中央纪委国家监委网站柴雅欣自东风航天城报道
10月16日6时56分神舟十三号载人飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱径向端口与此前已对接的天舟二号天舟三号货运飞船一起构成四舱船组合体整个交会对接过程历时约65小时图为神舟十三号径向对接模拟图中国航天科技集团五院供图
10月16日凌晨0时23分一道耀眼的金光划过大漠月色翟志刚王亚平和叶光富三名航天员搭乘神舟十三号飞船在长征二号F遥十三运载火箭下文称长二F火箭的助推下驶向星海入住天宫
从火箭发射到飞船成功对接核心舱再到航天员顺利进驻神舟十三号如何过关斩将背后都有哪些功臣为它保驾护航记者带您一起了解那些护航神舟飞天路的硬核科技
从颠簸震动到舒适加倍航天员火箭专列再升级
神舟十三号发射升空伴随着巨大的火箭尾焰和轰鸣声我们从直播画面中看到三位航天员的神情似乎与在地面无异也没有明显的摇晃
与之形成鲜明对比在神舟五号载人飞行任务中当火箭飞行到三四十公里高度时火箭和飞船发生了急剧抖动产生共振让杨利伟承受了极大的不适后来杨利伟在太空一日中回忆了那难以承受的26秒痛苦的感觉越来越强烈五脏六腑似乎都要碎了我几乎难以承受觉得自己快不行了
这个让人很不舒服的共振曾是一个世界级航天发射难题中国航天科技集团一院长二F火箭总体主任设计师常武权告诉记者早在20世纪60年代美国发射大力神火箭过程中就出现过持续30秒的振动法国火箭也曾出现过类似问题影响了搭载卫星的寿命
如何让这26秒不再难以承受试验人员经过测算分析认为病根可能出在氧化剂上当氧化剂中燃料的振动频率和火箭结构的振动频率接近时很可能发生结构与液体耦合的发散振动经过试验分析结论印证了此前的推测问题出在火箭的POGO振动纵向耦合振动
找到问题根源后长二F火箭研制团队着手改进火箭性能首先研制人员通过减少火箭助推器蓄压器上的膜盒减小振动量级和时间但振动问题仍未完全解决研制团队再次优化设计将助推器蓄压器改为变能量蓄压器这个装置能够吸收燃料振动时产生的能量改变燃料的振动频率燃料的振动频率和火箭结构的振动频率不再接近火箭因此就不会产生POGO振动
作为航天员专列安全性能无疑是第一位的长二F火箭是我国第一枚有明确0997安全性指标要求的运载火箭安全性指标表示火箭出现故障时还能保障航天员安全返回的条件概率0997安全性指标即假设发射出现1000次故障所采取的救助措施中仅允许3次不成功
在追求安全性的道路上火箭研制团队没有止步进入空间站任务阶段长二F火箭共进行了100多项技术状态更改其中有70余项与可靠性提升相关这些改进不涉及重大技术状态变化主要目的是消除薄弱环节比如针对发动机点火失效风险将主机传火孔直径从4毫米改为6毫米进一步提升点火可靠性根据位置不同对发动机二级游机推力室喷注口提出更加精细的角度设计要求使推进剂能更加充分地融合和燃烧为火箭提供强劲动力
与其他型号火箭不同长二F火箭顶部有一根瘦长的避雷针逃逸系统假如火箭突发意外情况逃逸飞行器会像拔萝卜一样带着返回舱飞离故障火箭但开伞过程中返回舱会受到地面低空风的极大影响
此前逃逸飞行器只能往一个固定的方向逃逸存在安全风险如果逃逸飞行器只能向东逃逸正好这时地面吹来一股向西的风这样返回舱处于开伞状态时很可能又被吹回到故障火箭附近航天员就会陷入危险长二F火箭副总师刘烽说
为确保航天员安全研制人员对长二F火箭逃逸安控体制进行改进提高了保密安全性能和抗干扰性能研制人员在现有控制逃逸发动机的基础上新增发动机点火功能使逃逸飞行器可以向垂直于地面风的方向逃逸更加安全灵活比如地面刮的是南北风现在逃逸能力提升了可以提前选择与南北风垂直的方向逃逸避开地面风常武权说
逃逸系统改进后长二F火箭的安全性指标评估值达到0的国际先进水平即发射十万次才会有4次逃逸失败
神舟首次径向停靠空间站技术革新让对接更准更稳
10月16日6时56分神舟十三号载人飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱径向端口与此前已对接的天舟二号天舟三号货运飞船一起构成四舱船组合体整个交会对接过程历时约65小时
自神舟八号到神舟十二号5艘飞船都是轴向前向后向对接这次是神舟飞船首次径向停靠空间站即飞船与核心舱径向对接口进行对接对接时核心舱和飞船呈垂直状态
为何神舟飞船要和空间站进行径向交会对接因为后期要进行航天员乘组轮换同时有两艘飞船对接空间站径向交会对接能提高进驻空间站的通道和手段北京航天飞行控制中心空间站任务总师孙军表示神舟飞船的发动机控制系统和敏感器都是专门为全方位与空间站对接而设计也只有神舟飞船能和空间站进行径向交会对接
径向与轴向呈垂直夹角方向变了90度对接难度大大增加中国航天科技集团五院总体设计部飞船型号系统总体副主任设计师高旭告诉记者径向交会对接有三难这也让此次太空华尔兹更加扣人心弦
难在持续控制姿态和轨道前向后向交会对接时飞船有一个200米保持点即使发动机不工作飞船也能较长时间保持稳定的姿态和轨道径向交会没有稳定的中途停泊点需要持续控制飞船姿态和轨道推进剂消耗大故障处置难
难在确定姿态和相对位置飞船配有敏感器如同飞船的眼睛由于径向交会过程中飞船要进行由平飞转竖飞等大范围的姿态机动所以对眼睛识别目标和不被复杂光照变化干扰提出了更高要求
难在航天员手控交会模式径向交会对接过程中地球这个最熟悉的参照基准基本失效测控条件变差且相对动力学运动特性与前向后向交会不同这给手控交会模式下航天员的操作增加了难度
首次径向交会对接顺利实施离不开中国航天科技集团五院神舟飞船研制团队数年的技术攻关和地面实验为适应空间站组合体不同构型及来访航天器不同停靠状态实现与空间站前向后向径向交会对接和分离研制团队设计了新的交会路径和绕飞模式增加了绕飞快速交会对接径向交会对接各项功能
径向交会对接的复杂场景也对微波雷达提出了更高要求微波雷达作为中远距离测量手段在交会对接过程中当飞船与核心舱相距约90公里时微波雷达开始工作提供两个航天器间的精确测距测速等信息实现远距离捕获稳定跟踪精准测量据中国航天科工集团二院25所交会对接微波雷达主任设计师姚元福介绍神舟十三号上安装的是微波雷达二代产品体积小重量轻功耗低除了具备基本的高精度测量功能还具有通信功能能够根据切换指令与不同应答机进行通信实现了核心舱多对接口对接
微波雷达的测量精度有多精研制人员打过一个有趣的比方类似于从北京识别出石家庄的一张A4纸那高精度测量是如何实现的微波雷达采用伪码测距多普勒测速干涉仪测角等原理实现两器之间相对距离速度角度的高精度测量姚元福说
据了解径向交会和前向交会都是中国空间站载人飞船正常的交会方式会在未来空间站载人交会对接任务中交替使用
USB测控网陆海天基全面覆盖航天测控通信性能更强
光学跟踪正常USB雷达跟踪正常遥测信号正常火箭在酒泉卫星发射中心腾空而起几十秒后指挥大厅内工作人员发出的各项正常口令回荡在发射场夜空
能听到令人安心的正常USB测控网统一S波段测控网功不可没它包括众多测控站和部署在大洋上的远望号测控船等能实时测控火箭和飞船飞行状态
在载人航天任务中西安卫星测控中心作为轨道计算备份中心与北京航天飞行控制中心共同负责对航天器发射入轨在轨运行返回再入等阶段进行精准跟踪监视与计算分析
从载人航天工程上马以来经过近30年的探索与实践我国已建成陆海天基全面覆盖的USB测控网西安卫星测控中心工程师张卓告诉记者测控网在频段和体制上与国际兼容集测轨遥测遥控语音电视等功能于一体综合了测控和天地通信功能是飞船升空后与地面联系的唯一信息线
此次径向交会对接整个过程都是在制导导航与控制GNC系统指挥下由飞船智能自主完成
在快速自主交会对接过程中地面基本不需要干预控制主要靠天链中继卫星进行跟踪测控张卓说陆基USB测控设备整体性能相对更加稳定在太空各种情况都未知的情况下通过与中继卫星互为补充组成天地一体测控网共同护航航天员的太空之旅
据北京航天飞行控制中心神舟十三号任务总工程师谢剑锋介绍面对对接方式新在轨时间长处置要求高等难点任务团队攻克了大量技术难关
径向交会对接期间空间站组合体和飞船大幅度姿态调整影响中继测控和飞船能源给测控支持模式和飞行程序安排带来变化地面监视判断和应急处置难度由此增加任务团队优化设计方案细化决策判据创新设计了以空空代传为主的测控模式和并网供电模式克服了通信和供电难题交会对接安全性大幅提高
为确保应急故障及时有效处置我们针对神舟十三号任务设计了400多个故障预案组合体相关预案高达2500个最紧急时15秒内就必须完成发令处置孙军说
声表滤波器是一种用于滤除高次谐波镜像信息发射漏泄信号以及各类寄生杂波等干扰信号的设备保障飞船通信清晰传回地面由中国航天科工集团二院23所微电公司研制的声表滤波器为神舟十三号飞船关键部位提供通信保障服务
使用环境不同声表器件经受的环境要求差别很大比如在火箭发射阶段器件承受巨大的加速度声表滤波器需在剧烈的振动和冲击下正常工作到了在轨飞行阶段器件在失重环境下工作外壳内外压力相差很大产品要能在强辐射高压力下保持正常的形状和功能
考虑到这些特殊需求研制人员在器件研制过程中按照不同使用环境分别做好产品应力设计可靠性设计和防辐射设计保证器件在极端环境下正常工作通信清晰可靠
太空里的华尔兹
中央纪委国家监委网站柴雅欣
华尔兹优美柔和快慢并施舞者间配合默契旋转摇摆中尽显圆舞之美而神舟十三号飞船与天和核心舱成功交会对接恰如太空中的两名舞者跳了一支天衣无缝的华尔兹
这一舞距离我国首次实现空间交会对接已过去整整十年
空间交会对接技术是建立空间站最基本最关键的技术之一与载人天地往返出舱活动并称载人航天三大基本技术2011年11月神舟八号载人飞船成功实现了与天宫一号目标飞行器的交会对接标志着我国成为继美俄之后世界第三个独立掌握空间交会对接技术的国家
什么是交会对接简单来说它指追踪飞行器与目标飞行器在空间轨道上交会并在结构上连成一个整体的技术拆分来看空间的两个航天器在同一时刻以相同速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果被称作轨道交会而在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器被称作空间对接交会对接正是轨道交会和空间对接的总称
交会对接有多难两个飞行器以比子弹还快数倍的速度飞行想要完成无缝对接难度如同在无垠太空中穿针引线如果轨道测算稍有误差便永远擦肩而过
交会对接有啥用首先它可以为长期运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务比如9月20日天舟三号货运飞船先神舟十三号一步驶入太空成功对接天和核心舱后向端口送去第二批太空包裹
交会对接还为大型空间设施的建造和运行服务空间站在轨组装建造像一个搭积木的过程后续计划发射升空的问天梦天实验舱都将与天和核心舱进行交会对接此外它还具有进行空间飞行器重构实现系统优化的作用
十年来中国空间交会对接技术水平稳步提升
2012年神舟九号飞船与天宫一号在航天员精准操控下完成交会对接这是中国首次航天员手控交会对接丰富了空间交会对接方式提高了实施航天任务的安全性
2013年神舟十号任务验证了航天器绕飞及多方位交会技术为后续空间站工程建设积累经验
2017年天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室在第三次牵手时开启快进模式短短65小时内实现了自主快速交会对接与耗时颇久的传统交会对接模式相比效率极大提高
中国空间站建造任务大幕拉开后中国空间交会对接技术继续在实战中大显身手方式更丰富水平再提高6月17日神舟十二号飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口整个交会对接过程历时约65小时这是天和核心舱发射入轨后首次与载人飞船进行交会对接而这一次神舟十三号飞船与天和核心舱完成全自主径向交会对接是中国载人飞船在太空实施的首次径向交会对接创造了历史也为后续空间站建设航天员乘组轮换等提供了坚实的技术支撑
确保稳定飞行的最佳搭档
高加组合成团出道
中央纪委国家监委网站王珍
10月16日6时56分随着神舟十三号飞船与天和核心舱成功对接中国空间站建设工作又向前迈进了一步作为飞船交会对接的重要测量组件中国航天科工三院33所研制的高精度加速度计组合简称高加组合依旧给人稳稳的信服
本次任务中组合内的核心部件石英挠性加速度计简称加速度计和IF转换电路密切协作精准测量微重力环境下的加速度从而帮助飞船精准把握速度位置等信息
其中加速度计负责测量加速度并输出电流IF转换电路负责将电流信号翻译成脉冲提供给飞船上的控制中枢既然两个核心部件分别执行不同的任务直接把这两个器件装在飞船上不行吗为何非得成团出道
答案是这个团必须组它还真不是器件外面套个包装盒那么简单
首先有了组合加速度计才有了小棉袄由于加速度计的测量精度与工作环境温度变化紧密相关不加保暖措施的加速度计一旦升空将会因为温度影响难以保证高精度地输出有了组合的加持技术人员就有条件为加速度计打造贴身的小棉袄将其工作温度平稳地控制在适当的点上相比假设中的独自受冻装进组合里有人照料的加速度计自然火力全开表现优异
其次组合的标定才是最优解在装进组合之前加速度计本身是经过标定的所谓标定就好比给一杆新秤定准星定得越准将来才能称得越准加速度计和IF转换电路作为金牌CP虽然合作密切但也绝非天然匹配这就需要按照系统的思维在标定过程中细致调整找到最优的匹配参数让金牌CP真正做到门当户对在这方面33所技术人员付出了艰苦的探索让问题迎刃而解也让组合的优势得到了最充分的体现
此外组合让电路功能升级有底气从神舟十二号飞船任务开始设计人员根据任务需要对IF转换电路进行了功能升级由单纯输出脉冲升级为能够统计脉冲数为提升系统的工作效率提供了方便在此过程中技术人员充分发挥系统优势不断优化产品设计统筹把握整体性能平稳可靠地实现了既定目标
可以说高加组合就像一个神奇的魔盒虽然其貌不扬但却拥有温暖的怀抱和谐的氛围让身处其中的各个器件心往一处想劲往一处使共同为神舟飞天发挥应有的作用