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中央紀委國家監(jiān)委網(wǎng)站柴雅欣自東風航天城報道

10月16日6時56分神舟十三號載人飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙徑向端口與此前已對接的天舟二號天舟三號貨運飛船一起構(gòu)成四艙船組合體整個交會對接過程歷時約65小時圖為神舟十三號徑向?qū)幽M圖中國航天科技集團五院供圖

10月16日凌晨0時23分一道耀眼的金光劃過大漠月色翟志剛王亞平和葉光富三名航天員搭乘神舟十三號飛船在長征二號F遙十三運載火箭下文稱長二F火箭的助推下駛向星海入住天宮

從火箭發(fā)射到飛船成功對接核心艙再到航天員順利進駐神舟十三號如何過關(guān)斬將背后都有哪些功臣為它保駕護航記者帶您一起了解那些護航神舟飛天路的硬核科技

從顛簸震動到舒適加倍航天員火箭專列再升級

神舟十三號發(fā)射升空伴隨著巨大的火箭尾焰和轟鳴聲我們從直播畫面中看到三位航天員的神情似乎與在地面無異也沒有明顯的搖晃

與之形成鮮明對比在神舟五號載人飛行任務中當火箭飛行到三四十公里高度時火箭和飛船發(fā)生了急劇抖動產(chǎn)生共振讓楊利偉承受了極大的不適后來楊利偉在太空一日中回憶了那難以承受的26秒痛苦的感覺越來越強烈五臟六腑似乎都要碎了我?guī)缀蹼y以承受覺得自己快不行了

這個讓人很不舒服的共振曾是一個世界級航天發(fā)射難題中國航天科技集團一院長二F火箭總體主任設計師常武權(quán)告訴記者早在20世紀60年代美國發(fā)射大力神火箭過程中就出現(xiàn)過持續(xù)30秒的振動法國火箭也曾出現(xiàn)過類似問題影響了搭載衛(wèi)星的壽命

如何讓這26秒不再難以承受試驗人員經(jīng)過測算分析認為病根可能出在氧化劑上當氧化劑中燃料的振動頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動頻率接近時很可能發(fā)生結(jié)構(gòu)與液體耦合的發(fā)散振動經(jīng)過試驗分析結(jié)論印證了此前的推測問題出在火箭的POGO振動縱向耦合振動

找到問題根源后長二F火箭研制團隊著手改進火箭性能首先研制人員通過減少火箭助推器蓄壓器上的膜盒減小振動量級和時間但振動問題仍未完全解決研制團隊再次優(yōu)化設計將助推器蓄壓器改為變能量蓄壓器這個裝置能夠吸收燃料振動時產(chǎn)生的能量改變?nèi)剂系恼駝宇l率燃料的振動頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動頻率不再接近火箭因此就不會產(chǎn)生POGO振動

作為航天員專列安全性能無疑是第一位的長二F火箭是我國第一枚有明確0997安全性指標要求的運載火箭安全性指標表示火箭出現(xiàn)故障時還能保障航天員安全返回的條件概率0997安全性指標即假設發(fā)射出現(xiàn)1000次故障所采取的救助措施中僅允許3次不成功

在追求安全性的道路上火箭研制團隊沒有止步進入空間站任務階段長二F火箭共進行了100多項技術(shù)狀態(tài)更改其中有70余項與可靠性提升相關(guān)這些改進不涉及重大技術(shù)狀態(tài)變化主要目的是消除薄弱環(huán)節(jié)比如針對發(fā)動機點火失效風險將主機傳火孔直徑從4毫米改為6毫米進一步提升點火可靠性根據(jù)位置不同對發(fā)動機二級游機推力室噴注口提出更加精細的角度設計要求使推進劑能更加充分地融合和燃燒為火箭提供強勁動力

與其他型號火箭不同長二F火箭頂部有一根瘦長的避雷針逃逸系統(tǒng)假如火箭突發(fā)意外情況逃逸飛行器會像拔蘿卜一樣帶著返回艙飛離故障火箭但開傘過程中返回艙會受到地面低空風的極大影響

此前逃逸飛行器只能往一個固定的方向逃逸存在安全風險如果逃逸飛行器只能向東逃逸正好這時地面吹來一股向西的風這樣返回艙處于開傘狀態(tài)時很可能又被吹回到故障火箭附近航天員就會陷入危險長二F火箭副總師劉烽說

為確保航天員安全研制人員對長二F火箭逃逸安控體制進行改進提高了保密安全性能和抗干擾性能研制人員在現(xiàn)有控制逃逸發(fā)動機的基礎上新增發(fā)動機點火功能使逃逸飛行器可以向垂直于地面風的方向逃逸更加安全靈活比如地面刮的是南北風現(xiàn)在逃逸能力提升了可以提前選擇與南北風垂直的方向逃逸避開地面風常武權(quán)說

逃逸系統(tǒng)改進后長二F火箭的安全性指標評估值達到0的國際先進水平即發(fā)射十萬次才會有4次逃逸失敗

神舟首次徑向?？靠臻g站技術(shù)革新讓對接更準更穩(wěn)

10月16日6時56分神舟十三號載人飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙徑向端口與此前已對接的天舟二號天舟三號貨運飛船一起構(gòu)成四艙船組合體整個交會對接過程歷時約65小時

自神舟八號到神舟十二號5艘飛船都是軸向前向后向?qū)舆@次是神舟飛船首次徑向?？靠臻g站即飛船與核心艙徑向?qū)涌谶M行對接對接時核心艙和飛船呈垂直狀態(tài)

為何神舟飛船要和空間站進行徑向交會對接因為后期要進行航天員乘組輪換同時有兩艘飛船對接空間站徑向交會對接能提高進駐空間站的通道和手段北京航天飛行控制中心空間站任務總師孫軍表示神舟飛船的發(fā)動機控制系統(tǒng)和敏感器都是專門為全方位與空間站對接而設計也只有神舟飛船能和空間站進行徑向交會對接

徑向與軸向呈垂直夾角方向變了90度對接難度大大增加中國航天科技集團五院總體設計部飛船型號系統(tǒng)總體副主任設計師高旭告訴記者徑向交會對接有三難這也讓此次太空華爾茲更加扣人心弦

難在持續(xù)控制姿態(tài)和軌道前向后向交會對接時飛船有一個200米保持點即使發(fā)動機不工作飛船也能較長時間保持穩(wěn)定的姿態(tài)和軌道徑向交會沒有穩(wěn)定的中途停泊點需要持續(xù)控制飛船姿態(tài)和軌道推進劑消耗大故障處置難

難在確定姿態(tài)和相對位置飛船配有敏感器如同飛船的眼睛由于徑向交會過程中飛船要進行由平飛轉(zhuǎn)豎飛等大范圍的姿態(tài)機動所以對眼睛識別目標和不被復雜光照變化干擾提出了更高要求

難在航天員手控交會模式徑向交會對接過程中地球這個最熟悉的參照基準基本失效測控條件變差且相對動力學運動特性與前向后向交會不同這給手控交會模式下航天員的操作增加了難度

首次徑向交會對接順利實施離不開中國航天科技集團五院神舟飛船研制團隊數(shù)年的技術(shù)攻關(guān)和地面實驗為適應空間站組合體不同構(gòu)型及來訪航天器不同?？繝顟B(tài)實現(xiàn)與空間站前向后向徑向交會對接和分離研制團隊設計了新的交會路徑和繞飛模式增加了繞飛快速交會對接徑向交會對接各項功能

徑向交會對接的復雜場景也對微波雷達提出了更高要求微波雷達作為中遠距離測量手段在交會對接過程中當飛船與核心艙相距約90公里時微波雷達開始工作提供兩個航天器間的精確測距測速等信息實現(xiàn)遠距離捕獲穩(wěn)定跟蹤精準測量據(jù)中國航天科工集團二院25所交會對接微波雷達主任設計師姚元福介紹神舟十三號上安裝的是微波雷達二代產(chǎn)品體積小重量輕功耗低除了具備基本的高精度測量功能還具有通信功能能夠根據(jù)切換指令與不同應答機進行通信實現(xiàn)了核心艙多對接口對接

微波雷達的測量精度有多精研制人員打過一個有趣的比方類似于從北京識別出石家莊的一張A4紙那高精度測量是如何實現(xiàn)的微波雷達采用偽碼測距多普勒測速干涉儀測角等原理實現(xiàn)兩器之間相對距離速度角度的高精度測量姚元福說

據(jù)了解徑向交會和前向交會都是中國空間站載人飛船正常的交會方式會在未來空間站載人交會對接任務中交替使用

USB測控網(wǎng)陸海天基全面覆蓋航天測控通信性能更強

光學跟蹤正常USB雷達跟蹤正常遙測信號正?；鸺诰迫l(wèi)星發(fā)射中心騰空而起幾十秒后指揮大廳內(nèi)工作人員發(fā)出的各項正常口令回蕩在發(fā)射場夜空

能聽到令人安心的正常USB測控網(wǎng)統(tǒng)一S波段測控網(wǎng)功不可沒它包括眾多測控站和部署在大洋上的遠望號測控船等能實時測控火箭和飛船飛行狀態(tài)

在載人航天任務中西安衛(wèi)星測控中心作為軌道計算備份中心與北京航天飛行控制中心共同負責對航天器發(fā)射入軌在軌運行返回再入等階段進行精準跟蹤監(jiān)視與計算分析

從載人航天工程上馬以來經(jīng)過近30年的探索與實踐我國已建成陸海天基全面覆蓋的USB測控網(wǎng)西安衛(wèi)星測控中心工程師張卓告訴記者測控網(wǎng)在頻段和體制上與國際兼容集測軌遙測遙控語音電視等功能于一體綜合了測控和天地通信功能是飛船升空后與地面聯(lián)系的唯一信息線

此次徑向交會對接整個過程都是在制導導航與控制GNC系統(tǒng)指揮下由飛船智能自主完成

在快速自主交會對接過程中地面基本不需要干預控制主要靠天鏈中繼衛(wèi)星進行跟蹤測控張卓說陸基USB測控設備整體性能相對更加穩(wěn)定在太空各種情況都未知的情況下通過與中繼衛(wèi)星互為補充組成天地一體測控網(wǎng)共同護航航天員的太空之旅

據(jù)北京航天飛行控制中心神舟十三號任務總工程師謝劍鋒介紹面對對接方式新在軌時間長處置要求高等難點任務團隊攻克了大量技術(shù)難關(guān)

徑向交會對接期間空間站組合體和飛船大幅度姿態(tài)調(diào)整影響中繼測控和飛船能源給測控支持模式和飛行程序安排帶來變化地面監(jiān)視判斷和應急處置難度由此增加任務團隊優(yōu)化設計方案細化決策判據(jù)創(chuàng)新設計了以空空代傳為主的測控模式和并網(wǎng)供電模式克服了通信和供電難題交會對接安全性大幅提高

為確保應急故障及時有效處置我們針對神舟十三號任務設計了400多個故障預案組合體相關(guān)預案高達2500個最緊急時15秒內(nèi)就必須完成發(fā)令處置孫軍說

聲表濾波器是一種用于濾除高次諧波鏡像信息發(fā)射漏泄信號以及各類寄生雜波等干擾信號的設備保障飛船通信清晰傳回地面由中國航天科工集團二院23所微電公司研制的聲表濾波器為神舟十三號飛船關(guān)鍵部位提供通信保障服務

使用環(huán)境不同聲表器件經(jīng)受的環(huán)境要求差別很大比如在火箭發(fā)射階段器件承受巨大的加速度聲表濾波器需在劇烈的振動和沖擊下正常工作到了在軌飛行階段器件在失重環(huán)境下工作外殼內(nèi)外壓力相差很大產(chǎn)品要能在強輻射高壓力下保持正常的形狀和功能

考慮到這些特殊需求研制人員在器件研制過程中按照不同使用環(huán)境分別做好產(chǎn)品應力設計可靠性設計和防輻射設計保證器件在極端環(huán)境下正常工作通信清晰可靠

太空里的華爾茲

中央紀委國家監(jiān)委網(wǎng)站柴雅欣

華爾茲優(yōu)美柔和快慢并施舞者間配合默契旋轉(zhuǎn)搖擺中盡顯圓舞之美而神舟十三號飛船與天和核心艙成功交會對接恰如太空中的兩名舞者跳了一支天衣無縫的華爾茲

這一舞距離我國首次實現(xiàn)空間交會對接已過去整整十年

空間交會對接技術(shù)是建立空間站最基本最關(guān)鍵的技術(shù)之一與載人天地往返出艙活動并稱載人航天三大基本技術(shù)2011年11月神舟八號載人飛船成功實現(xiàn)了與天宮一號目標飛行器的交會對接標志著我國成為繼美俄之后世界第三個獨立掌握空間交會對接技術(shù)的國家

什么是交會對接簡單來說它指追蹤飛行器與目標飛行器在空間軌道上交會并在結(jié)構(gòu)上連成一個整體的技術(shù)拆分來看空間的兩個航天器在同一時刻以相同速度到達同一個地點的軌道控制過程及結(jié)果被稱作軌道交會而在空間將兩個航天器對接起來形成一個航天器被稱作空間對接交會對接正是軌道交會和空間對接的總稱

交會對接有多難兩個飛行器以比子彈還快數(shù)倍的速度飛行想要完成無縫對接難度如同在無垠太空中穿針引線如果軌道測算稍有誤差便永遠擦肩而過

交會對接有啥用首先它可以為長期運行的空間設施提供物資補給和人員運輸服務比如9月20日天舟三號貨運飛船先神舟十三號一步駛?cè)胩粘晒犹旌秃诵呐摵笙蚨丝谒腿サ诙瞻?

交會對接還為大型空間設施的建造和運行服務空間站在軌組裝建造像一個搭積木的過程后續(xù)計劃發(fā)射升空的問天夢天實驗艙都將與天和核心艙進行交會對接此外它還具有進行空間飛行器重構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的作用

十年來中國空間交會對接技術(shù)水平穩(wěn)步提升

2012年神舟九號飛船與天宮一號在航天員精準操控下完成交會對接這是中國首次航天員手控交會對接豐富了空間交會對接方式提高了實施航天任務的安全性

2013年神舟十號任務驗證了航天器繞飛及多方位交會技術(shù)為后續(xù)空間站工程建設積累經(jīng)驗

2017年天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室在第三次牽手時開啟快進模式短短65小時內(nèi)實現(xiàn)了自主快速交會對接與耗時頗久的傳統(tǒng)交會對接模式相比效率極大提高

中國空間站建造任務大幕拉開后中國空間交會對接技術(shù)繼續(xù)在實戰(zhàn)中大顯身手方式更豐富水平再提高6月17日神舟十二號飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙前向端口整個交會對接過程歷時約65小時這是天和核心艙發(fā)射入軌后首次與載人飛船進行交會對接而這一次神舟十三號飛船與天和核心艙完成全自主徑向交會對接是中國載人飛船在太空實施的首次徑向交會對接創(chuàng)造了歷史也為后續(xù)空間站建設航天員乘組輪換等提供了堅實的技術(shù)支撐

確保穩(wěn)定飛行的最佳搭檔

高加組合成團出道

中央紀委國家監(jiān)委網(wǎng)站王珍

10月16日6時56分隨著神舟十三號飛船與天和核心艙成功對接中國空間站建設工作又向前邁進了一步作為飛船交會對接的重要測量組件中國航天科工三院33所研制的高精度加速度計組合簡稱高加組合依舊給人穩(wěn)穩(wěn)的信服

本次任務中組合內(nèi)的核心部件石英撓性加速度計簡稱加速度計和IF轉(zhuǎn)換電路密切協(xié)作精準測量微重力環(huán)境下的加速度從而幫助飛船精準把握速度位置等信息

其中加速度計負責測量加速度并輸出電流IF轉(zhuǎn)換電路負責將電流信號翻譯成脈沖提供給飛船上的控制中樞既然兩個核心部件分別執(zhí)行不同的任務直接把這兩個器件裝在飛船上不行嗎為何非得成團出道

答案是這個團必須組它還真不是器件外面套個包裝盒那么簡單

首先有了組合加速度計才有了小棉襖由于加速度計的測量精度與工作環(huán)境溫度變化緊密相關(guān)不加保暖措施的加速度計一旦升空將會因為溫度影響難以保證高精度地輸出有了組合的加持技術(shù)人員就有條件為加速度計打造貼身的小棉襖將其工作溫度平穩(wěn)地控制在適當?shù)狞c上相比假設中的獨自受凍裝進組合里有人照料的加速度計自然火力全開表現(xiàn)優(yōu)異

其次組合的標定才是最優(yōu)解在裝進組合之前加速度計本身是經(jīng)過標定的所謂標定就好比給一桿新秤定準星定得越準將來才能稱得越準加速度計和IF轉(zhuǎn)換電路作為金牌CP雖然合作密切但也絕非天然匹配這就需要按照系統(tǒng)的思維在標定過程中細致調(diào)整找到最優(yōu)的匹配參數(shù)讓金牌CP真正做到門當戶對在這方面33所技術(shù)人員付出了艱苦的探索讓問題迎刃而解也讓組合的優(yōu)勢得到了最充分的體現(xiàn)

此外組合讓電路功能升級有底氣從神舟十二號飛船任務開始設計人員根據(jù)任務需要對IF轉(zhuǎn)換電路進行了功能升級由單純輸出脈沖升級為能夠統(tǒng)計脈沖數(shù)為提升系統(tǒng)的工作效率提供了方便在此過程中技術(shù)人員充分發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢不斷優(yōu)化產(chǎn)品設計統(tǒng)籌把握整體性能平穩(wěn)可靠地實現(xiàn)了既定目標

可以說高加組合就像一個神奇的魔盒雖然其貌不揚但卻擁有溫暖的懷抱和諧的氛圍讓身處其中的各個器件心往一處想勁往一處使共同為神舟飛天發(fā)揮應有的作用