“天宫一号”的故事

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  有人在网上抱怨,中国人缺乏冒险精神,一些冗余的事情做得很多,在太空探索的路上,永远只能跟在外国人屁股后面追赶。好吧,为了领先全世界,咱们明天就派宇航员登陆火星?用怎样的飞船?大推力火箭又在哪儿?探索太空需要雄心壮志,更需要脚踏实地的科学精神和工作作风。看完下面的故事,你会明白我国载人航天的每一个成就是怎样的来之不易。
  我国载人航天的每一次发射,都意味着完成了大量的技术突破。从“神五”实现载人飞行到“神七”航天员出舱,飞船先后进行了200多项改进。而顺利完成与“天宫一号”交会对接的“神舟八号”。不仅个子长高到了9米,而且在全部600多台、套设备中。一半以上发生了技术状态变化,其中新研发的设备约占15%。改进的内容主要集中在两个方面,一是为具备自动和手动对接功能,新增和改进了一些设备;二是为了提高飞船的性能和安全性、可靠性,对飞船的部分系统进行了改进,使飞船具有与“天宫一号”对接后停靠180天的能力。
  为什么此次“神八”的发射时间要精确到秒?即“神八”必须在特定的时刻准时点火起飞,正负误差不能超过1秒。因为如果做不到这一点,“神八”就得消耗很多宝贵的燃料来修正与“天宫”的轨道面偏差,然后才能交会对接。由于在这次任务中只能提前4小时确定“神八”的精确到秒的发射时间,为了保证发射成功,发射场进行了66项设施设备系统升级改造:而发射“神八”的“长征二号F神八”火箭则进行了近170项技术状态更改。
  如临深渊
  “天宫一号”从2006年开始研制,整个过程从方案设计到初样再到正样,通过了大量的计算、仿真和各种地面试验的验证,竭尽全力做到可靠和安全。为了万无一失,研制团队先假设某一系统失效,然后列出几种可能导致失效的故障,再分析每种故障的原因是什么,一层层查下去,从单机到部件再到每一个零件,任何一件产品都要考虑进去。只做到这一点还不够,他们还要反过来想,如果某一个零部件失效,可能对系统造成什么样的影响,有可能出现什么样的问题,应该制定怎么样的应对措施。在研制的全过程,只要是能想到的,验证试验能做的,都要一次又一次地去做。
  “天宫一号”的设计寿命是两年。在这两年时间里,它能否与“神八”“神九”“神十”顺利实现对接,电源系统是一个关键,因为没有电能,任何太空飞行器都是一堆太空垃圾。对“天宫一号”来说,每24个小时就有16个昼夜;其中每个白天约30分钟,每个夜晚约60分钟。这面对太阳的30分钟时间,就是它的太阳能帆板发电的时候;其中一部分电能直接供用电器使用,其余的电能则储存在100多节镍氢电池里,供黑夜时使用。“天宫一号”的太阳能帆板看起来和马路上太阳能路灯的帆板没有什么不同,都是银色的,薄薄的,一格一格的;但它所用的材料却相当尖端,而且,它始终跟着太阳转,角度保持在50~60度,确保有足够的日照可以发电。尽管“天宫一号”挺省电的,整个用电量只相当于两台家用空调,但问题的关键在于,如何确保这100多节镍氢电池在两年的时间里不“罢工”,不出任何一点小毛病?而且,为了安全起见,最少也要保持电池中有八成电量的储备。为此,研制团队模拟真空、上百度温差等极端太空环境,反复做了无数次实验。这还不够,还必须考虑火箭发射时的冲击、震动、热量等各种情况,反反复复进行试验。
  如走钢丝
  一些看似不重要的非技术细节,也是关键点。“天宫一号”要进行地面运输,就要考虑运输过程中的震动、刹车会不会对它有影响;在装、卸过程中,起吊时会有加速度,还要验证它能否承受。为了让“天宫一号”经受住长途跋涉的考验,安全抵达发射场,研制团队在运输细节上真可谓做足了功课。他们给块头超大的“天宫一号”制作了迄今为止最大的包装箱,还专门为它设计了一个内部减震系统、温控系统。说来令人难以置信,从上海到酒泉卫星发射中心,运送“天宫一号”的专列走了整整4天4夜。在一般人看来,能坐这趟专列应该挺牛的,所有的列车都该为它让路。但事实上,它处处谦让,为所有的快车让道,就像铁路线上的“活雷锋”。走得慢的原因,一方面是为了保证运输安全平稳,另一方面是因为随车护送的研制团队,常常要停车检查“天宫一号”的身体状况。
  俗话说“好事多磨”,“天宫一号”的发射何尝不是如此。原定的发射窗口是早已计算好的日子。然而,2011年8月18日,“长征二号丙”运载火箭发射“实践十一号04星”失利,工作人员连夜组织归零,即取消所有已进行的准备工作,一切从头开始:并随即对“天宫一号”的发射计划作了相应调整。这是因为担负“天宫一号”发射任务的“长征二号FTl”火箭,与出问题的“长征二号丙”火箭有类似的薄弱之处。在随后的一个多月中,工作人员经过补救和加强,并对有关部位进行了“举一反二三”,彻底消除了隐患。
  酒泉卫星发射中心的主礼堂前有一条大幅标语:“成功是差一点点失败,失败是差一点点成功。”正因为如此,一位火箭遥测组组长的QQ签名也一直是“如履薄冰,如临深渊,如走钢丝,如坐针毡”。他和他的组员,负责从火箭组装到发射的整个过程中,对火前进行检测,而这样的检测起码得做十几次。正如他所说的“压力挺大,一定要保证万无一失”。
  步步惊心
  从原理上说,“神八”和“天宫”的交会对接就像螺丝拧进螺帽那样简单,但实际上,两个8吨重的庞然大物,以每小时28440千米的速度在太空飞行,要完成交会对接,真是谈何容易,稍微的刮擦都是不可想象的。整个过程真可谓“步步惊心”。
  “神八”发射入轨后,经过5次变轨,4次“刹车”。总共130万千米的飞行,才进入了“天宫”的敏感器能捕获的范围。随后,在距离偏差300毫米以下,角度偏差不超过5度,相对速度为0.2米/秒的情况下,先由“神八”轻轻碰撞“天宫”,碰撞后“天宫”捕获“神八”,两者碰撞产生的能量由弹簧等传动部件实现缓冲。同时两个航天器校正各自在飞行过程中产生的偏差,之后再经过拉近和拉紧两个动作将“天宫”和“神八”连为一体,对接随后牢牢扣上,并完成最后的密封与刚性连接两个动作,做到严丝合缝。而且,这8个动作都有精确的完成时问:碰撞、捕获、缓冲共60秒;校正:80秒;拉近:240秒;拉紧:220秒,加上之后的密封和刚性连接300秒,完成一次“太空之吻”总共需时15分钟。
  任重道远
  2003年10月,杨利伟完成了21小时23分钟的太空之旅,成为中国进入太空第一人。当时,杨利伟是被固定在舱内的,基本上动不了。与杨利伟乘坐的“神五”比,“天宫一号”虽然只是我国未来空间站的“试验品”,但它的舱内环境要好得多。2012年,当航天员从神州飞船进入“天宫一号”的“实验舱”时,就像下了小汽车,来到一个小巧精致的“单身公寓”。这个“公寓”是个圆柱体,差不多有15个立方米的空间,尽管周边摆放着各种仪器,但3个航天员在这里漂浮或者转身都不会感觉拥挤。
  “天宫一号”里有环境控制和生命保障系统,在那里生活、工作的航天员不需要用“尿不湿”,他们的尿液可以通过循环系统得到重复利用。航天员还可以脱掉笨重的宇航服,穿上由特殊面料制成的、有点像薄型针织衫的舒适的舱内宇航服。为了减少他们出汗,舱内温度控制在22~C左右。他们睡觉的床是固定在一个位置的睡袋,睡袋的样子有点像大衣柜,人钻进去后把自己一躺就能睡觉。航天员十分需要这样的固定保护,否则睡熟了的他们在“公寓”里飘来飘去就太不安全了。
  我国将在2020年建成自己的空间站:它包括一个核心舱、两个实验舱,再加上一艘载人飞船和一艘货运飞船,总重量在80吨以下。空间站建成以后可以长期有人驻守,能开展各种空间实验。不过,只有具备了20吨以上运载能力的火箭,才有资格发射核心舱,建造空间站:而目前我国的火箭运载能力只有10吨,正在研制的大推力运载火箭“长征五号”的运载能力将超过20吨。此外,我国的载人航天还面临着诸多挑战,许多技术瓶颈有待突破。例如,舱内再生式环境控制技术和生命保障技术、空间站长期在轨飞行技术等等。
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