2016年10月29日《大家談》中國載人航天新進展 10月29日漫談現代兩棲戰

 

 

 

在天宮一號目標飛行器成功遨遊太空的五年之後，天宮二號空間實驗室任務接力開展。作為中國載人航天發展“三步走”戰略第二步第二階段的首發空間飛行器，由中國航天科技集團公司研製的天宮二號是我國第一艘真正意義上的空間實驗室。

與天宮一號相比，天宮二號所承擔的任務更加繁重，將為我國空間站建設進行多項技術驗證。其中，開展航天員中期駐留、推進劑在軌補加、在軌維修技術試驗等三大任務，是天宮二號的主要使命。

任務一

中期駐留：航天員有了宜居太空環境

此前，中國航天員在外太空最長的駐留時間紀錄為神舟十號乘組在天宮一號上創造的15天，此次天宮二號將使這個數字翻一番。在外行看來，這也許隻是數字上增加了15天，而在載人航天的發展中，這個數字卻意味著巨大的跨越。

“依據國際慣例，在外太空駐留30天及以上為中期駐留。中期駐留對航天員生命保障係統、飛行器設計等諸多方麵都提出了更高的要求。”中國航天科技集團公司五院天宮二號總設計師朱樅鵬說。

航天員在外太空駐留時，主要是在天宮二號實驗艙工作和生活。為成功實現中期駐留，天宮二號研製團隊從提高生活質量、降低工作負荷、改善睡眠環境、豐富娛樂條件等幾個方麵對實驗艙進行了全新設計，這也是我國載人航天史首次係統開展載人宜居環境設計。

“宜居技術主要分為內部裝飾、艙內活動空間規劃、視覺環境與照明、廢棄物處理、物品管理、無線通話等幾大方麵。這些創新設計的目的就是為航天員提供人性化的空間家居環境。”天宮二號係統總體設計人員張雅彬介紹道。

在內部裝飾方麵，研製團隊結合航天員的建議和對國外飛行器的調研，用地板取代了地毯，讓地麵變得更受力。白色地板上還分布著些許灰點，以避免航天員產生視覺疲勞。在艙內活動空間規劃方麵，天宮二號將實驗艙空間分為睡眠區和工作區，並安裝了多功能平台，航天員可以在這個平台上吃飯、看書、工作。天宮二號還采取了降噪技術，以提高航天員睡眠環境質量。在視覺環境與照明方麵，艙內燈光采用米黃色的色調，亮度可以手動調節，設計者還為每位航天員安裝了床前燈。

在外太空，失重環境會給航天員工作和生活造成很大不便。天宮二號做了諸多針對性設計：增加硬質扶手，方便航天員在艙內借力活動；設計了腰部紮帶，紮帶兩頭設有固定環，能解放航天員四肢；設計了無線頭戴，實現無線通話等。

“這些設計，都經過了嚴格的工效評價，是經過航天員親身體驗後不斷修改完成的。雖然都是小的設計，但溫馨的環境可以為中期駐留的實現打下堅實基礎。”張雅彬說。

在天宮二號總裝總體設計人員尚明友看來，增加娛樂設施也是天宮二號“以人為本”設計理念的體現。研製團隊為航天員配備的藍牙音響，可以讓航天員在外太空聆聽音樂。音響還能發揮應急作用，當航天員睡覺比較沉的時候，它可以放大語音單元的報警聲。

此外，天宮二號的天地通信能力也得到了優化。“以前天宮一號通過電子郵件隻能接收簡單的文本信息，現在航天員可以觀看地麵上的電視節目、電影等。在睡眠區，每位航天員都有一個語音插座，戴上耳機以後就能跟家人通話。”尚明友說。

中期駐留對天宮二號環境控製與生命保障係統的考驗也很大。該係統主要功能是提供航天員需要的氧、水還有食物，同時收集航天員產生的二氧化碳、廢水、大小便等廢棄物，還要為航天員提供合適溫濕度和壓力的環境。此次天宮二號上搭載的環境控製與生命保障係統進行了升級，將對航天員進行30天的保障。

“雖然實驗艙隻有一個15立方米左右的活動空間，但是經過我們的精心設計，航天員有了一個溫馨舒適的環境，從而能順利完成30天駐留。”朱樅鵬說。

任務二

在軌補加：原理簡單卻是技術活兒

未來，空間站要長期運行，實現推進劑在軌補加是重要基礎。驗證推進劑在軌補加技術，是天宮二號的第二大使命任務。

眾所周知，推進劑加注是個“慢工出細活”的過程。在地麵加注推進劑尚且困難而又危險，試想在茫茫太空進行無人操作的推進劑補加是一件多難的事情。為突破在軌補加技術，天宮二號研製團隊進行了為期三年的刻苦攻關。

在天宮二號推進分係統主任設計師江銘偉看來，在軌補加技術的原理並不複雜。“貨運飛船與天宮二號對接以後，天宮二號利用壓氣機將天宮二號貯箱中的氣體抽走，貯箱壓力隨之下降。貨運飛船上高壓氣瓶的氣體將推進劑從自身貯箱中推出，通過連接管路進入天宮二號貯箱中。”

原理簡單，但研製過程卻十分困難，主要難點包括關鍵單機的研製以及在軌補加流程的設計。天宮二號推進劑在軌補加係統有三個關鍵單機，分別是壓氣機、特殊貯箱和浮動斷接器。

江銘偉指出，壓氣機的難點之一在於小型化設計。“與地麵至少一二百公斤的壓氣機不同，太空中使用的設備重量都不能太大，否則運輸的推進劑重量就會受影響。我們經過一係列技術創新，將天宮二號使用的壓氣機重量控製在幾十公斤重。”

以往無人及載人飛船的對接機構主要是電路連接，天宮二號為驗證在軌補加技術，增加了液路連接。推進劑是危險品，管路連接要求精準。研製團隊傾力打造的浮動斷接器可以提高補加的精準性，避免泄漏。此外，由新材料、新工藝製成的特殊貯箱可以滿足多次補加。這些關鍵單機的研製成功，為在軌補加技術的實現打下了堅實基礎。

“除此之外，在軌補加的流程設計也極為重要。補加過程控製步驟多，流程複雜，出現應急情況還要進行在軌處置，需要地麵飛控進行複雜的操作。這些都要提前謀劃，我們進行了充分的冗餘設計。”江銘偉說。

對接機構在空間實驗室的任務中扮演的角色也十分重要。天宮二號要完成推進劑補加，空間交會對接的精度要求幾乎提高了一倍。為此，研製團隊做了大量的驗證以及完善設計，確保對接機構能夠實現高精度對接。

天宮二號成功進入軌道後，在軌補加係統便在外太空靜候著貨運飛船的到來，等待著大放異彩的那一刻。

任務三

在軌維修：難度大要求高技術先進

太空環境複雜，空間站在長期運行過程中難免要進行設備產品的維修。與地麵維修相比，在軌維修難度大、要求高，除了具備設備維修需要的技術和動手能力以外，航天員還需要克服空間狹小和微重力環境等障礙。

“空間飛行器的設備數量較多，維修空間非常狹小，而微重力環境下維修設備需要支撐點才能用的上力。克服這些困難，需要有先進的在軌維修技術。”朱樅鵬說。

為提前驗證在軌維修技術，給空間站建設打下基礎，天宮二號承擔了一係列在軌維修技術試驗，包括液路維修、整機帶電維修、板卡維修等試驗項目。

空間站在軌運行的時候要進行熱交換，把艙裏的熱量帶到艙外區，這個過程由熱管理係統完成。熱管理係統最核心的部分是液體管路係統，而液體管路裏的泵是易損的部件，需要定期維護，出現問題要定期更換。為驗證液體回路維修技術，天宮二號攜帶了獨立的驗證係統。

“液路更換維修是在線狀態下進行的，即並非是把液體抽出或者關閉管路閥門以後進行維修，而是直接進行拔插，完成更換。這個驗證試驗無法在正樣產品上進行，因此航天員將在天宮二號攜帶的獨立係統上進行驗證操作。”張雅彬說。

空間站上的電子設備眾多，如果出現故障，需要進行電子單機的維修。此次天宮二號攜帶了兩台獨立的電子單機，用於開展整機帶電維修技術試驗。在外太空期間，航天員將兩台設備拆下，放在艙內的維修平台上進行維修試驗。

“電子單機在軌維修的一大特點是帶電維修，即在設備運行狀態下進行維修。因為空間站運行階段，無法讓設備停止運行以後再進行維修。這也是在軌維修的技術難點之一。”張雅彬說。

除了整機維修以外，還有零部件維修，比如電子設備上的板卡維修。就像電腦有顯卡、內存卡、聲卡等組件一樣，航天器上數量眾多的電子設備也具有眾多板卡組件。如果板卡出現故障，不能直接換掉整台設備，要對板卡進行更換維修，這樣可以大大降低維修成本。

“因為天地的操作環境不一樣，所以在軌維修難度很大。在研發過程中，研製團隊設計了很多自動化設備，輔助航天員完成在軌維修，這些自動化設備也將在此次任務中亮相。”朱樅鵬說。

除了上述三大任務之外，天宮二號還將承擔空間應用科學實驗、航天醫學實驗、空間站技術驗證試驗等任務，為後續空間站建設打下堅實基礎。（魏京華）