天和“牵手”问天,中国空间站建造“关键之战”

本文转载自:国科环宇(ID:UCAS2004)

7月24日14时22分,我国在海南文昌航天发射场,运用中国目前近地轨道运载能力最大的运载火箭——长征五号B,成功将我国空间站建造阶段首个实验舱,同时也是我国迄今为止发射的最重载荷——问天实验舱送至预定轨道。中国空间站建造关键之战取得圆满成功!此次发射任务,中国航天再度取得多项技术突破,创下多项新纪录。
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“最强”把“最重”送入太空
长五B火箭近地轨道运载能力达到25吨级,无疑是发射我国迄今为止重量最大载荷——问天实验舱的唯一选择。
长五B火箭总体副主任设计师刘秉介绍称,为了满足空间站建造过程中大舱段发射任务要求,长五B火箭实现多项独有关键技术的突破,其中包括20.5米的国内最大整流罩的分离技术、4.1米大直径的舱箭连接分离技术、1400千牛大推力直接入轨的精度控制技术,掌握这些技术,为空间站建设奠定坚实基础。
此次发射任务也是长五系列火箭首次执行零窗口发射任务,也被认为是此次发射任务的技术难点之一。刘秉介绍称,零窗口发射任务要求长五B火箭必须在规定时间里分秒不差地发射,否则将无法把问天实验舱送达指定位置,从而需要耗费巨大代价调整轨道,甚至导致发射终止。
天和“牵手”问天,中国空间站建造“关键之战”为保证准时发射,长五B火箭型号队伍对发射前10分钟的发射流程进行优化,将部分流程前置。此前,各系统只能按照时间顺序依次去完成发射前的准备工作。“这就像面对逐题试卷限时竞答,一旦卡在前面简单的问题上,后面的题目分数很高却又不能做,显得束手束脚。”火箭院长五B火箭副总设计师娄路亮这样比喻这个过程。但在此次任务中,长五B火箭型号队伍将各系统环环相扣的准备工作由“串联”变为“并联”,在距离发射2分半时,火箭就已完成发射前各项准备工作,随时可发射。
准时点火只是开始,精准入轨才是成功。刘秉介绍称,长五B火箭还应用起飞时间偏差修正技术,最大修正时间为2分半。“通俗理解,在0到2分半这个时间段内的任一时间点发射,火箭都可以在飞行过程中自动修正,‘追回’因推迟发射导致的飞行偏差,将实验舱精准送入预定轨道。”刘秉称。
据了解,在本次发射任务后,长五B火箭还将“连续作战”,在10月承担梦天实验舱的发射任务,届时中国空间站三个舱段将形成“T”字基本构型,完成中国空间站在轨建造。而在明年,长五B火箭还将承担我国第一个大型空间巡天望远镜发射任务,届时它将与空间站共轨飞行,开展更多的深空探测和前沿科学研究。
天和“牵手”问天,中国空间站建造“关键之战”
创下多项中国航天之最
在发射成功后,问天实验舱将按计划与天和核心舱完成前向对接,中国空间站就此迎来首个实验舱。问天实验舱作为迄今为止我国最大以及全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器,舱体总长17.9米,直径4.2米,发射重量达23吨。“块头”和“分量”基本上等同于北京地铁13号线列车的一节车厢。
航天科技集团五院问天实验舱电总体主任设计师梁晓锋在接受《环球时报》记者专访时介绍称,从设计角度而言,核心舱和实验舱两个生活区的功能定位是一样的,但在细节上略有区别,“比如实验舱的生活区相对核心舱会稍大一点,同时也为每个睡眠舱配了舷窗。在成功对接后,中国空间站上就拥有6个睡眠舱,这将为两个航天员乘组轮换时,短期6人同时在轨创造条件,为航天员提供更加便捷、宽敞的工作和生活环境”。
此外,问天实验舱上配备的一对双自由度柔性太阳翼也刷新我国航天器在轨使用太阳翼的长度纪录。这种柔性太阳翼单个翼面展开面积约110平方米,差不多相当于一套三室一厅的面积。而一对太阳翼全部展开后翼展超过55米,比半个足球场还要长。然而这种太阳翼不仅面积大,柔性也大,带着这样大的一对“软翅膀”进行交会对接,控制难度之高堪称空前。
问天实验舱上两个硕大的柔性太阳翼一起工作,每天平均发电量超过430度,在地面上,这个日发电量足够北京市的一个普通家庭用上一个半月。
天和“牵手”问天,中国空间站建造“关键之战”此次问天实验舱与天和核心舱对接也是中国空间站首次在有人驻守的状态下迎来航天器到访。航天科技集团五院问天实验舱GNC分系统副主任设计师宋晓光表示,此次对接任务有其独特的难点,在对接时作为追踪器的问天实验舱,尺寸和质量之大均是我国现有航天器之最;所采用的柔性太阳翼具有容易振动的特点,容易对航天器的控制精度和稳定度产生不利影响。上述因素都加大了此次对接的难度。为此,问天实验舱的研发团队采用两次展开的方式去提高对接的可控性。为确保对接时空间站以及航天员的安全,中国空间站上还采用了一项名为“安全椭球”的设计。
中国空间站在轨建造阶段,组合体构型多变,飞行姿态模式也将随之反复切换。西安卫星测控中心正高级工程师杨永安介绍称,这会对空间站的飞行姿态稳定性带来挑战,“特别是问天实验舱这种大舱段的加入,对地面测控系统维持空间站姿态稳定的技术能力提出较高要求”。为此,西安卫星测控中心深入分析任务关键技术和过程,全面掌握风险因素,扎实制定应对措施,确保任务风险可控。
天和“牵手”问天,中国空间站建造“关键之战”
问天带去哪些太空实验“利器”
问天实验舱作为中国空间站首个科学实验舱,将承担哪些科学实验任务呢?
中科院空间应用中心研究员、载人航天工程空间应用系统副总师吕从民介绍称,空间应用系统问天实验舱任务以生命科学和生物技术研究为主,在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验4个领域规划部署了十余个研究主题,目前已立项四十余项科学项目,空间站建成后将持续论证、滚动实施相关科学项目。
问天实验舱部署了生命生态实验柜、生物技术实验柜、科学手套箱与低温存储柜、变重力科学实验柜等科学实验设施,配置了舱内外应用任务共用支持设备。其中生命生态实验柜以多种类型的生物个体为实验样品,开展多种动植物的空间生长实验,揭示微重力对生物个体生长、发育、代谢的影响,促进人类对生命现象本质的理解,研究空间辐射生物学和亚磁生物学效应与机制,探索建立应用型受控生命生态系统,为航天员在轨辐射损伤评估、防护提供科学依据。
生物技术实验柜以组织、细胞和生化分子等不同层次多类别生物样品为对象,探索微重力环境下细胞生长和分化规律与机制,为人类健康、生殖发育提供理论基础;探索重力效应对生命起源和进化影响;在高效蛋白质/多肽药物、纳米晶骨骼生物技术等方面取得突破性发现,对指导组织工程、生物医药的研究和应用发挥重要作用。
科学手套箱提供洁净密闭空间和温湿度环境控制,配置灵巧机械臂具备细胞级精细操作能力;手套箱为航天员操作多学科实验样品提供安全、高效支持。
变重力科学实验柜为科学实验提供0.01G至2G高精度模拟重力环境,采用先进的无线传能和载波通信技术,支持开展微重力、模拟月球重力、火星重力等不同重力水平下的复杂流体物理、颗粒物质运动等科学研究。
在问天实验舱外还部署了能量粒子探测器、等离子体原位成像探测器,用于获取空间质子、电子、中子、重离子和等离子体等环境要素数据。

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