“天和”成功发射!中国空间站建造全面开启! 上太空 安个家
2021-04-30 07:56

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  4月29日,我国在海南文昌用长征五号B遥二运载火箭成功将空间站天和核心舱送入预定轨道,中国空间站在轨组装建造全面展开。这是中国空间站建造阶段的首次发射。

  在太空中建立自己的空间站都有哪些难点?对于我国的航天事业来说又有着怎样的重要意义?龙8官方网站手机版晚报特邀南京航空航天大学航天学院教授闻新进行了解读。

  天和核心舱发射成功

  “15分钟准备!”4月29日11时08分,发射任务01指挥员廖国瑞的口令响彻文昌航天发射场。

  “10、9……3、2、1,点火!”11时23分,伴着山呼海啸般的巨响,长征五号B运载火箭拖曳着耀眼的尾焰拔地而起。

  “火箭飞行正常!”“跟踪正常!”“遥测信号正常!”……指控大厅内,火箭飞行数据从各测控点实时接力奔涌而至。

  约174秒,整流罩分离。

  约494秒后,舱箭成功分离。天和核心舱准确进入预定轨道,发射任务取得圆满成功!

  中国空间站建造全面开启

  “这次发射任务成功,标志着中国空间站在轨组装建造全面展开,为后续关键技术验证和空间站组装建造顺利实施奠定了坚实基础。”中国载人航天工程办公室主任郝淳表示。

  根据计划,天和核心舱将先后迎接天舟货运飞船和神舟载人飞船的访问,关键技术验证后与问天实验舱、梦天实验舱实施交会对接,完成空间站三舱组合体在轨组装建造。

  1992年,党中央作出实施载人航天工程“三步走”发展战略,目前已实现11名航天员共14人次太空飞行和安全返回,圆满完成第一步、第二步全部既定任务。

  “天地运输走廊”正式搭建

  长征五号B遥二火箭成功将空间站天和核心舱精准送入预定轨道,成功跑出我国航天工程空间站建设“第一棒”。之后,长征七号运载火箭和长征二号F运载火箭将接力发射货运飞船和载人飞船,这将是我国航天历史上首次呈现多型长征火箭执行同一任务的情况。

  这三型火箭将共同构建起我国载人航天工程的“天地运输走廊”,在“十四五”期间携手实施多次飞行任务,助力中国空间站在两年内建成。

  核心舱凝聚“南航智慧”

  “天和”核心舱及长征五号系列火箭的相关研究中,都有着南航人的身影。天和核心舱方面,航空学院文浩教授团队在“空间结构在轨自主组装的动态控制”方面,自动化学院吴红飞教授团队在“空间站大功率电源系统”方面,机电学院田威教授团队在“核心舱复杂结构原位多机器人协同装配技术”方面,航天学院陈金宝教授团队在“机械臂和展开机构”方面、王小涛教授在“空间在轨机器人”方面、陈传志副教授在“新型空间弱撞击对接机构及其柔顺控制技术”方面开展相关研究,这些研究均为核心舱顺利研制提供了技术支撑作用。以航空学院郭万林院士为代表的南航科研人员为长征五号的成功发射,尤其是2017年第二次发射以来的归零和验证工作提供了“南航智慧”。

  发射难点在哪里?

  举世瞩目“第一棒”!它是核心舱发射的“专属列车”

  长征五号B是专门为我国载人航天工程空间站建设而研制的一型新型运载火箭,是我国目前近地轨道运载能力最大的新一代运载火箭。这是长征五号B运载火箭的首次应用性发射。

  “天和”核心舱的发射,核心难点在哪里?闻新教授表示,发射对中国航天来说已是“驾轻就熟”,成功与否的关键,在于长征五号B遥二运载火箭,也就是航天迷们俗称的“胖五”火箭的承重能力。“毕竟是22吨左右的核心舱,但承重这一问题目前已经解决。”

  据介绍,研制团队相继攻克了超大整流罩研制等一系列核心技术,并结合空间站舱段任务特点,为长征五号B火箭事先规划了应急轨道,这也是我国首次在非载人火箭上应用该项技术。

  独门绝技

  ●“量身定制”巨大整流罩,让分离更安全可靠

  长征五号B有一个巨硕的整流罩,长达20.5米,直径5.2米,躺下有一节动车车厢那么长,竖起来有6层楼那么高。“天和”核心舱长16.6米,最大直径4.2米,装进火箭整流罩里,像坐进了飞机的头等舱一样舒适。体积越大就意味着整流罩在分离时的弹性变形越大,所需要的分离能源越大。

  6层楼高的整流罩采用流线型的冯·卡门曲线外形,可以更好地减小空气阻力,减轻载荷影响,分离也更安全可靠。

  ●一级半直接入轨,自带高可靠性“基因”

  火箭助推器配置液氧煤油发动机,一级火箭配置氢氧发动机。氢氧和液氧煤油两种发动机组合形成的基因,决定了能够构造出一级半直接入轨的火箭。长征五号B是目前世界在役火箭中唯一一级半直接入轨的火箭。这种设计简洁的系统,使火箭无需进行级间分离、高空发动机启动等动作,固有可靠性天生就高。

  ●突破“零窗口”发射技术,为交会对接赢得±1分钟

  由于后续实验舱要与核心舱通过交会对接,在轨进行组装,所以要求火箭“零窗口”发射。研制团队对箭上控制系统迭代制导方案进行优化改进,实现了起飞时间与预定时间的误差不超正负1分钟。就是说,只要在这个两分钟里点火起飞,火箭到达的都是唯一的终点。

  如何在太空建房?

  11次飞行任务将“三室两厅”一间一间“拼”起来

  为什么要建空间站?在太空开展长期科研,让航天员“有地方住”

  在太空中,人类怎样才能“呆得久”?首先得“有地方住”。空间站就是航天员在太空中住的“房子”,有了它,航天员才能在太空中开展科研活动,长时间生活下去。“对于飞船而言,空间站就是‘码头’。同时,空间站也是太空实验室,科学家可以在里面开展一些空间科学实验。”闻新教授告诉记者,空间站具有体积大、寿命长、功能强和载人多等优点。“目前,在太空中只有一个空间站——国际空间站,它由美国主持研制,共有16个国家参加。中国当时也申请参与,但美国拒绝了中国的申请。”我国于上世纪90年代开始启动载人航天工程,规划了“三步走”战略。从发射载人飞船将中国航天员送入太空,到太空出舱、发射空间实验室,如今已走到第三步。随着空间站工程全面展开,中国正式迈入了“空间站时代”。

  据悉,中国的空间站未来还有一个重要计划,在空间站建造完成后,会单独发射一个十几吨的光学舱,与空间站保持共轨飞行状态。光学舱命名为“巡天”,具备自主飞行能力,正常任务时与空间站共轨飞行。需要燃料补给和设备维修时,光学舱可与空间站对接,进行推进剂补加和设备维修维护。

  “太空房子”怎么盖?像“堆积木”一样,一间一间“拼”出“三室两厅”

  如果把神舟飞船比作一辆轿车,天宫一号和天宫二号相当于一室一厅,空间站则像是三室两厅还带储藏间。“三室”指核心舱天和、实验舱问天和梦天三个舱段,“两厅”指神舟载人飞船、天舟货运飞船,整体呈T字型。

  “空间站由三个舱段组成,这一次搭载长征五号B遥二运载火箭升空的,是‘天和’核心舱。”闻新教授告诉记者,如果将它和地球上的“房子”做一个类比,核心舱的作用,好比是房子的客厅,负责空间站组合体的统一管理和控制,支持实验舱、载人飞船、货运飞船等飞行器与其交会对接和在轨组装,具备接纳航天员长期访问和物资补给的能力,可以支持开展航天医学和空间生命科学实验。

  空间站工程分为关键技术验证、建造和运营3个阶段实施。为完成空间站建造,共规划了11次飞行任务。在长征五号B首飞后,将先后发射“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱,进行空间站基本构型的在轨组装建造,也规划了发射4艘神舟载人飞船和4艘天舟货运飞船,进行航天员乘组轮换和货物补给。

  “实验舱和核心舱的组装,由航天员出舱完成。航天员在太空中会像‘堆积木’一样,借助机械臂系统,逐渐把整个结构搭建起来。在这个过程中,万一出现‘漏气’等情况,还可以出舱进行修补。”

  中国空间站与国际空间站有什么不同?自主建造,自主可控

  国际空间站是目前在轨运行最大的空间平台,是一个拥有现代化科研设备,可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室。它的规模大约有423吨,由美国、俄罗斯、加拿大、日本等16国联合,先后经历12年建造完成。

  中国空间站由一个核心舱和两个实验舱组成,在总体规模上不及国际空间站,这主要是采用规模适度、留有发展空间的建设思路,既可以满足重大科学研究项目的需要,又同时具备扩展和支持来往飞行器对接的能力。此外,中国空间站由我国自主建造,实现了产品全部国产化,部组件全部国产化,原材料全部国产化,关键核心元器件100%自主可控。

  “长寿的秘密”是什么?

  设计在轨飞行10年,具备延寿到15年的能力

  ●一体化设计

  据航天科技集团五院空间站系统副总设计师侯永青介绍:“为了保证空间站在轨不小于15年长寿命要求,我们从设计伊始,就开展了长寿命、可靠性、维修性、安全性一体化设计。具体来讲,就是以系统和产品的长寿命和固有可靠性设计为基础,配合开展系统和产品在轨故障诊断、处置预案设计、维修性设计,以实现长寿命、可靠性的既定目标。”

  空间站在太空中安家后,将面对来自宇宙的各种威胁和挑战,比如,原子氧、紫外辐照、真空、温度交变、空间碎片以及微重力等。为了最大限度减少损坏和伤害,“在天和核心舱主结构设计时,我们从抗腐蚀、抗疲劳、抗断裂三个维度进行了综合分析和评价,从材料选择、结构设计、构型、参数设计等方面进行了科学优化的设计,并从材料到构件到舱段都进行了仿真验证,以确保寿命。”航天科技集团五院空间站核心舱结构分系统主任设计师施丽铭介绍说。

  ●健康监测子系统

  结构研制团队还创新设计了健康监测子系统。这个新增的子系统就像体检医生一样,能够在轨对承受的载荷以及自身的结构状态进行实时监测,也能够对空间碎片等“飞来横祸”进行监测、定位和报警。它还能对舱内的压力情况进行监测,根据不同压力指标进行分级报警。

  ●健壮性设计

  为了应对空间碎片等“天敌”的攻击,“天和”核心舱热控分系统针对长寿命可靠性问题,在之前的基础上,开展了健壮性设计,为空间站安装了两条相当于“大动脉”的管子——热管辐射器,以便减少流体管在外暴露的面积,大大降低被空间碎片击穿的风险。

  中国空间站 怎么建?

  2年11次发射任务

  空间站舱段:长五B 3次

  货运飞船:长五 4次

  载人飞船:长二F 4次

  

  中国空间站有多大?

  天宫一号/二号

  大约15m3

  神舟飞船

  大约7m3

  中国空间站

  大约110m3

  

  中国空间站能住几个人?

  可实现3人长期驻留

  6人短期驻留

  

  内部环境有多好?

  分为工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区6大区域:

  ●保证每名航天员都有独立的睡眠环境和专用卫生间

  ●在就餐区配置微波炉、冰箱、饮水机、折叠桌等家具家电

  ●配置太空跑台、太空自行车、抗阻拉力器等健身器材

  ●配有天地视频通话设备,可实现双向视频通话

  4大“神器”

  ●电推发动机

  核心舱推进系统除了配备4台轨控发动机、22台姿控发动机这些在航天技术中常用的常规动力以外,还额外配置了4台霍尔电推进发动机,首次将电推进动力应用到航天器上。空间站在围绕地球运转的过程中,会因为地球引力影响轨道高度,需要发动机消耗额外推进剂来抬升轨道。霍尔电推进系统以其推力小、精确调整、工作时间长的特性,“细水长流”地发挥作用,辅助空间站抵抗轨道衰减。

  ●砷化镓太阳能电池

  天和核心舱配置了光电转换效率最高的三结砷化镓太阳能电池,并前所未有地应用了可二次展开的桁架式柔性太阳能电池翼,其发电供电效率大大超过其他航天器。

  ●机械臂

  核心舱装备有强大有力的“手臂”——大型空间机械臂。2个机械手臂一大一小,可真实模拟人类手臂拥有动作和能力,可以在太空中抓取物体,大的能在太空里抓住25吨重的物体,小的可以与大的配合操作。

  ●节点舱

  节点舱共有3个对接口、2个停泊口。对接口用来对接各种飞船,停泊口一个用于组装两个实验舱,另一个作为航天员的出舱口。

  

  中国空间站 长啥样?

  ◎梦天实验舱:

  支持大规模舱内外空间科学实验和技术试验,具备载荷自动进出舱能力。

  ◎天和核心舱:

  空间站组合体控制和管理主份舱段,具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验能力。

  

  中国空间站有多重?

  天和核心舱:

  22.5吨(相当于15辆小轿车)

  是我国研制的最大航天器,也是21世纪以来全球范围内发射的最大最重的航天器,超过了国际空间站上任意一个密闭舱段。

  天和+问天+梦天≈70吨

  未来可拓展到180吨级

  ◎问天实验舱:

  支持大规模舱内外空间科学实验和技术试验,还作为组合体控制和管理备份舱段,具备出舱活动能力。

  中国空间站 建在哪里?

  距地面约400千米的近地轨道

  约为南京紫峰大厦高度的888倍

  

  为何不到400千米?

  航天爱好者也许注意到了一个数字,空间站在太空中的飞行高度只有不到400千米。闻新教授解释,目前人类的载人航天活动一般都是在300千米-600千米高的太空中进行的,空间站属于低轨道航天器,这个高度设置,还考虑了航天员和空间站本身的安全问题。

  

  “天和”展翼 “太空广播体操”分几步?

  “天和”这对翅膀特别大,单翼展开达12.6米,单翼面积67平方米,刷新了中国航天器的纪录,发电功率可达9千瓦。这么大的翅膀,要足够轻,展开前要压缩得足够小。“天和”有一副柔性太阳翼,单块电池片不到指甲盖厚,如同纸片。展开前,电池片好比书本紧紧压在收纳箱里,厚度仅为刚性太阳翼的1/15。

  太阳翼展开过程采用了6台有源机构,分为五个步骤,好比一组“太空广播体操”:首先,15发火工品“热身运动”起爆,解除太阳翼与小柱段舱壁的固定;紧接着抬升机构“俯仰运动”将太阳翼从舱壁上立起;随后,展开锁定机构“扩胸运动”将两个太阳电池阵向两侧展开,约束释放机构“转体运动”解除收藏箱的约束,最后伸展机构“伸展运动”带动太阳翼完全展开。

  

  机械臂如何实现精准操控?

  南航航天学院陈传志副教授告诉记者,航天器先与核心舱的节点舱在轴线位置上相对接,然后由转位机械臂将实验舱转移至侧向停泊口完成对接。“转位机械臂虽小,但在微重力的环境下能产生超大的转动惯量。”

  核心舱的顶部是出舱口,供航天员出舱开展活动。“宇航员可以站在空间机械臂的末端,通过机械臂然后来到达舱段的各个位置,进行一些维修操作。”陈传志介绍,团队在预研阶段参与研制了机械臂的外翻式小型机械臂末端效应器与大容差软捕获末端效应器,突破了对接机构大容差、柔索软捕获、锁合同步及硬联接关键技术,与机械臂相配合,可用于完成空间站协助组装、货运飞船协助停靠、货物搬运等在轨操控任务,实现精准操控。

  本版供稿 新华社、新民晚报、科技日报等 龙8官方网站手机版晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

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