中國首次制造太陽翼結(jié)構(gòu)

細(xì)心的人可能會留意到，在每次載人飛行任務(wù)宣布成功時，都會提到這樣一句話：飛船準(zhǔn)確進(jìn)入軌道，太陽帆板展開正常，航天員狀態(tài)良好。

這其中的“太陽帆板展開正?！敝陵P(guān)重要。它意味著，飛船能夠采用太陽能供給能量，此后才能逐步啟動有效載荷。和此前神舟飛船所帶的太陽能帆板不同，神舟十一號的太陽能帆板是第一次采用國產(chǎn)太陽翼結(jié)構(gòu)。

這一結(jié)構(gòu)由航天科技集團(tuán)公司五院508所研制。根據(jù)該所的說法，此次，神舟十一號太陽翼連接架百分之百國產(chǎn)化，基板國產(chǎn)化率達(dá)93%，說明該所復(fù)合材料的專業(yè)能力已達(dá)到國內(nèi)同類復(fù)合材料產(chǎn)品的國產(chǎn)化率最高水平。

事實(shí)上，這家科研單位之所以能做出這一產(chǎn)品，還是“被逼出來”的。

根據(jù)五院專家的說法，神舟十一號飛船按照原來的設(shè)計(jì)方案一直進(jìn)展順利，但到了2014年4月，這一方案遭遇了“進(jìn)口碳纖維等原材料受限”的問題。怎么辦？換方案的可能性不大。研制人員下定決心，使用國產(chǎn)原材料把太陽翼做出來。

根據(jù)五院專家的介紹，在研制過程中，五院508所圍繞國產(chǎn)碳纖維、鋁蜂窩的材料特性開展了工藝技術(shù)攻關(guān)。針對國產(chǎn)碳纖維工藝性較差、易損傷的特點(diǎn)，研制人員確立了適用于國產(chǎn)碳纖維的一整套工藝方案，研制出的碳纖維零件的外觀質(zhì)量、外形尺寸、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能等均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

針對國產(chǎn)鋁蜂窩芯外形尺寸較小的現(xiàn)況，研制人員則在短時間內(nèi)突破了大尺寸、高性能鋁蜂窩芯生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，快速實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)蜂窩芯在基板中的無拼接應(yīng)用。

不過，一個繞不開的問題是，隨著國產(chǎn)化材料的應(yīng)用，太陽翼基板和連接架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性發(fā)生了變化，在同樣的力學(xué)環(huán)境下，連接架局部的受力情況有所改變。對此，研制人員又針對結(jié)構(gòu)的變化改進(jìn)工藝方法，降低了產(chǎn)品的缺陷率和不合格品發(fā)生率。

如今，神舟十一號飛船的正常入軌、太陽翼帆板順利展開，也意味著國產(chǎn)太陽翼結(jié)構(gòu)首次經(jīng)過了在軌驗(yàn)證。

太空也有App

在人們的電腦和手機(jī)中，一款好的軟件和App會極大地提高工作效率。神舟十一號飛船上也有這樣的App——一款由航天科技集團(tuán)公司五院西安分院研制的飛船上的儀表控制器應(yīng)用軟件。這款A(yù)pp不僅匯集了神舟十一號飛船14個分系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，而且能夠顯示與飛船和航天員相關(guān)的54幅頁面圖，還能夠?yàn)轱w船的自主應(yīng)急返回尋找最佳的落點(diǎn)。

根據(jù)五院專家的說法，有了這樣一款智能的太空App，航天員就可以一目了然地掌握自己和神舟飛船的所有情況。

開發(fā)這款A(yù)pp的西安分院研究員張赤萍被稱作“神鍵手”。據(jù)她介紹，在航天員所使用的儀表下方，有一排分別標(biāo)著姿態(tài)綜顯、地圖環(huán)控、計(jì)劃熱控、推進(jìn)等一系列的按鈕。航天員會根據(jù)飛行任務(wù)的需要選擇相應(yīng)的畫面來顯示。

在神舟十一號飛船上，共有14個分系統(tǒng)，當(dāng)飛船各個分系統(tǒng)開始工作的時候，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會匯集到數(shù)管分系統(tǒng)。張赤萍說，這時，太空App就開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并轉(zhuǎn)換為航天員可以直觀識別和操作的內(nèi)容，最終在儀表上顯示出來。

載人飛船的“小門神”

在執(zhí)行這次神舟十一號、天宮二號任務(wù)的過程中，航天員要在太空飛行30多天，其間要經(jīng)歷多次穿艙活動，都需要打開和關(guān)閉艙門；航天員在艙內(nèi)時，維持其正常生活的氣體不能泄漏，艙門是否密封良好具有決定性作用。因此，精準(zhǔn)快速地檢測艙門的密封性至關(guān)重要。

根據(jù)專家的說法，早期的飛船采用整艙加壓，通過監(jiān)測艙壓的變化來檢測艙門的密封性。這種方法準(zhǔn)確、可靠，對于早期無人飛船任務(wù)來說影響不大。但對載人飛船分秒必爭的航天員空間試驗(yàn)任務(wù)來說，卻會浪費(fèi)大量時間，因此迫切需要改進(jìn)檢測手段，縮短檢測時間。

艙門快速檢漏儀就是在這一背景下研制的，實(shí)現(xiàn)了對艙門和對接面的快速、準(zhǔn)確檢漏，填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。因此，這個設(shè)備被稱作飛船“小門神”。

專家表示，“小門神”已成為載人航天飛行器的“標(biāo)配”設(shè)備。其原理很簡單，當(dāng)艙門關(guān)閉后，門體上的兩道密封圈與門框之間會形成一個小空間，這時，“小門神”利用艙門的特有結(jié)構(gòu)，向小空間內(nèi)充入一定量的檢測氣體，通過監(jiān)測小空間內(nèi)壓力的變化來判斷艙門的密封情況。

如果發(fā)生泄漏，艙門快速檢漏儀會立刻發(fā)出報(bào)警指示。形象地說，它就像個衛(wèi)士一樣，告知“家”的主人——航天員：“門沒有關(guān)好，存在危險(xiǎn)，您暫時不能入住?！焙教靻T對艙門進(jìn)行處理，經(jīng)過再次檢漏合格后，才能順利入住艙內(nèi)。

根據(jù)中國載人航天工程辦公室的說法，到2020年前后，中國將在太空中建成自己的空間站。在專家看來，“小門神”艙門快速檢漏儀在載人飛船上的成功應(yīng)用，將為空間站等后續(xù)航天器艙門和各種對接密封面檢測積累經(jīng)驗(yàn)。

太空旅程時間更長

神舟十一號入軌后經(jīng)過2天獨(dú)立飛行，完成與天宮二號的自動對接，形成組合體，完成組合體30天中期駐留任務(wù)后，與天宮二號分離，在一天內(nèi)返回內(nèi)蒙古主著陸場，神舟十一號任務(wù)結(jié)束。

在太空時間長，如何保障航天員太空工作生活和執(zhí)行任務(wù)的能力，怎樣提高飛船的可靠性呢？

神舟十一號的技術(shù)改進(jìn)，很重要的一個創(chuàng)新亮點(diǎn)，是新配備了寬波束中繼通信終端設(shè)備?！盀檫M(jìn)一步提高安全性可靠性，新配備了寬波束中繼通信終端設(shè)備，顯著擴(kuò)大了測控覆蓋范圍，提升了飛船姿態(tài)快速變化時的天地通信保障能力，從而提高了航天員的安全性和飛船的可靠性。”專家說。

升級光學(xué)成像敏感器

“為驗(yàn)證未來航天技術(shù)，滿足未來空間站交會測量設(shè)備長壽命的使用要求，對神舟十一號的交會測量設(shè)備進(jìn)行了升級換代。”專家說。

天宮二號和神舟十一號的交會對接，是搭建太空之家的重要一步，尤其是兩者從相距120米到最終完成對接的階段，難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高。為了讓它們能在以8倍于子彈的速度下毫厘不差地對接在一起，技術(shù)人員對光學(xué)成像敏感器實(shí)現(xiàn)了升級。

神舟十一號交會對接光學(xué)成像敏感器的設(shè)計(jì)人員說，太空中陽光照射強(qiáng)度是地球上的3～5倍，很容易“亮瞎”飛行器的“雙眼”，就像開車時被對面來車晃了大燈，需要一段時間才能恢復(fù)視力，因此以往交會對接要選擇光線合適的時機(jī)進(jìn)行。

與天宮一號上運(yùn)用的產(chǎn)品相比，升級版敏感器的太陽雜光抑制能力、識別目標(biāo)敏感度均大幅提升，即使被晃了眼，視力恢復(fù)時間也能從原來的10秒鐘縮短到幾百毫秒。由此，神舟十一號和天宮二號可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全天候?qū)崟r對接，可保障航天器突發(fā)維修補(bǔ)給或航天員的應(yīng)急救生。

首次考核航天員中期駐留能力

“此次任務(wù)的目的是進(jìn)一步對改進(jìn)型載人飛船功能進(jìn)行全面驗(yàn)證，為后續(xù)載人任務(wù)提供重要的技術(shù)支撐。此外，通過多項(xiàng)在軌試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證飛船設(shè)計(jì)功能，獲取和積累載人環(huán)境相關(guān)的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)?！鄙裰凼惶栵w船總設(shè)計(jì)師張柏楠說。

在此次空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)中，對接軌道和返回軌道高度比以前增加了5 000米，神舟十一號任務(wù)將首次考核驗(yàn)證空間站階段的交會對接和載人飛船返回技術(shù)，還將首次考核航天員中期駐留能力，通過驗(yàn)證航天員駐留能力，為航天員空間站階段長期在軌考核奠定基礎(chǔ)。

照明設(shè)備點(diǎn)亮“飛天之路”

神舟十一號在浩瀚的宇宙遨游過程中，會周期性地經(jīng)過地球陰影區(qū)，此時會經(jīng)歷很長時間的黑暗，影響在軌任務(wù)的順利完成。飛船艙內(nèi)照明設(shè)備和交會對接照明設(shè)備，不僅為航天員提供了艙內(nèi)工作、生活照明，還為載人飛船與空間實(shí)驗(yàn)室在陰影區(qū)的交會對接提供了攝像輔助照明。

“在太空，如果直接采用生活中常用的白熾燈、節(jié)能燈，估計(jì)在飛船上用不了幾天就熄火了。飛船上究竟采用了什么光源？神舟十一號飛船艙內(nèi)照明設(shè)備（近距離泛光照明）和交會對接照明設(shè)備（遠(yuǎn)距離投光照明）使用LED光源，也就是固態(tài)照明光源。”承擔(dān)這一設(shè)備研制任務(wù)的專家說。

專家指出，載人飛船有了艙內(nèi)照明設(shè)備和交會對接照明設(shè)備后，當(dāng)飛船進(jìn)入地球陰影區(qū)時，航天員在艙內(nèi)仍然可以正確判讀儀表，手動操作各種開關(guān)，再也不會誤打誤撞了，飛船與空間實(shí)驗(yàn)室交會對接也多了一份成功的保障。

熱控系統(tǒng)為“太空之家”保駕護(hù)航

“神舟十一號在太空中飛行，最關(guān)鍵的是航天員的生命安危?！睂＜艺f，確保航天員在太空中的生活舒適、安全，須為航天員營造一個類似于地面一樣的“家”——有適宜人類生存生活的溫度、氧氣等，而這要靠熱控分系統(tǒng)和環(huán)控生保系統(tǒng)來提供：熱控分系統(tǒng)的作用是使飛船內(nèi)保持一定的溫度和濕度，環(huán)控生保系統(tǒng)是為航天員創(chuàng)造合適的艙內(nèi)生存條件，保障航天員在空間飛行的特殊環(huán)境下能夠安全生活和正常工作，為航天員營造一個溫暖的居住環(huán)境。

熱控分系統(tǒng)和環(huán)控生保系統(tǒng)，分別位于載人飛船的推進(jìn)艙和軌道艙的艙壁內(nèi)。環(huán)控、熱控分系統(tǒng)主要采用流體換熱技術(shù)進(jìn)行溫度控制，通過流體流動將船上產(chǎn)生的熱量傳遞給外部輻射器，再通過輻射器將熱量輻射到太空中。

飛船儀表的“救生衣”

飛船上儀表類器件通過液晶屏和航天員完成人機(jī)交互工作，作為高精科技代表的儀表類器件往往比較脆弱，而發(fā)射過程中火箭的瞬時快速加速會引起飛船艙內(nèi)設(shè)備的劇烈振動，如果無法很好地隔離、衰減發(fā)射時的沖擊振動，很可能導(dǎo)致飛船儀表損壞、飛行任務(wù)失敗。

此時，神舟系列飛船儀表板減振器肩負(fù)起了為整個飛船儀表減振的重任，安裝在儀表板4個安裝點(diǎn)上的金屬橡膠減振器將儀表和船體隔離開來，并通過振動過程中金屬絲之間不斷地摩擦消耗了大量能量，這部分能量最終變成熱能消失在了周圍介質(zhì)中。

專家指出，金屬橡膠減振器完美扮演了神舟飛船儀表類器件“救生衣”的角色，確保了歷次飛行任務(wù)的圓滿成功。

載人飛船的神奇“外衣”

神舟十一號飛船運(yùn)行在距離地球表面約100千米高度的軌道上時，會受到太陽輻射、地球到大氣的輻射和反照，還會受到許多游離在空間的高能粒子影響。在這樣的環(huán)境中，飛船該怎樣更好地保護(hù)自己？

專家說，他們?yōu)轱w船設(shè)計(jì)的神奇“外衣”就像人類的衣服一樣，天冷時能保暖，太陽照射時能防曬，同時衣服還能隔離灰塵、霧霾等有害因素對皮膚的傷害。

研究人員為軌道艙設(shè)計(jì)了一套厚度約2厘米的外衣，能高效隔離空間環(huán)境與軌道艙艙壁之間的換熱，外衣表面還有一層華麗的復(fù)合膜，以此來提高飛船對軌道原子氧等粒子的防護(hù)能力；在返回艙外表面，噴涂了特殊設(shè)計(jì)的有機(jī)熱控涂層，為保證在軌期間的返回艙溫度條件提供有力支持。

在推進(jìn)艙的底部，為有效抑制發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后的高溫對推進(jìn)艙內(nèi)的影響，這一重點(diǎn)區(qū)域運(yùn)用了多層隔熱材料，能夠隔離的最高溫度達(dá)900 ℃。

“科技+時尚”的航天服

據(jù)了解，景海鵬和陳冬兩名航天員的多款航天員服裝由東華大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)研制，充分體現(xiàn)了“科技加時尚”的設(shè)計(jì)理念。服裝設(shè)計(jì)者介紹，服裝突破以往單一用色模式，在天空色湖藍(lán)基礎(chǔ)上加入象征地球天際線和外太空色調(diào)元素，深淺明暗的變化搭配，看起來更立體飽滿有層次感；工藝上多以立體直線條為主，前肩隱喻航天飛行軌跡的“S”形弧線與前胸象征勝利的“V”形直線拼條呼應(yīng)，呈現(xiàn)出粗、細(xì)、曲、直的和諧之美。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)保障航天員太空和地面工作生活全過程的系列專用服裝，其中，既包括航天員在軌工作生活的工作服、鍛煉服、休閑服、失重防護(hù)服、睡具等，還有常服、任務(wù)訓(xùn)練服、專用服飾等地面任務(wù)服裝等數(shù)十個種類，這些專用服裝不僅要確保實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)特殊功能，還融入了中國特色設(shè)計(jì)元素，為航天員增添時尚氣息。

據(jù)悉，全系列航天服及配飾的款式、顏色、圖案、質(zhì)地等不僅彼此之間相互匹配，還與艙室環(huán)境相融，體現(xiàn)了中國特色文化元素和時代特征，體現(xiàn)了航天員群體的職業(yè)特點(diǎn)和精神風(fēng)貌。各具功能的不同類型服裝，有的能夠幫助航天員在長時間太空飛行中起到對抗失重導(dǎo)致的肌肉萎縮，有的還能呵護(hù)航天員調(diào)節(jié)他們的情緒和心情，同時還要考慮艙內(nèi)光線環(huán)境下進(jìn)行攝影、攝像和圖像傳輸后的顯示效果。

航天員巡天的“定心丸”

看過神舟飛船發(fā)射的人們會注意到，火箭頂端有個類似避雷針的尖塔狀裝置，這是由航天科技集團(tuán)四院自主研制的、被稱為航天員“生命之塔”的逃逸救生系統(tǒng)。

專家說，逃逸系統(tǒng)承擔(dān)著航天員的安全救生使命，它負(fù)責(zé)在火箭發(fā)射前900秒到起飛后160秒出現(xiàn)意外時，可確保箭船分離，把航天員帶到安全地帶，是我國載人航天工程必須突破的三大技術(shù)難關(guān)之一。研究人員克服困難、成功研制的逃逸救生系統(tǒng)，為航天員放心巡天提供了安全保障。

據(jù)專家介紹，逃逸塔性能特殊、技術(shù)復(fù)雜，國際上只有美國和俄羅斯掌握了這項(xiàng)技術(shù)。

飛船安全返航的法寶

回收著陸是載人航天活動的最后步驟，也是決定航天員能否安全回家的最后一棒。

專家說神舟飛船回收著陸系統(tǒng)的研制，先后攻克了特大型降落傘、著陸緩沖、靜壓開傘高度控制、多模式回收程序控制、非電傳爆彈蓋開傘等關(guān)鍵技術(shù)，研制了目前國內(nèi)回收質(zhì)量最大、著陸速度最低、可靠性安全性最高、系統(tǒng)最復(fù)雜的一套航天器回收著陸系統(tǒng)。

研究人員說，神舟十一號回收著陸的亮點(diǎn)明顯，一是全國首創(chuàng)特大型降落傘。降落傘系統(tǒng)是飛船返回階段的重要?dú)鈩恿p速裝置，它可以將進(jìn)入大氣層的飛船返回艙從高鐵速度降到普通人慢跑的速度。系統(tǒng)由7 000多個零部件組成，是目前我國航天器回收降落傘中結(jié)構(gòu)最龐大和最復(fù)雜的系統(tǒng)。其中，主傘1 200平方米，能鋪滿一個足球場。二是著陸緩沖技術(shù)提升乘坐舒適度。經(jīng)過與空氣的“軟”摩擦之后，飛船返回艙進(jìn)入著陸緩沖環(huán)節(jié)，這最后一步是硬碰硬的撞擊。為了讓飛船在“落腳”的一瞬依然保持航天員良好的乘坐體驗(yàn)，研究人員將著陸緩沖技術(shù)應(yīng)用于神舟飛船返回艙的著陸緩沖系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)返回艙“軟著陸”。