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空间站对接成功,中国航天报揭秘“飞船逃逸技术”

京港台:2021-6-17 20:02| 来源:澎湃新闻 | 评论( 6 )  | 我来说几句


空间站对接成功,中国航天报揭秘“飞船逃逸技术”

来源:倍可亲(backchina.com)

  中国航天报微信公号6月17日消息,据中国载人航天工程办公室消息,神舟十二号载人飞船入轨后顺利完成入轨状态设置,于北京时间2021年6月17日15时54分,采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口,与此前已对接的天舟二号货运飞船一起构成三舱(船)组合体,整个交会对接过程历时约6.5小时。

  这是天和核心舱发射入轨后,首次与载人飞船进行的交会对接。

  按任务实施计划,3名航天员随后将从神舟十二号载人飞船进入天和核心舱。

  关于神舟飞船,中国载人航天工程在1992年立项时,对其理想功能状态有过一个规划。很长一段时间,这份秘而不宣的规划就是飞船系统迭代升级的方向,也能在每一次任务的工程目标中找到蛛丝马迹。

  从采用最小配置(只有8个分系统)的神舟一号试验飞船出世,到今天神舟十二号载着聂海胜、刘伯明、汤洪波前往中国空间站“天和”核心舱,当年的那一纸规划首次全部实现。

  

  三十年前,1991年3月15日。原航空航天部在中南海给中央作汇报。挂图上展示着未来飞船的逃逸系统,年近耄耋、时任载人航天工程论证领导小组首席顾问的任新民加重语气说:“新研制的项目主要是飞船的应急救生技术,称为飞船逃逸技术……”

  与任何有人参与的生产活动一样,载人航天人命关天,应急救生的目的在于保证航天员安全,不发生伤亡事故。这次神舟十二号飞船升空前,需要满足一个以前没有的约束条件,火箭方可点火发射,那就是:酒泉卫星发射中心的另一枚长二F火箭和神舟十三号飞船必须技术状态正常。

  数学上讲小概率事件不易发生。一旦有航天员或“天和”核心舱遭遇不测风云、神舟十二号飞船又发生故障无法返回的极小概率事件不幸发生,“就立即加注、发射神舟十三号飞船实施应急救援,接航天员返回地球。整个救援流程耗时16天,最快8.5天完成”。神舟载人飞船飞控技术组组长杨海峰解释,中国已步入空间站时代,“天和”核心舱在与“天舟”“神舟”合体后,还有空置的对接口供“救生船”停靠,这在天宫一号/二号任务中是无法做到的。

  最后一块拼图就这么顺理成章地补上了。

  杨海峰入职航天科技集团五院12年来,一直待在神舟飞船研制队伍里。飞船诞生至今的岁月,他亲历了后半段。而沿着历史往回寻,还是像拼图一样前后合并,或许能更好地理解为什么在神舟飞船研制队伍里会流传这么一句话——“全国人民对航天有包容心,但我们不接受失败”。

  延续多年的“高压”

  上一次载人飞行已是五年前。

  3月底,神舟十二号飞船飞控试验队进驻北京航天飞行控制中心,与在酒泉兼顾神舟十二号和神舟十三号两艘飞船的发射试验队,遥相呼应。着陆场的搜救回收试验队也准备就位。后续神舟十三号发射前,神舟十四号同样会在发射场时刻待命。

  神舟十二号发射时间临近7月1日这个特殊日子,压力显而易见。有些设计师每天拖着行李箱去上班,随叫随走,随时出差。

  

  神舟飞船系统技术副经理邵立民说,载人航天任务责任重大,工作强度高,但在进度和质量的双重要求下,必须做到二者平衡、齐头并进。

  这是一个被视为航天器技术最为复杂的大系统工程。航天器上有了人,在技术、可靠性、安全性等方面的要求都会被拔得很高。

  “高压”状态已延续多年。1998年,北京航天城在一片农田里拔地而起,厂房建设与飞船研制同步交叉进行,已经组装起来的4艘供地面试验用的初样飞船同时展开测试,按既定的“争八保九”(争取1998年、确保1999年发射第一艘无人飞船)进度要求,争分夺秒。

  大家冥思苦想,把用于地面电性能测试的试验飞船简化、改装成一艘用来发射的试验飞船。改装后的飞船要送到空间环境模拟器KM6(俗称为真空罐,用于模拟太空环境)中接受考核,开一次罐的费用是几十万元。当时航天“拮据”、元器件质量不稳定,时任飞船总设计师的戚发轫为此下了道命令:谁家产品考核出问题,谁就掏钱重新开罐。

  1998年,时任国务院总理的朱镕基看到飞船试验设备上一个部件表面加工粗糙,向承制单位提出严厉批评。当时飞船副总指挥、副总设计师施金苗多年后回忆,那些批评一直都回响在自己耳畔。干载人航天就得经历这样的“高压”,才能保证航天员顺利上去、平安回来。

  源于对质量的极度苛刻和技术的不断突破,从1999年发射的神舟一号开始,每一艘神舟飞船都不辱使命,积累的成功经验薪火相传。杨海峰也表示,和前几艘比,神舟十二号的技术状态总体变化不大,质量很稳。不过这次任务中还是会有一些“新动作”,主要是交会对接和返回着陆。

  

  效率更高的交会对接

  神舟飞船以前是和8吨级的天宫一号/二号空间实验室交会对接,两者体重相当,此次面对体重三倍于自己的空间站核心舱,还要进行首次载人自主快速交会对接。

  神舟十二号飞船上配备了控制计算机、北斗导航定位系统、微波光学敏感器等交会控制设备,不依赖地面测控系统,可以自主飞到“天和+天舟”组合体附近。这被称为“基于船上自主导引的交会方案”。以往靠地面导引飞船完成交会对接,方案成熟,需要2天左右才能完成,这次从船箭分离到对接机构锁紧只用6.5个小时左右。

  

  飞船入轨后,自己测算位置、速度等;北京飞控中心会把“天和+天舟”组合体的位置、速度信息告诉飞船。经过约4.5小时飞行、6次变轨后,飞船将来到核心舱的后下方,两者直线距离52公里,飞船运行轨道高度要低13.5公里左右。

  作为追随者,飞船不断瞄准(电视剧)、接近核心舱,并在其下方完成180°转向,建立倒飞姿态,然后升轨飞到核心舱前方200米停泊点处。飞船头部的轨道舱,对准“天和”球形节点舱的前向对接口,船上交会敏感器测量相机进行光学测量,直至对接机构锁紧,对接过程一蹴而就,耗时约30分钟。

  

  “以前交会对接过程中飞船停泊点多,400米、120米、30米,现在技术成熟,压缩时间,航天员在船里待久了也难受。”杨海峰笑言。

  “天和”核心舱上有3个对接口供飞船选择,分别是前向对接口、后向对接口,径向对接口(沿核心舱运行轨道半径方向,朝向地心)。邵立民表示,现在交会对接过程简化,效率更高。这次任务是前向对接,如果航天员平安无事,那么地面上神舟十三号飞船的应急救援待命任务解除,转为正常任务,发射后会与核心舱进行径向对接。

  无论是“北斗”指路,还是快速交会对接,都在1个月前的天舟二号任务中验证过。相比其他航天任务,载人航天任务更求稳。等到神舟十二号飞行乘组返回地球当天,飞船还会首次交会到距离核心舱径向对接口19米处,不对接,为神舟十三号飞船“探路”。

  副着陆场转正

  “神舟”“天和”“天舟”三个航天器从前到后串联在一起(电视剧)后,组合体的姿态控制权由“天和”接管,遥测参数也由它提供给地面,航天员将穿过四道舱门,进入“天和”。

  

  首先,待神舟飞船的轨道舱和返回舱两边气压平衡后,航天员打开返回舱舱门,进入轨道舱。轨道舱和节点舱之间的对接通道是真空,需要先将空气充入至负压96kPa。航天员通过快速检漏仪查看通道内是否漏气,空气负压不足的话,仪器会亮红灯报错。

  相继打开轨道舱门、节点舱门、小柱段舱门后,航天员便来到小柱段,这是他们在核心舱的生活区,再往里走是大柱段工作区。上述四道舱门打开后都不必关上,方便航天员往返。“神舟飞船上携带的生活物资只够3名航天员用5天,必须保证每道舱门都能顺利打开。”杨海峰说。

  这次航天员将在轨驻留3个月,进行出舱、科学试验等活动,刷新中国航天员巡天的时间记录。9月份,神舟飞船被“唤醒”,带航天员回家,首次实施全高度大范围的高精度返回。届时,着陆区不再是大家熟知的内蒙古四子王旗,而是以前载人航天任务的副着陆场——地处巴丹吉林沙漠和戈壁带的东风着陆场。

  杨海峰解释:“空间站轨道高度和天宫一号/二号不同,所以导致落区位置变化。”以前运行轨道固定,飞船每次都是从指定位置开始再入大气层,所以次次落在四子王旗。空间站运行在340公里~450公里的近地轨道上,轨道变化让飞船返程的出发点不再固定,所以选择了东西跨度大得多的东风着陆场。

  核心舱上很多设备可以更换,但设计寿命15年的宝贝发动机是一次性的,要省着用,如果只是为了让飞船落在四子王旗而去调整轨道面,并不是很科学,也不经济。需要“省油”时,核心舱甚至会关闭自己的发动机,转而启动天舟货运飞船的发动机,让小兄弟推着大哥飞。

  和俄罗斯联盟号飞船、昔日美国阿波罗飞船一样,神舟飞船返回舱也是采用弹道-升力式方式(半弹道式)返回,航天员承受3~5个G的减速过载。如果遇到突发情况需要应急返回,便采取弹道式再入返回。一头扎入大气层的返回舱高速自转,弹道极陡、减速很快,飞行时间和航程短,航天员会承受8个G的过载。

  返回舱上还配有两套降落伞,邵立民补充道。如果不配置备份伞,一旦主伞实效,后果将是灾难性的。飞船专门设置自动检测装置,一旦检测到故障,就会按预定程序切换到备份降落伞设置。

  类似这种在技术上采取的冗余措施,神舟飞船上随处可见。

  

  救生措施最完备的载人飞船

  今年是世界载人航天60年周年。从1961年苏联航天员加加林乘坐人类第一艘载人飞船进入太空开始,各国在这项活动中寄托了雄心壮志,也倾注了最顶尖的智慧和技术,特别是在保证航天员安全方面。

  这背后是一次次血的教训和对生命的敬畏。人类载人飞行历史上,共有18名航天员遇难,1986年美国挑战者号航天飞机爆炸的悲剧刻骨铭心。1975年“联盟18A”飞船发射时,火箭末级发动机点火后不久出现故障,借助应急救生程序船箭立即分离,航天员才幸免于难。

  因此,要造一艘最安全的“神舟”,在设计过程中遵循可靠性和安全性原则尤为重要。这条金科玉律早被写入五院神舟飞船的总体设计方案中:应该按照“一次故障——工作,二次故障——安全”的设计原则开展设计工作……

  也就是说,飞船上的任何设备若发生故障,一定要有备份、有冗余措施,以维持正常工作;再出问题,那一定要保证安全。例如,船上一共配置四种不同类型的交会对接敏感器,虽然作用距离不同,但能保证在关键测控弧段内,同时有三套设备可以工作。

  

  中国载人航天工程副总设计师张柏楠曾讲过一个“链条原理”:这是一个系统工程,一个载人系统几万个单点、几十万行软件代码,像一个环状链条,哪一个环节都不能疏忽,哪一环都至关重要。

  哪怕是一个小小的气囊。

  2001年1月,神舟二号飞船返回时发生了一些问题。时任飞船副总指挥的尚志和副总设计师张柏楠被要求立即调研有关返回舱上气囊情况,迅速拿出解决方案。

  两位老搭档领到任务后后,一度大脑空白。这是涉及航天员返回时生命安全的严肃问题。两人偶然在航空救生展览中,受到直升机弹射座椅上气囊和民航救生衣的启发,顺藤摸瓜找到一家京外机构。对方很热情,很快就设计出了样品,但有瑕疵,不满足飞船使用标准。考虑再三后这家单位决定退出,已经两地折返多趟的尚志当场急得发火,还被告了一状:态度恶劣。

  后来,还是靠航天的研究所费劲周折才解决问题,付出巨大人力物力,拿出满足要求的产品。一度走投无路的两位“副总”长舒一口气。

  干载人航天这个“天字一号”任务,遇到的艰难处境比热情相迎多,到最后基本还得靠自己度过难关。

  此时的神舟,已是世界上最安全的载人飞船之一。载人航天活动的全过程可以分为待发射段、发射段、轨道运行段、返回段和着陆段5个阶段。之前,美苏的水星号、双子星座、阿波罗、东方号、上升号五型飞船以及航天飞机,都无法在5个阶段都能拿出行之有效的救生措施,而中国神舟飞船在5个阶段都有救生措施。

  

  神舟飞船在待发射段(发射前15分钟至起飞前)出现致命性故障时,会采用应急撤离或发射台逃逸救生两种方法。前者,航天员出船,再出火箭整流罩舱口,使用逃逸滑道到达地面,进入地下掩体,完成撤离。后者,与发射段大气层内救生模式相同,主要依靠火箭上的逃逸塔拖拽飞船逃逸。

  飞船在轨飞行期间,若发生危及航天员生命的故障,或航天员出现急难病症必须立即返回地面救治,则会启动飞船提前快速应急返回着陆的方案。现在,又加了地面发射“救生船”这道保险。

  如此种种,在研制载人飞船时,科研人员穷尽大脑提前想到可能出现的紧急情况,给出对策,先保航天员安全,再考虑科学和工程上的事。

  上世纪90年代的一天,俄罗斯联盟号飞船准备发射。飞船总设计师与航天员握手告别时说,没有把握我不会送你们上天。参观人群中的戚发轫看到这一幕后反问自己:以后我敢这么说吗?

  积年累月,这个反问成了一代又一代人的动力。

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