中国空间站的“天宫基因”

来源:中国军网-解放军报作者:邹维荣 韩阜业责任编辑:杨晓霖
2019-08-02 08:51

7月19日晚,天宫二号空间实验室在轨飞行1036天后返回地球。担负并完成中国载人航天“三步走”发展战略第二步第二阶段重要任务的天宫二号,是我国第一个真正意义上的空间实验室。中国载人航天工程总设计师说,天宫二号在载人航天任务中起到了“承上启下”的作用,意义深远。

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中国空间站的“天宫基因”

■邹维荣 韩阜业

天宫二号空间实验室在与神舟十一号载人飞船交会对接。

7月19日晚,天宫二号空间实验室在轨飞行1036天后返回地球。

担负并完成中国载人航天“三步走”发展战略第二步第二阶段重要任务的天宫二号,是我国第一个真正意义上的空间实验室。中国载人航天工程总设计师说,天宫二号在载人航天任务中起到了“承上启下”的作用,意义深远。

说起“承上启下”,那么天宫二号的大量试验自然是为将来完成空间站任务作准备的,隐约可见中国空间站的影子。

据悉,目前我国空间站研制建设稳步推进,并已为其冠名“天宫”。今天,就让我们通过天宫二号一探究竟。

舒适宜居:航天员“太空之家”

空间站时代,航天员在外太空驻留,主要是在空间站内工作和生活。那么如何高效维护航天员在轨驻留期间的身体健康、方便其太空生活和工作,就成为摆在科研人员面前的一项重大课题。

依据国际惯例,在外太空驻留30天以上就可称作中期驻留。航天员景海鹏和陈冬在轨33天,完成了中期在轨驻留任务。天宫二号通过验证航天员驻留能力,为中国空间站航天员长期在轨驻留奠定了基础。

天宫二号空间实验室总设计师朱枞鹏介绍,为成功实现航天员中期驻留,天宫二号研制团队从提高生活质量、降低工作负荷、改善睡眠环境和娱乐条件等方面,对实验舱进行全新设计。这也是我国载人航天史上首次系统开展载人宜居环境设计。

“宜居技术主要分为内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等几个方面。这些创新设计的目的,就是为航天员提供人性化的空间家居环境。”天宫二号系统总体设计人员张雅彬说。

在内部装饰方面,研制团队结合航天员的建议和对国外飞行器的调研,用地板取代了地毯,让地面变得更受力。白色地板上还布有些许灰色的点,以防止航天员产生视觉疲劳。

在舱内活动空间规划方面,天宫二号将实验舱空间分为睡眠区和工作区,并安装了多功能平台,航天员可在这个平台上吃饭、看书、工作。睡眠区还采取了降噪技术,以提高航天员睡眠质量。

在视觉环境与照明方面,舱内灯光采用米黄色的色调,亮度可以手动调节,并为每个航天员安装了床前灯。

身处外太空,失重环境会给航天员工作和生活带来很多不便。为此,在天宫二号上进行了诸多针对性设计:增加硬质扶手,方便航天员在舱内借力活动;配置腰部扎带,扎带两头设有固定环,只要两边固定住,航天员四肢均可解放;设计无线头戴,以实现无线通话等。

天宫二号的天地通信能力也得到了优化。以前天宫一号只能通过电子邮件接收简单的文本信息,如今天宫二号的航天员不仅可以接收图片和视频,还能观看地面上的电视节目、电影等。

2016年10月24日,在天宫二号里已工作生活6天的航天员景海鹏、陈冬,就收到了一份珍贵礼物——来自祖国东南西北的哨兵录制的视频,向他们送上浓浓的祝福。得知那一天是景海鹏50岁生日,广大官兵及读者纷纷通过本报表达对景海鹏的生日祝福。

可以畅想,在冷寂的太空,未来的中国空间站将是一个令人神往的“温暖之家”。

能量补给:货运船“空中加油”

空间站要长期运行,运转所需的推进剂以及人员相应的工作生活物资必不可少。这就需要有一个专门的运输工具,负责运输货物补给并为空间站“加油”。

据了解,中国空间站在轨运行期间,将由“神舟”载人飞船提供乘员运输,由天舟货运飞船提供补给支持。因此,天舟一号货运飞船的推进剂在轨补加技术,将是中国空间站的另一个“天宫基因”。

推进剂加注是个“慢工出细活”的过程。在地面加注推进剂尚且困难而又危险,试想在茫茫太空进行无人操作的推进剂补加该是一件多难的事情。为突破在轨补加技术,天宫二号研制团队进行了为期3年的刻苦攻关。

北京航天飞行控制中心飞控总体主任设计师姜萍介绍,在太空实施推进剂补加,涉及到氧化剂、燃烧剂两种推进剂,对设计的安全性、可靠性提出了更严更高的要求:需要考虑两个目标、上百个阀门、几百米长的管路,以及对几十种关键设备、软件的控制。此外,整个补加流程包含几十个步骤,每个步骤又包含很多分支及指令,这些步骤和指令层层约束、环环相扣,不可有任何闪失。

为了解决这些难题,天宫二号研制团队创造性地设计出推进剂补加协同控制流程,解决了推进剂补加过程的强耦合问题,实现了补加过程的快速重新规划,以及正常和应急情况下各类分支的快速重构与切换。

管路吹除是“太空加油”的一个关键环节,既要根据实际吹除时间动态调整控制序列,又要严格按照时序对目标进行协同控制。任务中,阀门打开顺序、时间间隔都必须分毫不差,否则就可能造成推进剂冻结,堵塞补加管路。

“我们的推进剂补加流程动态规划技术很好地解决了这个问题,确保了补加过程顺利进行。”姜萍说,中心已经突破了动态规划、推进剂补加可视化、多目标协同控制和故障实时诊断等多项飞行控制关键技术,未来中国空间站的在轨补加将更加安全可靠。

故障维修:机械臂灵活自如

外太空环境复杂,空间站在长期运行过程中难免要进行设备的维修。与地面维修相比,在轨维修难度大、要求高,除了具备设备维修需要的技术和动手能力外,航天员还需要克服空间狭小和微重力环境等障碍。

为提前验证在轨维修技术,为空间站建设打下坚实基础,天宫二号承担了一系列在轨维修技术试验任务,包括液路维修、整机带电维修、板卡维修等试验项目。

空间站在轨运行的时候需要进行热交换,即把舱里的热量带到舱外区,这个过程由热管理系统完成。热管理系统需要定期维护,零部件出现问题要及时更换。

“更换维修是在线状态下进行的,验证试验无法在正样产品上进行,因此航天员将在天宫二号携带的独立系统上进行验证操作。”张雅彬说。

空间站上的电子设备众多,如果出现故障,需要进行电子单机的维修。电子单机在轨维修的一大特点是带电维修,即在设备运行状态下进行维修。因为空间站运行阶段,无法让设备停止运行以后再进行维修。这也是在轨维修的技术难点之一。

2016年10月23日,天宫二号上的另一个“小伙伴”——由中国科学院研制的天宫二号伴随卫星成功释放。这颗47公斤重、相当于一台打印机大小的伴随卫星,充当的是“小护士”一样的角色,可从外部对飞行器进行故障检测,还可完成其他地面指令。

在天宫二号执行任务中,人机协同在轨维修技术也得到了验证。通过交互软件和数据手套,航天员对机械臂操作终端系统进行控制。也就是说,航天员戴数据手套做动作,机械臂也会做出同样动作。这项试验获得了大量珍贵数据资料,对未来空间站的长期维护至关重要。

在天宫二号里,机械臂完成了使用操作工具的精细维修动作,并完整拆换了一台单机。

在完成机械臂拓展试验后,航天员景海鹏与机械臂握手,并向地面报告:“神舟十一号报告,握手感觉良好!祝贺机械臂!祝贺天宫!”

与其说这是一次握手,不如说是一次接力。天宫二号执行任务中的创新和拼搏,将会以“天宫基因”的方式在中国空间站上继续大放异彩。

天宫二号,永恒存在!

中国空间站,值得期待!

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