7月24日14時22分,搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭,在我國文昌航天發(fā)射場準時點火發(fā)射,約495秒后,問天實驗艙與火箭成功分離并進入預定軌道。
25日3時13分,問天實驗艙與天和核心艙組合體在軌完成交會對接。這是空間站有航天員在軌駐留期間首次進行空間交會對接。
25日10時03分,神舟十四號航天員乘組成功開啟問天實驗艙艙門,順利進入問天實驗艙。這是中國航天員首次在軌進入科學實驗艙。
問天實驗艙是中國空間站第二個艙段,也是首個科學實驗艙。此次發(fā)射前后有哪些動人細節(jié)?中國太空家園的“新居”有哪些技術(shù)突破?
毫米“計較”,打造更大更強太空“新居”
“問天實驗艙是空間站家族里的大塊頭,艙體總長17.9米,發(fā)射重量達23噸,是我國目前最重、尺寸最大的單體飛行器,功能強大、結(jié)構(gòu)復雜、指標先進。”航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總體主任設計師張昊介紹。
“更大、更強、更全、更優(yōu)、更細”——為使問天實驗艙達到這樣的目標,設計研制隊伍團結(jié)攻克了一系列工藝瓶頸,研發(fā)了多項關鍵技術(shù),最終得以保證問天實驗艙高質(zhì)量交付、成功發(fā)射。
問天實驗艙模擬圖(航天科技集團五院供圖)
問天實驗艙中的工作艙,是我國目前最大的載人密封航天器艙體,艙段長度近10米。為了保證艙外安裝載荷的正常工作,艙外72個設備支架的接口精度要求非常高。但正是因為“個子大”,艙體結(jié)構(gòu)上的精密接口尺寸受溫度的影響也被放大,導致支架裝調(diào)過程中測量誤差大。
與此同時,當前大型艙體研制使用的廠房空間大,產(chǎn)品研制周期長,實現(xiàn)廠房長時間恒定溫度環(huán)境的難度很大。為此,航天科技集團五院529廠載人航天領域總師趙長喜帶領團隊,巧妙提出了一種虛擬恒溫測量方法,依靠數(shù)學矩陣計算原理,使易受溫度影響的測量環(huán)節(jié)可靠穩(wěn)定,最終實現(xiàn)了支架裝配的高精度,成功為問天實驗艙這個大體格雕琢出一個精準的外形,保證了問天實驗艙艙外載荷的高可靠工作。
氣閘艙是問天實驗艙最重要的組成部分之一,是未來航天員的主要出艙通道。然而要在艙體的柱段上進行出艙艙門焊接,給研制人員出了難題。以往的型號艙門處大多為規(guī)則的平面曲線焊縫,焊接厚度僅2毫米,而這個艙門焊接的位置在一個馬鞍形空間曲面上,焊接厚度還增加到5毫米,傳統(tǒng)的手工焊接已無法滿足要求。經(jīng)過反復研究測試和大量工藝試驗,航天科技集團五院的研制人員提出了空間曲線自動化焊接新技術(shù),自主研發(fā)了可柔性變化的焊接工裝,順利完成了密封艙艙門門框的焊接,各項指標均滿足設計要求。
正是近乎苛刻的對完美的追求,才打造出更優(yōu)質(zhì)的太空之家。
精確精準,護航空間站“萬無一失”
中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成,這3個艙段的發(fā)射任務都由長五B火箭執(zhí)行。2021年4月29日,長五B火箭成功發(fā)射天和核心艙,打響了空間站建造的開局之戰(zhàn)。一年后,問天實驗艙發(fā)射,長五B研制團隊再次執(zhí)“箭”出征。
航天科技集團一院長五B火箭副總設計師婁路亮說,此次長五B發(fā)射問天艙,是我國大型低溫火箭首次執(zhí)行交會對接任務,“零窗口”發(fā)射對火箭的運載能力、入軌精度和發(fā)射可靠性都提出了更高要求。圍繞任務特點,研制團隊用一年時間完成了30多項全箭飛行可靠性提升工作。
婁路亮說,交會對接就好比在太空“穿針引線”,為了更加精準、可靠地完成任務,長五B團隊在優(yōu)化射前流程、拓展發(fā)射窗口和提升運載能力上尋求突破。
研制團隊首先將各系統(tǒng)環(huán)環(huán)相扣的工作流程由“串聯(lián)”調(diào)整為“并聯(lián)”,為火箭點火前預留2分30秒的故障處理時間。然后,“在滿足入軌精度的要求下,用“起飛時間修正技術(shù)”將發(fā)射窗口擴寬至2分30秒,即使火箭沒能完全按照預定窗口發(fā)射,也能在這個時間內(nèi)通過后期的軌道修正精準完成入軌和交會對接。
團隊還將長五B火箭的運載能力提升至不低于23 噸。但大推力火箭精準入軌的難度也會變大,這就如同讓一輛正在高速行駛的汽車一腳剎車就停到指定位置。長五B火箭特有的“大推力直接入軌精度控制技術(shù)”和20.5米超大整流罩,讓空間站的艙段可以安全地到達預定軌道。
“就像眼睛不能進沙子,一個小小的多余物就可能對火箭發(fā)射和對接造成災難性的后果。”航天科技集團一院長五B火箭總體副主任設計師劉秉說,為了保證問天艙成功實現(xiàn)交會對接,長五B團隊通過技術(shù)溝通、分析論證,嚴控火箭多余物,盡量減少對艙體對接造成的影響。
此外,這一年,長五B團隊還開展了該型火箭的未來規(guī)劃論證工作。團隊對前七次飛行過程數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)梳理,將原來 60天的發(fā)射準備時間縮短至53天左右,為后續(xù)應對高密度發(fā)射任務作準備。
見證問天實驗艙發(fā)射成功,長五B團隊暫時卸下了重擔。但正如他們所說:“每次發(fā)射成功后只能高興兩個小時。”夢天實驗艙發(fā)射即將到來,他們再一次扛起重任。
從“天問”到“問天”,對太空不懈追問不變
2020年7月23日,長征五號遙四火箭托舉天問一號火星探測器,邁出了探索浩瀚宇宙的重要一步,開啟了中國人的行星探測時代。
從“天問”到“問天”,兩次發(fā)射剛好相差兩年零一天。從探索行星到建設中國人自己的空間站,兩年間,航天人從未停下前行的腳步,行星探測工程、探月工程、載人航天工程接連圓夢太空,走出一條條“問天”之路。
從“天問”到“問天”,一個“問”字揭示了它們共同的內(nèi)涵——探索和追問。問天實驗艙既是航天員的太空“新居”,也承載著空間科學研究的重要使命。
作為“國家太空實驗室”的組成部分,問天實驗艙將主要進行生命科學和生物技術(shù)研究。目前,問天實驗艙在空間生命科學與生物技術(shù)、微重力流體物理、空間材料科學、空間應用新技術(shù)試驗等4個領域方向規(guī)劃部署了10余個研究主題,已立項40余項科學項目。
中科院空間應用中心研究員、集成技術(shù)中心副主任張璐介紹,我國在載人航天“三步走”的第二步時期,在天宮一號、天宮二號開展了多種類型的科學實驗,是以單一的實驗項目為主,實驗樣品不具備更換能力和需求。如今,進入空間站階段,科研實驗將從單一分散轉(zhuǎn)為大規(guī)模集團式,在太空建造一個真正的科學實驗室。艙內(nèi)配置的科學實驗柜就是開展多種科學實驗的通用基礎平臺。
問天實驗艙內(nèi)的4個科學實驗柜。(中國載人航天工程辦公室、中國科學院供圖)
“除個別實驗柜外,大部分實驗柜的外部接口全部統(tǒng)一,內(nèi)部載荷的接口做成了國家級標準,維修更換非常便捷。同時,實驗柜也能夠兼容國際標準,為后續(xù)開展國際合作做好準備。”張璐說。
未來,空間站還將開展空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學、空間新技術(shù)及應用等4大領域的65個研究計劃,包括近千項研究項目。
空間應用系統(tǒng)副總師、中科院空間應用中心集成技術(shù)中心主任王珂說:“建成空間站只是我國空間科學研究的一個開始。后續(xù),全國的高校、科研院所和大中小學生都可以參與到空間站的空間科學實驗中來。我們也歡迎全世界的科研人員共同利用我們的平臺開展科學研究。”
編輯: 穆小蕊
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