护航神舟飞天路的硬核科技有哪些?记者带你了解

2021-10-18 06:46:07

来源: 中国纪检监察报

作者:柴雅欣

责任编辑:高原

  乘坐更舒适 对接更从容 测控更精准

  硬核科技护神舟

  10月16日凌晨0时23分,一道耀眼的金光划过大漠月色,翟志刚、王亚平和叶光富三名航天员搭乘神舟十三号飞船,在长征二号F遥十三运载火箭(下文称“长二F火箭”)的助推下驶向星海,入住“天宫”。

  从火箭发射到飞船成功对接核心舱,再到航天员顺利进驻,神舟十三号如何过关斩将?背后都有哪些“功臣”为它保驾护航?记者带您一起了解那些护航神舟飞天路的硬核科技——

  1 从颠簸震动到舒适加倍,航天员火箭“专列”再升级

  神舟十三号发射升空,伴随着巨大的火箭尾焰和轰鸣声,我们从直播画面中看到,三位航天员的神情似乎与在地面无异,也没有明显的摇晃。

  与之形成鲜明对比,在神舟五号载人飞行任务中,当火箭飞行到三四十公里高度时,火箭和飞船发生了急剧抖动,产生共振,让杨利伟承受了极大的不适。后来,杨利伟在《太空一日》中回忆了那“难以承受的”26秒:“痛苦的感觉越来越强烈,五脏六腑似乎都要碎了。我几乎难以承受,觉得自己快不行了。”

  “这个让人很不舒服的共振曾是一个世界级航天发射难题。”中国航天科技集团一院长二F火箭总体主任设计师常武权告诉记者,早在20世纪60年代,美国发射大力神火箭过程中,就出现过持续30秒的振动;法国火箭也曾出现过类似问题,影响了搭载卫星的寿命。

  如何让这26秒不再“难以承受”?试验人员经过测算分析,认为“病根”可能出在氧化剂上:当氧化剂中燃料的振动频率和火箭结构的振动频率接近时,很可能发生结构与液体耦合的发散振动。经过试验分析,结论印证了此前的推测:问题出在火箭的POGO振动(纵向耦合振动)。

  找到问题根源后,长二F火箭研制团队着手改进火箭性能。首先,研制人员通过减少火箭助推器蓄压器上的膜盒,减小振动量级和时间,但振动问题仍未完全解决;研制团队再次优化设计,将助推器蓄压器改为变能量蓄压器。这个装置能够吸收燃料振动时产生的能量,改变燃料的振动频率。燃料的振动频率和火箭结构的振动频率不再接近,火箭因此就不会产生POGO振动。

  作为航天员“专列”,安全性能无疑是第一位的。长二F火箭是我国第一枚有明确0.997安全性指标要求的运载火箭。安全性指标,表示火箭出现故障时还能保障航天员安全返回的条件概率;0.997安全性指标,即假设发射出现1000次故障,所采取的救助措施中,仅允许3次不成功。

  在追求安全性的道路上,火箭研制团队没有止步。进入空间站任务阶段,长二F火箭共进行了100多项技术状态更改,其中有70余项与可靠性提升相关。这些改进不涉及重大技术状态变化,主要目的是消除薄弱环节。比如,针对发动机点火失效风险,将主机传火孔直径从4毫米改为6毫米,进一步提升点火可靠性;根据位置不同,对发动机二级游机推力室喷注口提出更加精细的角度设计要求,使推进剂能更加充分地融合和燃烧,为火箭提供强劲动力。

  与其他型号火箭不同,长二F火箭顶部有一根瘦长的“避雷针”——逃逸系统。假如火箭突发意外情况,逃逸飞行器会像“拔萝卜”一样带着返回舱飞离故障火箭。但开伞过程中,返回舱会受到地面低空风的极大影响。

  此前,逃逸飞行器只能往一个固定的方向逃逸,存在安全风险。“如果逃逸飞行器只能向东逃逸,正好这时地面吹来一股向西的风,这样,返回舱处于开伞状态时,很可能又被吹回到故障火箭附近,航天员就会陷入危险。”长二F火箭副总师刘烽说。

  为确保航天员安全,研制人员对长二F火箭逃逸安控体制进行改进,提高了保密安全性能和抗干扰性能。研制人员在现有控制逃逸发动机的基础上,新增发动机点火功能,使逃逸飞行器可以向垂直于地面风的方向逃逸,更加安全、灵活。“比如,地面刮的是南、北风,现在逃逸能力提升了,可以提前选择与南、北风垂直的方向逃逸,避开地面风。”常武权说。

  逃逸系统改进后,长二F火箭的安全性指标评估值达到0.99996的国际先进水平。即发射十万次,才会有4次逃逸失败。

  2 神舟首次径向停靠空间站,技术革新让对接更准更稳

  10月16日6时56分,神舟十三号载人飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱径向端口,与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱(船)组合体,整个交会对接过程历时约6.5小时。

  自神舟八号到神舟十二号,5艘飞船都是轴向(前向、后向)对接。这次是神舟飞船首次径向停靠空间站,即飞船与核心舱径向对接口进行对接。对接时,核心舱和飞船呈垂直状态。

  为何神舟飞船要和空间站进行径向交会对接?“因为后期要进行航天员乘组轮换,同时有两艘飞船对接空间站,径向交会对接能提高进驻空间站的通道和手段。”北京航天飞行控制中心空间站任务总师孙军表示,神舟飞船的发动机、控制系统和敏感器,都是专门为全方位与空间站对接而设计,也只有神舟飞船能和空间站进行径向交会对接。

  径向与轴向呈垂直夹角,方向变了90度,对接难度大大增加。中国航天科技集团五院总体设计部飞船型号系统总体副主任设计师高旭告诉记者,径向交会对接有“三难”,这也让此次太空“华尔兹”更加扣人心弦。

  难在持续控制姿态和轨道。前向、后向交会对接时,飞船有一个200米保持点,即使发动机不工作,飞船也能较长时间保持稳定的姿态和轨道。径向交会没有稳定的中途停泊点,需要持续控制飞船姿态和轨道,推进剂消耗大,故障处置难。

  难在确定姿态和相对位置。飞船配有敏感器,如同飞船的眼睛。由于径向交会过程中,飞船要进行由平飞转竖飞等大范围的姿态机动,所以对“眼睛”识别目标和不被复杂光照变化干扰提出了更高要求。

  难在航天员手控交会模式。径向交会对接过程中,地球这个最熟悉的参照基准基本失效,测控条件变差,且相对动力学运动特性与前向、后向交会不同,这给手控交会模式下航天员的操作增加了难度。

  首次径向交会对接顺利实施,离不开中国航天科技集团五院神舟飞船研制团队数年的技术攻关和地面实验。为适应空间站组合体不同构型及来访航天器不同停靠状态,实现与空间站前向、后向、径向交会对接和分离,研制团队设计了新的交会路径和绕飞模式,增加了绕飞、快速交会对接、径向交会对接各项功能。

  径向交会对接的复杂场景,也对微波雷达提出了更高要求。“微波雷达作为中远距离测量手段,在交会对接过程中,当飞船与核心舱相距约90公里时,微波雷达开始工作,提供两个航天器间的精确测距、测速等信息,实现远距离捕获、稳定跟踪、精准测量。”据中国航天科工集团二院25所交会对接微波雷达主任设计师姚元福介绍,神舟十三号上安装的是微波雷达二代产品,体积小、重量轻、功耗低,除了具备基本的高精度测量功能,还具有通信功能,能够根据切换指令与不同应答机进行通信,实现了核心舱多对接口对接。

  微波雷达的测量精度有多精?研制人员打过一个有趣的比方:类似于从北京识别出石家庄的一张A4纸。那高精度测量是如何实现的?“微波雷达采用伪码测距、多普勒测速、干涉仪测角等原理实现两器之间相对距离、速度、角度的高精度测量。”姚元福说。

  据了解,径向交会和前向交会都是中国空间站载人飞船正常的交会方式,会在未来空间站载人交会对接任务中交替使用。

  3 USB测控网陆、海、天基全面覆盖,航天测控通信性能更强

  “光学跟踪正常”“USB雷达跟踪正常”“遥测信号正常”……火箭在酒泉卫星发射中心腾空而起,几十秒后,指挥大厅内工作人员发出的各项“正常”口令回荡在发射场夜空。

  能听到令人安心的“正常”,USB测控网(统一S波段测控网)功不可没,它包括众多测控站和部署在大洋上的“远望号”测控船等,能实时测控火箭和飞船飞行状态。

  在载人航天任务中,西安卫星测控中心作为轨道计算备份中心,与北京航天飞行控制中心共同负责对航天器发射入轨、在轨运行、返回再入等阶段进行精准跟踪监视与计算分析。

  “从载人航天工程上马以来,经过近30年的探索与实践,我国已建成陆、海、天基全面覆盖的USB测控网。”西安卫星测控中心工程师张卓告诉记者,测控网在频段和体制上与国际兼容,集测轨、遥测、遥控、语音、电视等功能于一体,综合了测控和天地通信功能,是飞船升空后与地面联系的唯一信息线。

  此次径向交会对接整个过程都是在制导导航与控制(GNC)系统指挥下,由飞船智能自主完成。

  “在快速自主交会对接过程中,地面基本不需要干预控制,主要靠天链中继卫星进行跟踪测控。”张卓说,陆基USB测控设备整体性能相对更加稳定,在太空各种情况都未知的情况下,通过与中继卫星互为补充,组成天地一体测控网,共同护航航天员的太空之旅。

  据北京航天飞行控制中心神舟十三号任务总工程师谢剑锋介绍,面对对接方式新、在轨时间长、处置要求高等难点,任务团队攻克了大量技术难关。

  径向交会对接期间,空间站组合体和飞船大幅度姿态调整,影响中继测控和飞船能源,给测控支持模式和飞行程序安排带来变化,地面监视判断和应急处置难度由此增加。任务团队优化设计方案,细化决策判据,创新设计了以空空代传为主的测控模式和并网供电模式,克服了通信和供电难题,交会对接安全性大幅提高。

  “为确保应急故障及时有效处置,我们针对神舟十三号任务设计了400多个故障预案,组合体相关预案高达2500个,最紧急时,15秒内就必须完成发令处置。”孙军说。

  声表滤波器,是一种用于滤除高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波等干扰信号的设备,保障飞船通信清晰传回地面。由中国航天科工集团二院23所微电公司研制的声表滤波器,为神舟十三号飞船关键部位提供通信保障服务。

  使用环境不同,声表器件经受的环境要求差别很大。比如,在火箭发射阶段,器件承受巨大的加速度,声表滤波器需在剧烈的振动和冲击下正常工作;到了在轨飞行阶段,器件在失重环境下工作,外壳内外压力相差很大,产品要能在强辐射、高压力下保持正常的形状和功能。

  考虑到这些特殊需求,研制人员在器件研制过程中,按照不同使用环境,分别做好产品应力设计、可靠性设计和防辐射设计,保证器件在极端环境下正常工作,通信清晰可靠。

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值班主任:高原

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