中國空間站的“天宮基因”

來源:中國軍網-解放軍報作者:鄒維榮 韓阜業責任編輯:楊曉霖
2019-08-02 08:51

7月19日晚,天宮二號空間實驗室在軌飛行1036天後返回地球。擔負並完成中國載人航天“三步走”發展戰略第二步第二階段重要任務的天宮二號,是我國第一個真正意義上的空間實驗室。中國載人航天工程總設計師說,天宮二號在載人航天任務中起到了“承上啓下”的作用,意義深遠。

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中國空間站的“天宮基因”

■鄒維榮 韓阜業

天宮二號空間實驗室在與神舟十一號載人飛船交會對接。

7月19日晚,天宮二號空間實驗室在軌飛行1036天後返回地球。

擔負並完成中國載人航天“三步走”發展戰略第二步第二階段重要任務的天宮二號,是我國第一個真正意義上的空間實驗室。中國載人航天工程總設計師說,天宮二號在載人航天任務中起到了“承上啓下”的作用,意義深遠。

說起“承上啓下”,那麽天宮二號的大量試驗自然是爲將來完成空間站任務作准備的,隱約可見中國空間站的影子。

據悉,目前我國空間站研制建設穩步推進,並已爲其冠名“天宮”。今天,就讓我們通過天宮二號一探究竟。

舒適宜居:航天員“太空之家”

空間站時代,航天員在外太空駐留,主要是在空間站內工作和生活。那麽如何高效維護航天員在軌駐留期間的身體健康、方便其太空生活和工作,就成爲擺在科研人員面前的一項重大課題。

依據國際慣例,在外太空駐留30天以上就可稱作中期駐留。航天員景海鵬和陳冬在軌33天,完成了中期在軌駐留任務。天宮二號通過驗證航天員駐留能力,爲中國空間站航天員長期在軌駐留奠定了基礎。

天宮二號空間實驗室總設計師朱枞鵬介紹,爲成功實現航天員中期駐留,天宮二號研制團隊從提高生活質量、降低工作負荷、改善睡眠環境和娛樂條件等方面,對實驗艙進行全新設計。這也是我國載人航天史上首次系統開展載人宜居環境設計。

“宜居技術主要分爲內部裝飾、艙內活動空間規劃、視覺環境與照明、廢棄物處理、物品管理、無線通話等幾個方面。這些創新設計的目的,就是爲航天員提供人性化的空間家居環境。”天宮二號系統總體設計人員張雅彬說。

在內部裝飾方面,研制團隊結合航天員的建議和對國外飛行器的調研,用地板取代了地毯,讓地面變得更受力。白色地板上還布有些許灰色的點,以防止航天員産生視覺疲勞。

在艙內活動空間規劃方面,天宮二號將實驗艙空間分爲睡眠區和工作區,並安裝了多功能平台,航天員可在這個平台上吃飯、看書、工作。睡眠區還采取了降噪技術,以提高航天員睡眠質量。

在視覺環境與照明方面,艙內燈光采用米黃色的色調,亮度可以手動調節,並爲每個航天員安裝了床前燈。

身處外太空,失重環境會給航天員工作和生活帶來很多不便。爲此,在天宮二號上進行了諸多針對性設計:增加硬質扶手,方便航天員在艙內借力活動;配置腰部紮帶,紮帶兩頭設有固定環,只要兩邊固定住,航天員四肢均可解放;設計無線頭戴,以實現無線通話等。

天宮二號的天地通信能力也得到了優化。以前天宮一號只能通過電子郵件接收簡單的文本信息,如今天宮二號的航天員不僅可以接收圖片和視頻,還能觀看地面上的電視節目、電影等。

2016年10月24日,在天宮二號裏已工作生活6天的航天員景海鵬、陳冬,就收到了一份珍貴禮物——來自祖國東南西北的哨兵錄制的視頻,向他們送上濃濃的祝福。得知那一天是景海鵬50歲生日,廣大官兵及讀者紛紛通過本報表達對景海鵬的生日祝福。

可以暢想,在冷寂的太空,未來的中國空間站將是一個令人神往的“溫暖之家”。

能量補給:貨運船“空中加油”

空間站要長期運行,運轉所需的推進劑以及人員相應的工作生活物資必不可少。這就需要有一個專門的運輸工具,負責運輸貨物補給並爲空間站“加油”。

據了解,中國空間站在軌運行期間,將由“神舟”載人飛船提供乘員運輸,由天舟貨運飛船提供補給支持。因此,天舟一號貨運飛船的推進劑在軌補加技術,將是中國空間站的另一個“天宮基因”。

推進劑加注是個“慢工出細活”的過程。在地面加注推進劑尚且困難而又危險,試想在茫茫太空進行無人操作的推進劑補加該是一件多難的事情。爲突破在軌補加技術,天宮二號研制團隊進行了爲期3年的刻苦攻關。

北京航天飛行控制中心飛控總體主任設計師姜萍介紹,在太空實施推進劑補加,涉及到氧化劑、燃燒劑兩種推進劑,對設計的安全性、可靠性提出了更嚴更高的要求:需要考慮兩個目標、上百個閥門、幾百米長的管路,以及對幾十種關鍵設備、軟件的控制。此外,整個補加流程包含幾十個步驟,每個步驟又包含很多分支及指令,這些步驟和指令層層約束、環環相扣,不可有任何閃失。

爲了解決這些難題,天宮二號研制團隊創造性地設計出推進劑補加協同控制流程,解決了推進劑補加過程的強耦合問題,實現了補加過程的快速重新規劃,以及正常和應急情況下各類分支的快速重構與切換。

管路吹除是“太空加油”的一個關鍵環節,既要根據實際吹除時間動態調整控制序列,又要嚴格按照時序對目標進行協同控制。任務中,閥門打開順序、時間間隔都必須分毫不差,否則就可能造成推進劑凍結,堵塞補加管路。

“我們的推進劑補加流程動態規劃技術很好地解決了這個問題,確保了補加過程順利進行。”姜萍說,中心已經突破了動態規劃、推進劑補加可視化、多目標協同控制和故障實時診斷等多項飛行控制關鍵技術,未來中國空間站的在軌補加將更加安全可靠。

故障維修:機械臂靈活自如

外太空環境複雜,空間站在長期運行過程中難免要進行設備的維修。與地面維修相比,在軌維修難度大、要求高,除了具備設備維修需要的技術和動手能力外,航天員還需要克服空間狹小和微重力環境等障礙。

爲提前驗證在軌維修技術,爲空間站建設打下堅實基礎,天宮二號承擔了一系列在軌維修技術試驗任務,包括液路維修、整機帶電維修、板卡維修等試驗項目。

空間站在軌運行的時候需要進行熱交換,即把艙裏的熱量帶到艙外區,這個過程由熱管理系統完成。熱管理系統需要定期維護,零部件出現問題要及時更換。

“更換維修是在線狀態下進行的,驗證試驗無法在正樣産品上進行,因此航天員將在天宮二號攜帶的獨立系統上進行驗證操作。”張雅彬說。

空間站上的電子設備衆多,如果出現故障,需要進行電子單機的維修。電子單機在軌維修的一大特點是帶電維修,即在設備運行狀態下進行維修。因爲空間站運行階段,無法讓設備停止運行以後再進行維修。這也是在軌維修的技術難點之一。

2016年10月23日,天宮二號上的另一個“小夥伴”——由中國科學院研制的天宮二號伴隨衛星成功釋放。這顆47公斤重、相當于一台打印機大小的伴隨衛星,充當的是“小護士”一樣的角色,可從外部對飛行器進行故障檢測,還可完成其他地面指令。

在天宮二號執行任務中,人機協同在軌維修技術也得到了驗證。通過交互軟件和數據手套,航天員對機械臂操作終端系統進行控制。也就是說,航天員戴數據手套做動作,機械臂也會做出同樣動作。這項試驗獲得了大量珍貴數據資料,對未來空間站的長期維護至關重要。

在天宮二號裏,機械臂完成了使用操作工具的精細維修動作,並完整拆換了一台單機。

在完成機械臂拓展試驗後,航天員景海鵬與機械臂握手,並向地面報告:“神舟十一號報告,握手感覺良好!祝賀機械臂!祝賀天宮!”

與其說這是一次握手,不如說是一次接力。天宮二號執行任務中的創新和拼搏,將會以“天宮基因”的方式在中國空間站上繼續大放異彩。

天宮二號,永恒存在!

中國空間站,值得期待!

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