5月30日,由中國航天科技(000901)集團(tuán)五院抓總研制的神舟十六號載人飛船,在長征二號F運(yùn)載火箭的托舉下,從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空,搭載著景海鵬、朱楊柱和桂海潮3名航天員奔向太空,發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。
神舟十六號載人飛船是我國空間站應(yīng)用與發(fā)展新階段的首發(fā)載人飛船,也是我國開展的第十一次載人航天飛行任務(wù)。據(jù)悉,神舟十六號載人飛船與空間站組合體徑向交會(huì)對接后,3名航天員將進(jìn)駐空間站核心艙,與神舟十五號乘組進(jìn)行在軌輪換,6名在軌航天員將“會(huì)師”太空。
【資料圖】
都是徑向交會(huì)對接,但此次交會(huì)對接難度不一樣
中國空間站應(yīng)用與發(fā)展階段首艘載人飛船的交會(huì)對接任務(wù),也是空間站三艙“T”字構(gòu)型下實(shí)施的首次徑向交會(huì)對接任務(wù)。記者從航天科技集團(tuán)五院502所獲悉,相較于空間站建造階段神舟十三號、十四號載人飛船實(shí)施的徑向交會(huì)對接,神舟十六號載人飛船的交會(huì)對接任務(wù)有著不一樣的難度。
首先是面臨著更大的組合體質(zhì)量。據(jù)五院502所有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹,隨著問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙,以及神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船等更多艙段和飛船的相繼加入,空間站組合體的尺寸、質(zhì)量、慣量以及重心位置等影響姿態(tài)控制的核心要素與核心艙單艙時(shí)相比變化較大,部分參數(shù)甚至存在跨數(shù)量級的增長。
飛船交會(huì)對接特別是近距離對接時(shí)采用的是相對姿態(tài)位置控制方法,空間站運(yùn)動(dòng)特性的變化將直接影響飛船的交會(huì)對接控制過程。雖然神舟十五號已經(jīng)成功完成空間站“T”字構(gòu)型的交會(huì)對接任務(wù),但其對接的位置為空間站前向?qū)涌?,由于空間站在不同方向上的運(yùn)動(dòng)特性有所區(qū)別,神舟十六號進(jìn)行的徑向交會(huì)對接需要GNC系統(tǒng)依靠自身的能力克服上述變化帶來的影響。
其次是面臨著更大的組合體尺寸。神舟十六號載人飛船在進(jìn)行徑向交會(huì)對接任務(wù)時(shí),將沿著天和核心艙下方的徑向?qū)涌谥饾u靠近空間站組合體,從飛船的視角看,天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙、天舟六號貨運(yùn)飛船以及神舟十五號載人飛船均會(huì)出現(xiàn)在神舟十六號載人飛船的視野中。
這對于安裝在飛船上的、需要以宇宙背景或太陽作為觀測目標(biāo)的測量敏感器來說將產(chǎn)生視線上的遮擋,且隨著神舟十六號載人飛船和組合體距離的逐漸逼近,遮擋會(huì)越來越多。上述負(fù)責(zé)人表示,這就需要GNC系統(tǒng)配備的敏感器依靠自身的抗干擾或目標(biāo)特性識別能力加以區(qū)分和屏蔽,或者采用不同測量方位、測量體制的備份測量敏感器來保證持續(xù)、準(zhǔn)確的測量能力。
最后面臨的是更復(fù)雜的羽流影響。據(jù)了解,空間站組合體尺寸的增大,還使得飛船和空間站組合體的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí),其羽流間的相互影響比以往發(fā)射和對接任務(wù)都更加復(fù)雜。飛船在近距離交會(huì)過程中需要頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相對姿態(tài)和位置的調(diào)整,這將對懸浮在太空中的空間站姿態(tài)產(chǎn)生影響,且由于組合體艙段的增加,神舟十六號載人飛船任務(wù)中的上述特性更為復(fù)雜。同樣,空間站的噴氣控制也會(huì)影響飛船自身的控制。對于這一問題,需要GNC系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)分組使用和控制方法上優(yōu)化,并通過地面的仿真計(jì)算加以驗(yàn)證,確保交會(huì)對接過程在諸多影響下仍能成功完成任務(wù)。
中繼終端升級后,其產(chǎn)品減重近10公斤
在過去近5個(gè)月的太空生活中,神舟十五號乘組按計(jì)劃完成了空間站平臺(tái)維護(hù)照料、在軌維修維護(hù)等各項(xiàng)工作以及4次出艙活動(dòng),飛船上的測控和通信信號均通過中繼終端來完成。記者了解到,截至目前,航天科技集團(tuán)五院西安分院已為空間站天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙、天舟貨運(yùn)飛船、神舟載人飛船配備了中繼終端,讓“感覺良好”持續(xù)在線。
本次發(fā)射的神舟十六號載人飛船,將繼續(xù)通過中繼終端搭建的“太空天路”,實(shí)現(xiàn)飛船與地面通信的暢通無阻,確保地面測試人員實(shí)時(shí)掌握飛船的飛行狀態(tài)。據(jù)航天科技集團(tuán)五院西安分院載人航天工程(603698)任務(wù)負(fù)責(zé)人余曉川介紹,與以往的空間站飛行器不同的是,神舟十六號載人飛船采用了具備三大優(yōu)勢的升級版中繼終端。該中繼終端上的所有產(chǎn)品均進(jìn)行了優(yōu)化升級,以更小更優(yōu)的產(chǎn)品為中國空間站穩(wěn)定高效的運(yùn)行貢獻(xiàn)力量。
首先是集成程度更高。之前發(fā)射的空間站各類航天器使用的中繼終端產(chǎn)品重量接近36公斤。通過工藝技術(shù)創(chuàng)新,研制團(tuán)隊(duì)對產(chǎn)品進(jìn)行了小型化、集成化設(shè)計(jì),在原有功能和性能不變的情況下,實(shí)現(xiàn)升級版產(chǎn)品減重至27公斤。
其次是處理能力更強(qiáng)。相比以前處理一項(xiàng)工作需要依靠產(chǎn)品中的幾個(gè)芯片共同完成,在對產(chǎn)品的數(shù)字處理功能進(jìn)行大量優(yōu)化升級后,現(xiàn)在僅需一個(gè)芯片便可輕松應(yīng)對同一項(xiàng)工作。
最后是國產(chǎn)化率更高。研制團(tuán)隊(duì)大幅提升了國產(chǎn)化元器件的使用,升級后的中繼終端元器件國產(chǎn)化率目前已超過95%。
值得注意的是,在神舟十六號載人飛船儀表上,共有50余幅頁面顯示飛船各部分的情況,根據(jù)載人交會(huì)對接任務(wù)的需要,顯示包括世界地圖、航天員身體情況等相關(guān)內(nèi)容。這些都是由作為智能管理員的儀表控制器應(yīng)用軟件提供的。儀表控制器應(yīng)用軟件作為“智慧大腦”,是與航天員直接實(shí)現(xiàn)交互的重要系統(tǒng)。
儀表控制器應(yīng)用軟件采用獨(dú)特的圖形顯示技術(shù),通過文字、圖形、動(dòng)畫的方式,顯示飛船軌跡、姿態(tài)、飛行狀態(tài)以及各分系統(tǒng)信息。據(jù)五院西安分院神舟十六號載人飛船儀表控制器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)師張赤萍介紹,使用這一獨(dú)特的圖形顯示技術(shù),不僅能得到新穎的儀表控制器顯示效果,而且實(shí)現(xiàn)了空間智能化儀表中圖形、文字的處理與顯示,為航天員執(zhí)行任務(wù)提供了清晰、直觀、舒適的顯示界面。
飛船的“太空出征服”,裁剪效率已提升5倍
熱控多層安裝在航天器及星表設(shè)備表面,猶如衣服一樣確保航天器在太空運(yùn)行過程中處于正常工作溫度,降低高低溫交變環(huán)境對航天器的影響,于航天器在軌穩(wěn)定運(yùn)行而言至關(guān)重要。據(jù)了解,神舟十六號載人飛船的“太空出征服”,由航天科技集團(tuán)五院研制完成。
隨著空間站應(yīng)用與發(fā)展階段拉開序幕,載人飛船的研制周期由原來的2到3年發(fā)射1艘縮短至1年發(fā)射2艘,以空間復(fù)雜曲面為代表的熱控多層的數(shù)量和制作難度急劇增加。面對高密度、高強(qiáng)度的研制任務(wù),航天科技集團(tuán)五院總裝與環(huán)境工程部突破了基于超輕超薄/彈性網(wǎng)狀材料的航天器熱控多層集成制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)了熱控多層的批量數(shù)字化設(shè)計(jì)和自動(dòng)化制造。
在神舟十六號載人飛船熱控多層研制過程中,熱控多層三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用,不僅可以對形狀復(fù)雜的設(shè)備表面的熱控多層進(jìn)行數(shù)字化拓?fù)浣#部梢詫φ绎w船表面的熱控多層進(jìn)行智能包覆、快速分塊和搭接設(shè)計(jì)。
此外,設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建了精確展平算法,可將三維曲面模型快速、精確展平為自動(dòng)化生產(chǎn)線可識別的加工圖紙,準(zhǔn)確度優(yōu)于技術(shù)指標(biāo),徹底改變手工牛皮紙取樣的傳統(tǒng)工作模式,效率提升5倍以上。飛船的“太空出征服”蓬松輕薄,由輕質(zhì)薄膜和高伸縮網(wǎng)狀材料組成,“鋪設(shè)”過程中容易出現(xiàn)褶皺、多層疊放、不易精準(zhǔn)重合等難題。鋪縫一體設(shè)備的鋪設(shè)模塊則能輕松有效地解決這些問題,還實(shí)現(xiàn)了無人值守的自動(dòng)鋪設(shè)。
據(jù)五院總裝與環(huán)境工程部有關(guān)負(fù)責(zé)人介紹,飛船的“太空出征服”有多個(gè)部分、多種形狀,“縫制”過程中,經(jīng)裁剪容易開散。縫制模塊通過對熱控多層內(nèi)部進(jìn)行仿外輪廓形狀縫制,有效避免了熱控多層裁剪后的開散問題,縫制效率為傳統(tǒng)手工縫制效率的6至7倍,縫制精度提升10倍。
多功能數(shù)控裁床通過多種刀頭的合理組合,實(shí)現(xiàn)熱控多層自動(dòng)連續(xù)精確裁剪,裁剪精度優(yōu)于指標(biāo)要求,裁剪效率提升5倍,同時(shí),可將其拓展應(yīng)用至載人飛船內(nèi)裝飾、熱控泡沫、加熱被和各類絕緣膜的畫線、裁剪及沖孔等制作過程中。
據(jù)悉,熱控多層生產(chǎn)線建設(shè)期間,研制團(tuán)隊(duì)攻克了輕柔網(wǎng)狀材料張力控制、輕質(zhì)薄膜平整鋪設(shè)、針步自適應(yīng)仿形縫制、高精度數(shù)字化裁剪等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),使熱控多層生產(chǎn)能力實(shí)現(xiàn)了從當(dāng)初年產(chǎn)2000套到今天可以年產(chǎn)10000套以上的跨越式提升。
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