保证“待机”15年 空间站有哪些黑科技?

  保证“待机”15年 空间站有哪些黑科技?

  作为空间站的核心舱段,核心舱是空间站的主要控制节点,是未来空间站的指挥控制中心。据航天科技集团五院空间站系统副总设计师侯永青介绍:“为了保证空间站在轨不小于15年长寿命要求,我们从设计伊始,就开展了长寿命、可靠性、维修性、安全性一体化设计。”那么,科研人员采取了哪些措施,来保证中国空间站长期在轨稳定运行呢?

  揭秘1

  “三个首次”打造“史上最复杂”推进系统  

  为实现至少在轨运行15年的设计寿命要求,天和核心舱推进系统成为截至目前中国航天飞行器中最为复杂的推进系统。据航天科技集团六院801所载人航天推进系统部部长顾帅华介绍,本次核心舱发射任务中,“三个首次”成为了攻破“史上最复杂”推进系统的关键。

  顾帅华介绍,第一项关键创新,是较2017年天舟一号货运飞船“太空加油”,本次核心舱推进系统首次实现完全自动化。科研人员研制出全新的自动补加程序,使不再需要地面指令干预或是航天员的辅助,即可实现完全自主补加。

  “太空加油”技术和关键设备由六院801所完全自主研制,首创国内自主研发的压气机及浮动断接器,为我国后续大型空间站建设奠定了坚实基础。

  另一项首次创新,是核心舱推进系统除了配备4台轨控发动机、22台姿控发动机这些在航天技术中常用的常规动力以外,还额外配置了4台霍尔电推进发动机,首次将电推进动力应用到航天器上,将对空间站在近地轨道的运行提供极大帮助。

  空间站在围绕地球运转的过程中,会因为地球引力影响轨道高度,需要发动机消耗额外推进剂来抬升轨道。霍尔电推进系统以其推力小、精确调整、工作时间长的特性,可有效节省核心舱自带推进剂的消耗。我国也继俄、美、欧之后第四个掌握霍尔电推进技术。

  顾帅华介绍,第三个首次,是六院801所研发团队首次设计了包括控制驱动器、霍尔电推进发动机气瓶等设备可由航天员出舱在轨更换维修的方案。

  揭秘2

  热管辐射器降低被空间碎片击穿风险

  空间站在轨运行后,在微流星、空间碎片撞击等意外损伤的条件下,有可能会出现较大的裂纹,从而引起舱体泄漏、舱体开窗、撕裂等灾难性事故。

  中国航天科技集团五院空间站系统副总设计师侯永青介绍,结构研制团队创新设计了健康监测子系统。这个新增的子系统就像体检医生一样,能够在轨对承受的载荷以及自身的结构状态进行实时监测,也能够对空间碎片等“飞来横祸”进行监测、定位和报警,一旦发现有空间碎片撞击上来,能迅速及时地报警,第一时间通知地面和航天员,立即处理。它还能对舱内的压力情况进行监测,根据不同的压力指标进行分级报警。

  航天科技集团五院空间站热控分系统主任设计师韩海鹰介绍,为了应对空间碎片等“劲敌”的攻击,天和核心舱热控分系统针对长寿命可靠性问题,在载人二期的基础上,开展了健壮性设计,为空间站安装了两条相当于“大动脉”的管子——热管辐射器,以减少流体管在外暴露的面积,大大降低被空间碎片击穿的风险。

  揭秘3

  太阳电池翼收拢后只有一本书的厚度

  天和核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳翼,其双翼展开面积可达134平方米。这是我国首次采用柔性太阳翼作为航天器的能量来源。

  与传统刚性、半刚性的太阳电池翼相比,柔性翼全部收拢后只有一本书的厚度,仅为刚性太阳翼的1/15,同时,展开面积大、功率重量比高,单翼即可为空间站提供9KW的电能,在满足舱内所有设备正常运转的同时,也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。

  太阳翼作为舱外产品,要面对的空间环境极其恶劣,除了需要经历88000次±100℃的高低温循环外,还要经受低轨环境中原子氧、等离子体、紫外辐照、电离辐照等多种空间环境的考验。航天科技集团八院805所柔性太阳电池翼研制团队开展了3年多的方案论证和比较工作,经过大量的地面模拟长寿命测试。

  比如,太阳翼上的张紧机构看似是一根简单的钢丝绳,其实是一套恒力弹簧绳索系统,通过它的不断伸缩才能保证太阳翼在高低温环境下的足够刚度以及姿态控制。团队在地面完成了40万次热真空疲劳寿命试验、100万次常温常压寿命试验。

  揭秘4

  太空厨房可定量分配常温水和热水

  核心舱安装了很多监测航天员身体状况的医学监测设备,均由航天科技集团九院771所负责研制生产。

  例如,常规医监设备可以为航天员在长期飞行中的生理健康状态和功能提供全面有效的医学监督和保障;无线生理信号检测装置负责监测航天员心电、呼吸、体温;睡眠监护仪能够采集航天员睡眠时产生的多路生理信号,为航天员睡眠质量做定期评价提供数据;动态心电监测仪可采集航天员常规心电、运动心电、动态心电、抢救心电等12导同步心电信号;无创血液动力学监护仪可对航天员一导心电和二导脉搏无创监测,协助完成脉搏量、心排量、外周血管阻力等各项血液动力学参数的健康监督。

  此外,为方便航天员长期飞行中的饮食需求,771所提供了多种太空厨房食品设备。热风加热装置可将航天食品在规定时间内加热到适合在轨食用的温度;微波加热装置则用于加热非金属包装类的食品和饮用水等;饮水分配器除了加热日常饮用水,还能定量分配常温水和热水,滤除水中的银离子,保证健康饮水。

  揭秘5

  卷帘式舱外用保护罩便于操作

  空间站天和核心舱有多个大小不一、形状不一的舱门,当航天员在空间站舱间穿行或出舱时,舱门沿着舱门门轴旋转处于侧开状态,通过舱门过程中,存在对舱门门体密封圈剐蹭的风险,一旦密封圈受损,舱门密闭失效,就可能影响航天员的生存环境。

  为保护舱门门体密封圈不受剐蹭,航天科技集团五院研制了2种状态的舱门保护罩,包括舱内用舱门保护罩和舱外用可展收舱门保护罩。为了便于航天员操作,舱内用舱门保护罩为罩盖式结构,就像落地电风扇防尘罩,使用时只需要航天员将舱门保护罩口部撑开套在舱门上即可;舱外用舱门保护罩为卷帘式结构,使用时航天员只需“抓”“套”“拉”几个简单的操作步骤即可完成。

  ■ 追问

  中国空间站与国际空间站有什么不同?

  国际空间站是目前在轨运行最大的空间平台,规模大约423吨,由美国、俄罗斯、加拿大、日本等16国联合,先后经历12年建造完成。

  航天五院专家表示,中国空间站由一个核心舱和两个实验舱组成,在总体规模上不及国际空间站,这主要是在建设思路上按照符合中国国情,有所为、有所不为来考虑,综合当前需求和耗费等因素,不搞像国际空间站那么大规模的空间站,而是采用规模适度、留有发展空间的思路,既可以满足重大科学研究项目的需要,又同时具备扩展和支持来往飞行器对接的能力。

  中国空间站由我国自主建造,实现了产品全部国产化,部组件全部国产化,原材料全部国产化,关键核心元器件100%自主可控。

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