太空筑家园:神舟十四号背后的航天智慧

太空筑家园:神舟十四号背后的航天智慧
6月5日10时44分,我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号F遥十四运载火箭,将神舟十四号载人飞船和3名中国航天员送入太空。这标志着中国空间站任务转入建造阶段后的首次载人飞行任务正式开启。在神舟十四号载人飞船与空间站组合体成功实现自主快速交会对接后,6月5日20时50分,航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲依次全部进入天和核心舱。

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  此次神舟十四号载人飞行任务将创下多个“首次”,包括将在太空迎来神舟十五号飞船对接空间站,首次实现两艘载人飞船同时在轨;神舟十四号与神舟十五号航天员乘组将同时在轨驻留,首次实现航天员乘组在轨轮换等。

  作为空间站建造阶段的首次载人飞行任务,神舟十四号任务意义重大。2022年是空间站全面建成投入运营之年。按照我国载人航天工程规划,以神舟十三号载人飞船成功返回为标志,中国空间站已通过神舟十二号、神舟十三号两次载人飞行等任务圆满完成关键技术验证阶段任务,转入全面建造阶段,并计划2022年全面建成。

  服务神舟十四号任务的天舟四号货运飞船已于5月10日发射成功。接下来的半年里,神舟十四号航天员乘组将在轨迎来问天实验舱、梦天实验舱、天舟五号货运飞船、神舟十五号载人飞船,进行小机械臂在轨验证、大小机械臂在轨验证、利用问天实验舱气闸舱进行出舱活动验证和舱外载荷安装等建造工作。神舟十四号任务期间将全面完成以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的天宫空间站建造,建成国家太空实验室。

  神舟十四号航天员乘组也将在太空“出差”近6个月后,迎来神舟十五号航天员乘组访问并完成轮换。神舟十四号、十五号将共同遨游太空,首次实现两艘载人飞船同时在轨。届时,6名中国航天员将首次实现共同在轨驻留,在遥远的太空中,他们将一起把中国人自己的太空家园建设得“更温馨、更舒适”。

长二F火箭:“航天员专属列车”

一船被遮八方支“源”神舟十四号面临“史上最复杂”遮挡

  今年计划实施6次飞行任务,长二F火箭执行两次载人飞行任务,即神舟十四号和神舟十五号发射任务。自执行神舟十二号任务起,长二F火箭采取“发射1发、备份1发”及“滚动备份”的发射模式,为航天员的生命安全加上“双保险”。此次发射的长二F遥十四火箭,就是神舟十三号任务的应急救援火箭。与应急值班“站岗”3个月的长二F遥十三火箭相比,长二F遥十四火箭“站岗”时长翻倍。如果从2021年8月17日“吊装起竖”算起,再加上发射准备时间,其竖立时间长达近10个月,这也刷新了此前长二F遥十三火箭创下的站立6个多月的纪录,是迄今长征系列运载火箭竖立时间最长的一枚。

  作为目前我国唯一一型载人运载火箭,高可靠、高安全、高适应性是长二F火箭始终不变、摆在首位的目标,研制团队持续进行了多项技术改进,使火箭的可靠性和安全性再上新台阶。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介绍,目前,长二F火箭的可靠性评估值达到0.9894,安全性评估值达到0.99996这一国际先进水平。

  为保障航天员生命安全,长二F火箭专门设计了逃逸系统,假如火箭突发意外情况,逃逸系统启动,逃逸飞行器像“拔萝卜”一样带着返回舱飞离故障火箭。返回舱与逃逸飞行器分离后,打开降落伞,缓慢降落到地面。

  30年间,长二F火箭全程参与了中国载人航天工程“三步走”战略的每一步,自1999年首飞迄今,已成功发射14艘神舟飞船和2个空间实验室,其中包括9次载人发射任务,成功率100%。空间站完成在轨建造以后,将转入为期10年以上的应用与发展阶段,未来几年,长二F火箭还将继续以每年2发的高频率执行发射任务,在我国空间站运营过程中担纲重任。

安全可靠的“生命通道”

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     发射入轨后,神舟十四号载人飞船踏上追逐空间站的征途,并与核心舱实施自主快速径向交会对接,停靠在“太空母港”天和核心舱预留的“航天员专用通道”。

  追逐、靠近、牵手、拥抱、共舞……飞船与空间站交会对接的过程堪比一场“太空华尔兹”。作为实现交会对接的关键产品,对接机构将在这一过程中完成捕获、缓冲校正、拉近、刚性连接等一系列动作。

  随着飞船与空间站组合体逐渐靠近,飞船上的主动对接机构会推出对接环,在精准控制下与空间站组合体上的被动对接机构实现瞬间捕获。“牵手”成功后,飞船与空间站还存在着一定的姿态偏差和晃动,此时就需要通过对接机构内部的各类弹簧元件、可控阻尼机构等来实现能量缓冲、消耗及姿态偏差校正,确保对接过程中的巨大冲击能量不会对飞船内的航天员产生身体上的过载。

  待飞船姿态稳定后,主动对接机构会通过收回对接环实现相互拉近,最终“拥抱”在一起;最后,对接机构会通过锁紧12把对接锁,实现飞船与空间站的密封与刚性连接,建立起一个安全可靠的对接通道。这时候,航天员就可以依次“下船”,前往空间站。

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  从飞船进入空间站,并非像人们在地球上走进家门一样简单容易。稳稳停靠空间站后,航天员首先要打开神舟十四号飞船返回舱的舱门,来到飞船轨道舱舱门前。

  此时,轨道舱的前端主动对接机构和核心舱的被动对接机构之间,已经形成一条直径80公分、长约1米的通道,这是航天员进入空间站的“门廊”。在这里,航天员可以有足够的空间取出“钥匙”,打开通往核心舱的双重保险门。

  这条直径达80公分的圆形通道,相当于正常房间门的宽度。设计师们在地面进行了各类模拟实验,其中一项就是按照航天员体型最大包络,请一位身高1.8米、体重80多公斤的设计师进行了现场穿越人机工效评价,确保航天员“通行感觉良好”。

  对接通道打开后,航天员相当于进入一个大密封舱,为了保证航天员的舱内安全,密封舱的密封性至关重要。如何保证100%密封,对接机构框面的密封圈成为其中关键点。神舟飞船的密封圈采用双圈设计,安装在主动对接机构对接面的T型凹槽里,使密封性能得到双重保护。设计师对密封圈材料也进行了长达6年的攻关,解决普通材料在低温环境中的“脆变”特性以及长期工作后材料老化等问题,最终为航天员打造一条密不透风的“生命通道”。

黑科技:揭秘神舟飞船新“护甲” 

6月5日,神舟十四号载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射。图为推进舱管路。 庄嘉靖 摄

  宇宙空间是一个极高真空环境,航天器与外部环境的热交换只有热辐射一种方式,没有热传导,也没有热对流。当太阳直接照射到航天器表面,如果没有加防护层,温度会很快升到100摄氏度以上,而在太阳照射不到的区域,温度又会降到零下100摄氏度以下。因此,每个航天器上都有一套经过精密计算设计的热控制系统,包含热控涂层、热防护材料以及热管等。不管外部环境变化多么剧烈,这套系统都能使航天器内部维持在合适的温度范围,保证舱内航天员安全和仪器设备正常工作。

  此次“神舟十四号”发射任务中,航天器穿上了“护甲”,中国科学院上海硅酸盐研究所研制的返回舱舷窗防烧蚀污染涂层、耐高温隔热材料与组件等十余种涂层与部件得到应用。

  另外,航天器进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常高,而背向太阳的表面温度则非常低。为了保证仪器设备表面温度处于正常工作状态,航天器设计师通过在航天器外表面使用不同太阳吸收率和热辐射率的涂层,来调节其热平衡温度。神舟十四号载人飞船使用了中国科学院上海有机化学研究所研制生产的有机温控涂层。几十年来,该所几代科研人员刻苦攻关,研制出几十种不同用途的有机温控涂层,应用于中国已发射和在研的各类卫星和航天器型号上。

     现在,神舟十四号载人飞船再次身着新型热控涂层“外衣”,开启空间站任务新征程,继续呵护航天员温暖,守护航天员安全。

“神十四”面临多少挑战?

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  神舟十四号飞船在轨期间,飞船将经历复杂而严酷的在轨环境考验。尤其是在空间站组装和建造过程中,由于飞船在径向对接口停靠,将会被3个巨型舱体及其超大柔性太阳电池翼遮挡,给飞船的发电能力、舱外设备热控能力、通信保障能力带来前所未有的挑战。

     中国航天科技集团八院811所神舟飞船电源分系统主任设计师钟丹华介绍,在轨运行期间,最复杂的时候,停靠在径向对接口的神舟十四号将依次被5个飞行器遮挡,太阳能帆板发电因组合体遮挡受到较大影响。为此,中国航天科技集团八院设计师提前识别了空间站建造阶段各种飞行工况可能带来的技术风险,通过地面和太空的测试验证,解决了由于遮挡造成的神舟十四号飞船能源供需平衡难题。

  神舟十四号航天员陈冬表示,神舟十二号和神舟十三号完成了空间站关键技术在轨验证,神舟十四号任务期间要完成空间站在轨组装和建造,包括将完成问天实验舱和梦天实验舱这两个舱段的载人环境建立和十几个科学实验机柜的解锁、安装,计划做2至3次的出舱活动,包括首次利用气闸舱和小机械臂进行出舱。“可以说,长达6个月的飞行,任务更重、难题更多、挑战更大,为此我们准备了两年半的时间,做了大量的工作。我坚信,有全国人民的大力支持,有全体科研人员的保驾护航,有科学扎实的训练准备,我们乘组一定会以满格的信心、满血的状态、满分的表现,坚决完成任务。”陈冬说。

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  “这次任务期间,空间站由单舱组建成三舱三船构型,其间要经历9种组合体构型,实施5次交会对接、3次分离撤离和2次转位任务,同时还要完成3个实验舱大量的科学实验,开展科普和公益活动等等。”神舟十四号航天员刘洋介绍,舱段、实验、设备更多,对航天员的身体、心理、知识、储备、技能方方面面都提出更高要求。

  “三舱结构的空间站更宽敞、更舒适,但需要照料、管理的东西也更多。”首次飞天的神舟十四号航天员蔡旭哲说,三舱结构的空间组合体,系统更加复杂,出现故障的概率也会增加,所以航天员需要具备强大的维修能力。“我们也向神舟十二号、神舟十三号航天员们取经。比如,他们建议,入轨初期,由于人体要适应失重环境,工作就不能安排太多,不能安排太精细的操作。”蔡旭哲说。

  根据任务要求和三人特点,航天员乘组进行了分工。陈冬是指令长,主要负责抓总和出舱活动,刘洋负责物资管理和机械臂操作,蔡旭哲主要负责环控设备运行与维修。

     随着本次发射任务的成功,后续相继还将发射问天和梦天实验舱。此举意味着中国空间站的体积和容量进一步扩大,将有能力容纳更多的航天员和试验设备。

 

     来源:中新网、新华社、学习军团、人民日报等综合