作者:占康 付毅飞 来源:科技日报 发布时间:2021/7/4 17:35:30
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最好的爱留给你——航天员科研训练中心严把空间站产品质量关侧记

 

载人航天,人命关天。

“每一起事故的背后,都有9次轻微事故和300起未遂先兆,以及100起事故隐患。”“成功是差一点点失败、失败是差一点点成功。”“质量第一,生命至上”这些标语在中心的训练大厅、试验厂房、实验室到处可见,这些质量理念也深入航天员科研训练中心所有科研人员心里。

该中心主要承担着载人航天中最具载人特色的航天员系统和环控生保分系统研制和试验任务,与航天员的生命安全息息相关。该中心始终坚持一切以人的安全为最高目标,坚持把质量建设作为生命工程来抓。

正如航天员口中说的“视质量如生命的你们”,在备战空间站任务中,全体科研人员把对航天事业的热爱,倾注在了每一件产品之中,誓把最好的爱留给航天员。

47道工序做出完美面窗

2008年9月27日,航天员翟志刚穿着我国自主研制的“飞天”舱外服完成首次出舱活动任务,标志着我国成为美俄之后第三个独立掌握出舱活动技术的国家。

这120公斤重的舱外服,是航天员执行出舱活动的铠甲。它像一个人形飞船,充上一定的压力后,保护航天员的生命安全,抵御外太空的高低温、真空、强辐射等环境因素。

舱外服上的头盔面窗,是航天员进行出舱活动时观察外界的窗口,由中心研装部服装车间生产。

头盔面窗有多层,最里层名为双层压力面窗,它是整个头盔的承压密封结构,呈曲面型,直接关系到航天员的生命安全。要做到绝对安全可靠,且不说它的承压材料要经过多少轮的选择、测试,光密封加缝合就耗时两个月,一共完成47道工序,涉及的工艺规程文件摞起来约10厘米厚。

这些工序包括除尘、粘胶、缝合、密封等等,听起来简单,但流程相当复杂,严格、细致。就拿面窗除尘来说,就分两步。先吹洗,再不间断擦拭两小时左右,直到肉眼看不到一丝灰尘。

粘胶要分多轮逐步进行,每次粘胶完,都要将其放到恒温恒湿箱里进行胶固化,再进行气密性测试以及低温露点测试,可视区还要进行充分的氮气置换,防止夹层中残留的水汽在低温情况下起雾影响视线。

这一套严密的工序是研装部副部长邓小伟带着车间工人花了近一年的时间研制摸索,做了10多套样品后确定的工艺标准。空间站任务中新型舱外服、新型面窗,一切都在摸索中前进。

邓小伟说:“空间站任务中,出舱活动时间长,对服装性能要求更高,我们更需要提高质量意识,提高标准。”

在双层压力面窗制作过程中,某次,在对可视区夹层进行氮气吹除时,通过一根空心针透过密封胶层输送气体。可在针扎入的过程中,有两粒胶的碎末随之进入密封的面窗夹层。

这两个碎末也就沙粒大小,吸附在面窗夹层下沿,理论上对视觉没什么大的影响,却成了技师的“眼中钉”“心头刺”。他们尝试了各种办法,最终只能将碎末扫除到边缘区域,就是无法吸出。为了做出完美的面窗,他们从生产流程入手,改变生产工序,采用先预埋空心针再进行内外层面窗粘合的方法,彻底解决了密封胶穿刺产生多余物的这个问题。

一个面窗尚且如此精益求精,一套由100余个单机产品组成的舱外服在单机研制生产和系统总装过程中要经过严格的自检互检专检三道程序,还要进行环境试验、压力性能试验和工效验证与评价等,确保质量万无一失。

“祖国高于一切,生命高于一切。”这个质量格言深深烙印在舱外服“制衣匠”们的心里。

殚精竭虑只为宝贵的水

以往,航天员在太空生存所需的氧气和水都从地面携带,也就是非再生式环控生保系统。而在空间站上,航天员在轨时长超过3个月以上,仅靠地面补给已不能满足任务需要。因此,在空间站天和核心舱内,环控生保系统将首次应用物化再生环控生保技术,也就是舱内的氧气和水实现循环使用。这是空间站任务的四大关键技术之一,该系统是由该中心环控生保室进行研制。

再生生保技术原理是在空间站通过冷凝干燥组件可收集航天员的汗液、呼出的水汽,再通过净化装置转为可供饮用的再生水,尿液也能收集处理为可饮用的纯净水。与此同时,电解制氧系统可利用循环水电解制氧。此外,舱内二氧化碳收集起来和电解水产生的氢气反应,又能获得水,提高物资使用的闭环度。原理有了,但如何从技术到工程突破是一项世界性难题。团队成员用十年磨一剑的精神,上下求索,一路攻关,实现了这一技术,在空间站核心舱上得以应用。

微重力条件下,水气分离是个难题。无论是电解制氧、水处理、尿处理,冷凝水收集,尿液收集都要用到水气分离装置。

太空中的水气分离装置,没有现成产品,国际上也没有经验可以借鉴。各研制团队根据自身产品特点,自主研发不同原理的水气分离装置。

他们走访了国内十几家大学和科研院所,与多位行业内权威专家进行探讨,召开技术研讨会。经过数千次的试验,暴露问题,解决问题,不断地改进材料和结构,直到满足寿命、可靠性和稳定性等要求。

水气分离装置的研制从设计、研发、测试到正样花费近十年的时间,尤其是产品测试的时间要按照空间站任务指标的1.5倍余量进行考核,从而不放过任何蛛丝马迹。

据动态水气分离器设计师邓明君介绍,光电机轴承产品的某种未定型材料的寿命测试就耗费了6600余小时。

2019年4月的一天,邓明君一如往常进行正样产品的性能测试,作为核心部件的动态电机通电后开始运转,显示面板显示电流转速功耗数据一切正常,对比出厂测试数据,并无异常。可是,邓明君并没因此就放松警惕。突然,他发现电机运行噪音似乎有点异常,以往的电机噪声平稳而细腻,而这时的噪声似乎有一丝“瑕疵”,尽管容易被其他设备的噪音所掩盖,但没逃过他敏锐的耳朵,在经历了近千次的试验后,他对噪音都听出了道道。

邓明君又凑近听,并用手触摸电机,能感觉到一丝异常振动。

他果断停止试验,并上报领导后决定将电机进行拆解。果不其然,轴承内圈出现了细微的裂纹。迅速对设计图纸进行更改,对产品进行返修、再测试、再验收,有效避免了正样产品带着隐患上天。

所有产品研制都经历从单机性能测试、环境试验、性能复测、子系统联试、整舱电性能试验、人机匹配试验等重重过程。另外,还要进行全面和重点相结合的复查,各个现场的数据判读。一系列质量管控措施无一不体现了“航天员在我心中、航天员安全在我手中”的承诺。

奋战6年研发太空跑步机

保障航天员在轨生命安全的舱外航天服和环控生保产品固然重要,保障航天员在轨健康的医监医保设备同样重要。比如,在空间站任务中首次亮相的太空跑台。

大家还记得在神舟十一号飞行任务中,景海鹏和陈冬太空跑步的情形吗?当时,他们做的就是跑台束缚系统技术验证。景海鹏和陈冬穿上束缚装置,在简易跑步装置上试验了多次以后,终于轻松自如地跑起来,从而验证了束缚装置的可行性。

太空跑台的功能是什么?研究表明,航天员在太空失重环境中容易产生心肺功能减弱、血量减少、下肢肌肉萎缩、骨流失等问题,长期下去会影响航天员的健康和在轨工作能力。太空跑台就是针对这些不利影响而采取的一项防护手段。

太空跑台与咱们所见的跑步机外观类似,不同的是,由于太空的微重力环境,跑台要有隔振设计、束缚带和力负荷加载装置等。

对中心航天员健康保障工程室的跑台设计团队来说,横亘在他们面前的“拦路虎”就是隔振设计。为什么要进行隔振设计呢?由于跑步时,人体足底需要承受3—6倍自身体重的冲击力,会对空间站产生严重的影响。他们研究后发现,采用隔振设计,将冲击力降到30公斤以内,既保持跑台自身的相对稳定性又不影响空间站上其他设备的运行。

没有任何经验借鉴,太空跑台设备研制整整用了6年,这其中隔振设计从理论研制到工程实现就跨时4年左右。

如何模拟太空失重环境得到精确的设备参数值?研制团队想方设法将跑台悬吊起来,人躺在坐垫上,将腿部悬空束缚在跑台上,躺着跑步,然后在跑台各个方向测冲击力。他们选取了不同性别、年龄、身高、速度的情况全面科学采集数据。反复测试,反复调整设备参数。“当时试验在工厂的一个空荡荡的车间里进行,正值冬天,车间没有暖气,门还敞开着,大家在现场冻得瑟瑟发抖。”团队设计人员余新明回忆说。就这样持续了一个月,终于捕获了正确的设备参数。

太空跑台初样研制完毕后,团队人员又碰到下一个“拦路虎”。跑台使用时产生轻微噪声,不符合空间站噪声标准,怎么办?项目副总师刘伟波自带领团队人员前往厂家。他们用噪声计测,趴在跑台各处用耳朵仔细分辨,最后定位到数十个具体噪声源部件,经过一遍遍调整,一次次拆装,一场场测试后,噪音下降到一定数值后,就不再下降了,但离标准还差一点点。

团队人员殚精竭虑,噪音值就是“纹丝不动”。眼看着快山穷水尽了,厂家人员说:“跑台使用时才产生噪音,又不是全天候都有,而且就差一点,大不了戴个防噪音耳罩,影响不大。”“不行,为了航天员的身心健康,必须给他们创造舒适的环境,我们要尽力减少噪声源!”刘伟波坚决表示反对。

于是,他们采取愚公移山的笨方法,把1000来个零配件逐一进行审查、完善装配工艺。功夫不负有心人,在所有的零配件工艺都优化了一遍后,噪音数值终于达标。

靠着这种对待载人航天产品研制工作的严慎细实、对待产品质量的精益求精,航天员健康保障室不断打造出一件件航天员生理监测的精品产品,不断研磨出一台台健康监视的耐用设备,为航天员的飞天之旅保驾护航。

 
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