǔ珊瓦\營近地載人空間站,將使我國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術,具備長期開展近地空間有人參與科學技術試驗和綜合開發利用太空資源能力的國家?!?/p>

        中國空間站的工程目標是什么?

        據航天科技集團五院專家介紹,中國空間站主要有五大工程目標。

        一是建造并運營近地空間站,突破、掌握和發展大型復雜航天器的在軌組裝與建造、長期安全可靠飛行、運營管理和維護技術,帶動相關領域和行業的科技進步。

        二是突破、掌握和發展近地空間長期載人航天飛行技術,解決近地軌道長期載人航天飛行的主要醫學問題,實現航天員長期在軌健康生活和有效工作。

        三是建成國家太空實驗室,獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰略意義的應用成果。

        四是開展國際(區域)合作。

        五是以在軌服務、地月和深空載人探測需求為牽引,試驗和驗證相關關鍵技術,為載人航天持續發展積累技術和經驗。

        新京報記者 李玉坤


        責任編輯: 李俊霞
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