作者:邱晨辉 来源:中国青年报 发布时间:2016/9/20 10:10:20
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中青报:揭秘天宫二号的“太空黑科技”

天宫二号模拟图 航天科技集团五院供图

9月15日22时4分,中秋节的夜晚,我国第一个完全意义上的空间实验室天宫二号,成功飞向太空。在接下来的一个月,它将在太空中等待神舟十一号的到来,两者完成交会对接,为航天员组建“太空之家”。

届时,航天员将在这里工作和生活30天,这也将成为我国迄今载人飞行时间最长的一次。2013年,我国3名航天员曾经在天宫一号停留15天,验证了“短期”在轨驻留。而这一次,航天员将在天宫停留比之前长一倍的时间,以验证“中期”的在轨驻留。

这并非易事。如何保证航天员在30天的失重环境里有一个良好的生活、工作状态?中国青年报·中青在线记者采访了天宫二号总研制单位——航天科技集团第五研究院(以下称五院)的相关专家。

精装修:动感单车、私密通话设备俱全

五院天宫二号总设计师朱枞鹏告诉记者,与天宫一号的“简单装修”不同,由天宫二号和神舟十一号所组成的“太空之家”是“精装修”。“精”到什么程度,连内部装饰材料、生活辅助设施、照明设备、空气环境等细节,都能用“科学设计”来形容。

如果把天宫二号和神舟十一号的对接组合体,比作“太空之家”的话,那么天宫二号就是这个家的“大开间”。朱枞鹏说,在天宫与神舟的组合体中划分了工作、生活、试验、睡眠、娱乐、垃圾存放等区域。

在天宫二号,航天员工作和生活的空间大约有15立方米。占地较大的是供航天员锻炼身体用的“跑台”,以及工作用的“多功能平台”,朱枞鹏说,这两者采用了折叠方式进行收纳,以最大程度节省空间。

在远离地球393公里的冷寂太空,执行长达30天的飞行任务,不仅是对我国空间保障能力的严峻挑战,也是对航天员生理和精神的双重考验。这就要求在天宫二号这个大开间里,健康、娱乐的设施一个也不能“落下”。

比如,天宫二号所准备的跑步机、“动感单车”。五院天宫二号空间实验室飞船工程师张雅彬介绍,航天员长期生活在有重力的地面环境里,一旦进入失重环境,身体会发生各种变化,产生诸多不适应,这些变化被称为失重生理效应。为保障航天员的生理健康,健身器材十分必要。

还有,为航天员量身定制的“健身神器”——骨丢失对抗仪,也叫“对抗骨质疏松的仪器”。张雅彬说,这是保证在太空飞行中的航天员身体健康的重要仪器,它通过敲打人体小腿部位相应穴位,刺激骨骼、改善血液循环,保障骨骼健康。

面对在轨30天的挑战,为了让航天员生活有张有弛,设计师们还在天地通话、视频、电子邮件方面巧花心思。

张雅彬说,借助天地链路,通过地面数据转换,航天员在轨时可以与地面实现视频互动,还能在轨阅读电子书或期刊。天宫二号还支持地面转播电视新闻、比赛等实时音频、视频信号,并配备了音响设备。

值得一提的是,在天宫二号的睡眠区里,设计师们还专门增加了“云插座”,可供航天员与家人进行私密通话。

“‘一切为载人、全力保成功’是我们的工作理念,更是我们的实践标尺”,五院院长张洪太说,在天宫二号和神舟十一号设计研制过程中,五院力争为航天员打造“五星太空之家”,让航天员在遥远的深空体会到“家”的舒心和温暖,能够更为安全、高效、愉悦地投身各项飞行试验任务中。

高智能:“神器”武装“太空之家”

事实上,天宫二号最初只是天宫一号的备份产品,在天宫一号发射时,天宫二号已经设计研制出来了,但随着天宫一号任务的圆满成功,天宫二号被赋予了开展航天员中期驻留、在轨维修技术试验等新使命。

朱枞鹏说,科研人员为此对天宫二号进行了全面的改装和升级,不仅解决了天宫一号在轨运行过程中暴露出的产品设计瑕疵,更极尽所能、集智攻关用各类“神器”武装“太空之家”,在很大程度上提升了它的性能和智能化程度。

以“太空之家”的“大脑”为例,就是一个高智能化的产物。这个控制计算机系统和自主研发的spaceOS2操作系统,可自主地进行航天器飞行轨道、姿态调整、运行状态的智能化诊断,以及遥测下传、地面遥控指令的执行。

值得一提的是,这一系统可以实现“一心多用”,能同时管理运行几十个任务,并具备着从三台互为备份的计算机中发现错误、下达正确指令的“三机容错”功能。朱枞鹏说,这真正意义上实现了多台计算机在故障时的无缝切换,为航天员在太空的工作生活提供了有力的生命保障。

噪音,是航天员在空间环境中能否安心工作的一大影响因素,然而,工作舱内一些设备需要日夜不停地工作,会发出各种噪声,这对航天员来说堪称一种“折磨”。

五院天宫二号空间实验室飞船工程师尚明友说,为最大限度地减轻噪声对航天员的影响,该院制定出严格的生活区和仪器区噪声控制指标,并采取设备分区安装、增设吸能装置、优化消声装置等方法,把航天员工作区和生活区的噪音控制在了50分贝这一适宜的程度。

尚明友还提到,为了避免夜间天宫二号飞行进出测控区时的语音通报影响航天员睡眠,科研人员还特意增加了“禁止功能”——航天员可以根据需要自行决定是否屏蔽测控区的语音通报。

在太空,航天员处于失重状态,行动时,往往都需要借助踩踏内部结构的反作用力,但在天宫一号时代,航天员踩踏时,总有一种脚下软质内饰“一踩一个坑”的不便。

一种轻量化的硬件材料解决了这一问题。尚明友还告诉记者,科研人员在天宫二号的多个区域,增加不少硬质扶手,并引入了驻留腰带、头戴式无线蓝牙耳麦等设计来解放航天员的双手。

体贴入微:最舒适的温度和颜色

人体最舒适的体表温度是23℃,相对湿度在50%附近。朱枞鹏告诉记者,天宫二号所携带的热控系统,便可将密封舱的空气温度控制在22~24℃,相对湿度控制在45%~55%这一人体最舒适的环境。

事实上,如何长时间提供适合人生活的环境,如何长时间提供舒适的温度、颜色等“体贴入微”的环境设计,都将在天宫二号任务中得到验证,为航天员长期在轨驻留提供了有力保障。

载人航天器热控与卫星热控的最大区别就在于,载人航天器热控分系统既要保证仪器设备和结构的温度,还要为航天员提供舒适的温湿度环境。

如同我们熟知的家用空调一样,天宫二号的热控系统也能在炎热潮湿的夏天,为室内送来冷风,并除去空气中的湿气,在寒冷干燥的冬天,为室内带来热风,并加湿干燥的空气,让室内温湿度始终保持在人体最舒适的范围内。

不过,这个“天宫牌”的空调,也不完全等同于家用空调。家用空调一般要实现20平方米房间的制冷,空调的功率约1200W。不过在外太空,电资源是非常宝贵的,按照五院总体部专家的说法,在太空使用1200W功率的东西显得过于奢侈。

因此,“天宫牌”的空调不再需要使用压缩机,而是直接利用外太空的冷背景,以及单相流体回路的热量收集和传递功能,将密封舱内的仪器设备产热、化学产热和航天员产热共计几千瓦的热量,通过辐射器排散到外太空。这使得其整个空调系统的功率仅有220W左右。

另一个称得上“体贴入微”的设计要属颜色了。

科研人员为天宫二号漆上了不同的颜色,四周的墙面选择了明亮的米白色,底部选择了深灰色,工作台等面板采用了天蓝色。尚明友说,这一多层次的颜色划分,有望带给航天员一种清爽的感觉。

值得一提的是,这种漆可不一般,是特质的“航天漆”,其首要技术指标就是“环保”,不能含有任何有毒有害成分。毕竟,在太空环境中,没有了重力、气压的束缚,物质的挥发速度是在地面上的数倍。朱枞鹏说,一旦密闭的舱体内使用的涂料含有有毒物质,那将直接危害到航天员的健康。

他还透露,为保障航天员在太空的空气质量,五院的科研人员专门研制了环控检测装置,它可以同时完成“太空之家”内二氧化碳、乙醛等20多种气体及有害微生物的浓度监测,一旦有害物质含量超过预警值时,就会立即报警并指示航天员按照预定方法进行处理,以保证航天员的生命安全。

中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报 ( 2016年09月20日 11 版)

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天宫二号的三大杀手锏

天宫二号 航天科技集团五院供图

9月15日晚22时许,在长征火箭的托举下,天宫二号来到了广袤苍凉的太空,接替它的“大姐”——天宫一号,开始守望神州大地。

这次天宫二号不仅是航天员的“太空家园”,还作为我国第一个完全意义上的空间实验室,肩负着许多航天新技术、新产品的验证工作,那么它究竟有哪些可圈可点之处?中国青年报·中青在线记者采访天宫二号的抓总研制单位航天科技集团第五研究院(以下称五院)相关专家进行盘点。

维修像插拔U盘一样便捷

便捷维修,是天宫二号的一大杀手锏。科幻电影里,当一套大型设备发生故障时,科研人员可以像插拔U盘一样,快捷地拔下损害的部件,插上一个新部件,然后,设备恢复正常运转。

如今,这样的场景将在天宫二号上真实上演。

根据五院天宫二号总设计师朱枞鹏的介绍,五院科研人员通过合并同类项的理念,对天宫二号的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化模块设计,打造出了可快速更换的模块单元。

拿智能配电单元来说,五院的科研人员就满足了产品长寿命、高可靠、操作方便等要求,在我国航天器上首次采用了“插拔式”的结构设计,在地面的模拟试验中,科研人员只需用几分钟就能完成一次维修更换。

这就是由该院529厂研制的配电“管家”。众所周知,航天器电源系统的可靠性及安全性,一直是航天器系统重点关注的问题之一,而传统的航天器电源系统核心部件“开关”,往往采用机械触点的继电器开关,一旦机械触点“开关”发生故障,将对航天器的性能及可靠性产生重大影响。

在普通民众住宅的墙上,都会有一个不起眼的电源控制箱,当家里某个电器发生短路时,里面的开关就会自动跳闸进行保护。电源控制箱的一个主要功能就是供电开关,而天宫二号的配电“管家”不仅能够像普通的供电开关那样供上电,还能在故障时切断电,在故障修好后又自动能恢复供电。

当然,在试验室里,科研人员可以只用几分钟就能完成一次维修更换,但上了天,一切可能会显得不一样。为了确保航天员在太空环境能够熟练地操作,这些科研人员还通过多次模拟试验,编制出一份量化到步、图文并茂的操作手册,为宇航员开展在轨维修试验提供“看得见”的方便。

“固若金汤”:做漏气缓慢的篮球

天宫二号是一个外部真空、内部有1个大气压的结构。要评价它的安全性,其中一个重要指标就在于,在未来两年的在轨飞行过程中,“漏气量要非常小”。就如同再好的篮球早晚也会漏气,只是,好的产品和设计可以让漏气非常缓慢。

根据五院总体部专家的说法,天宫二号的结构,从整体上来看是一个金属制成的结构,但由于其内部包括观察舷窗、开关舱门等容易漏气的部件,“密封”成了一个必须要解决的问题。

这其中最为关键的是密封圈,一般的密封圈都存在老化问题,更何况太空中温度变化更加激烈。五院总体部的科研人员就从配方开始研究,再到密封圈的结构形式,密封结构设计等等。最终,他们打赢了这一仗,这也让天宫一号在轨两年的安全运行,成为结构设计一张闪亮的“名片”。

不过,结构设计人员并未就此停止脚步——这个“太空实验室”自身安全还不够,空间碎片、太空垃圾随时都可能是威胁。有没有可能在空间碎片撞击大开间的时候,及时发现感知并定位其所在的位置?

灵感最终出自人类自己——人类本身就是很好的感知系统,通过神经系统来及时发现外部刺激。这些科研人员开始考虑:在传统结构上能否增加一套神经系统,来实现对撞击的感知。

据五院总体部专家透露,这套“神经系统”,将有望在不远的未来得以应用,扩展结构功能,实现更为安全的太空居室。

只携半箱“油”升空,边飞边“加油”

根据朱枞鹏的说法,天宫二号担负着验证未来我国空间站技术的重任,因此,在轨道设计上,天宫二号选择了距离地球393公里的轨道,这也是未来我国空间站运行的轨道高度。

相比之前载人航天任务的轨道,这个轨道足足高出了50公里。不过,天宫二号和神舟十一号未来要组成的“太空之家”,仍属于低轨道航天器,它运行在距离地球400公里不到的太空,这一位置,仍会有稀薄的大气。

根据专家的说法,受大气阻力影响,航天器运行速度会不断下降,并导致轨道高度不断下降,为了维持相对稳定的轨道高度,需要航天器不断消耗所携带的推进剂。

于是,天宫一号发射前,“油箱”会加得满满的。其携带的推进剂足有一吨多。不过,如今的天宫二号,却只加了半箱“油”。这要多亏了科研人员所研制的在轨补加系统,它可以实现天宫二号在太空边飞行边“加油”,这将极大地提高它的在轨运行时间。

朱枞鹏说,天宫二号没有了“粮草不足”的后顾之忧,节省的重量还可以携带更多的载荷产品和航天员的生活物资。

事实上,用“研制不止、试验检验不停”来形容“太空之家”的诞生并不为过——在天宫二号和神舟十一号研制过程中,五院科研人员考虑到“太空之家”中长期在轨、在轨加注等任务的特点,专门推出了连续100小时模拟飞行试验、航天员中期驻留地面1:1试验等各种试验,在整船累计电测时间上,更是突破了1500小时,刷新了天宫一号创造的纪录。

箭指苍穹、探索宇宙的征途上从来都不会一帆风顺,总是遍布荆棘和坎坷,甚至会遭遇失败。俄罗斯联盟号、美国挑战者号都是惨痛的教训。

五院党委书记赵小津也表示,尽管该院实施载人航天任务至今保持着100%的全胜战绩,可他们始终以“如履薄冰”的态度对待每次新任务,以“首飞、首战”的标准和行动来高标准、严要求开展各项工作,以打造让自己、让航天员、让祖国和人民放心的航天器。

中国青年报·中青在线记者 邱晨辉 来源:中国青年报 ( 2016年09月20日 11 版)

 
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