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这些新科技为航天员护航
发布时间:2021-11-23        浏览次数:        

  中国载人空间站由核心舱天和、实验舱梦天、实验舱问天、载人飞船和货运飞船五个模块。各飞行器既是独立的飞行器,具备独立的飞行能力,又可以与核心舱组合成多种形态的空间组合体,在核心舱统一调度下协同工作,完成空间站承担的各项任务。

  这个夏天,不少家长带着孩子来到中国科学技术馆,参观天和核心舱结构验证件实物,了解中国空间站相关知识。新华社发

  根据计划,天和核心舱还将多次迎接天舟货运飞船和神舟载人飞船的访问,在完成关键技术验证后与问天实验舱、梦天实验舱实施交会对接,预计在2022年完成空间站三舱组合体在轨组装建造。空间站建成后,将成为中国空间科学和新技术研究实验的重要基地,每年与载人飞船、货运飞船对接若干次进行补给,维持寿命长达10年甚至更长时间的运行。

  世界主流载人火箭在外形上大多有个共同的特征:火箭“头顶”上都顶着一个尖尖的装置,叫作“逃逸塔”,也就是火箭的逃逸系统。与之一起发挥关键作用的是外形上看不到的故障检测处理系统,这是载人火箭所独有的系统。载人火箭从在发射台等待发射到飞行过程中,故检逃逸系统会一直配合工作,故障检测处理系统一旦检测到火箭出现危及航天员安全的情况,将给逃逸系统发出逃逸指令,逃逸系统就会迅速将航天员带离危险,使之安全返回地面。

  被誉为“神箭”的中国载人火箭长征二号F型运载火箭历次安全成功将航天员送入太空,其上就设计了故检逃逸系统,以全程保护航天员的安全。

  运载火箭上为航天员逃逸而专门研制的系统有故障检测处理系统和逃逸系统。参与航天员逃逸的系统有控制系统、遥测系统和外测安全系统。故障检测处理系统有两个主要任务,一是检测火箭的重要参数,判断火箭故障,出现故障时向有关系统发出逃逸指令和终止飞行指令,由箭上的故障检测处理飞行软件负责实施这两项关键任务;二是逃逸时完成逃逸飞行器的时序控制和火工品配电,由箭上的逃逸程序控制软件负责逃逸时逃逸发动机点火及相关装置动作控制。逃逸系统的任务是当运载火箭抛整流罩前发生重大危险,威胁到航天员的生命安全时,负责使航天员脱离危险区,并为航天员的返回着陆提供必要的条件。

  2021年6月17日,神舟十二号载人飞船在酒泉卫星发射中心点火发射,并与天和核心舱完成自主快速交会对接,中国人首次进入自己的空间站。

  逃逸系统的构成非常复杂,由五种固体发动机、整流罩的上半部分、支撑机构、栅格翼及其释放机构以及灭火装置等组成,它必须与其他正常飞行时所使用的系统协同工作才能完成逃逸任务。五种发动机分别是逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰控制发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机。前三种负责39千米高度以下,也就是火箭从点火前900秒到发射后120秒时的逃逸工作;后两种在39至110千米高度内,即火箭发射120秒后至200秒时发挥作用。

  逃逸系统的结构由上半部整流罩、栅格翼及其释放机构、上下支撑机构等组成。上下支撑机构的主要功能是:一旦火箭出现应急故障需要逃逸救生时,上下支撑机构上的火工作动筒接到发火信号点火动作后,迅速将机构与飞船的可移动支点锁死,以实现逃逸系统外壳体与飞船返回舱及轨道舱间的刚性连接,这种刚性连接是实现逃逸救生的必要保证条件。在正常飞行条件下上下支撑机构与飞船是弹性支撑,即飞船与逃逸系统外壳体间可以有允许的间隙做相对运动。

  逃逸飞行器是一个无控飞行器,根据逃逸飞行器气动特性设计,为了保证飞行器在整个逃逸飞行过程中保持稳定姿态,在逃逸飞行器底部四周需要设置4块稳定栅格翼。该栅格翼在火箭正常飞行状态下收靠在整流罩周围,一旦逃逸,4块栅格翼与整流罩的连接爆炸螺栓起爆解锁,栅格翼在弹簧推杆、气动力及过载惯性力的作用下迅速展开。为防止栅格翼展开时对整流罩冲击过大,同时又要将栅格翼展开后锁定在某一位置,每块栅格翼两侧安装有两个液压阻尼器,以实现阻尼和锁定双重功能。在保证栅格翼展开时间要求的同时,尽可能减少对整流罩的冲击。

  逃逸系统共配备了5种类型共12台发动机,其中逃逸主发动机1台,分离发动机1台,控制发动机4台,高空逃逸发动机4台,高空分离发动机2台。除高空分离发动机为选用产品外,其他几种发动机均是专门为逃逸系统研制的。逃逸主发动机、分离发动机、控制发动机和尾裙、配重段一起组成逃逸塔,为120秒前的逃逸提供动力。高空逃逸发动机、高空分离发动机安装在飞船整流罩上,完成从逃逸塔分离后到抛罩期间的应急逃逸任务。逃逸系统固体发动机的任务决定了这些发动机的特点,即:快速启动、推力大、工作时间短和高可靠性、安全性。

  在逃逸系统的工作范围(起飞至整流罩分离)内,逃逸模式分为两种,即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和无塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ适用于火箭发射前15分钟~起飞后120秒,模式Ⅱ适用于火箭起飞后120秒~整流罩分离。在逃逸模式Ⅰ中,考虑到发射人员及地面设施的安全性,火箭飞行60秒前逃逸时火箭发动机不关机,60秒后逃逸时将终止故障火箭继续飞行。逃逸模式Ⅱ适用于逃逸塔分离至整流罩分离期间火箭出现重大故障时。在实际的飞行过程中,返回舱和逃逸飞行器可能存在两种分离模式,即有逃逸塔分离和无逃逸塔分离。有逃逸塔分离的动力来源于逃逸塔上的分离发动机,无逃逸塔分离的动力来源于整流罩上的高空分离发动机。

  回顾载人航天历史,故检逃逸系统在保障航天员的生命安全上立了大功。2018年,俄罗斯联盟号火箭升空后出现问题,当时逃逸塔已经分离,火箭故检系统检测到火箭发射重大故障后,启动了无逃逸塔的高空逃逸模式,飞船与火箭分离后使用降落伞返回地面,航天员无一伤亡。再比如,1983年9月26日,苏联的联盟T-10-1飞船在准备发射升空时,火箭突然起火燃烧。情况万分紧急,就在满载燃料的火箭即将爆炸之前几秒钟,逃逸系统启动,逃逸塔将载人飞船带离危险区域并降落到安全地带,拯救了航天员的生命。1975年4月5日,苏联发射联盟-18飞船,准备与当时的礼炮号空间站对接,在近150公里的高空,火箭二级与三级分离不成功,偏离预定轨道,之后实施了逃逸程序,采用轨迹很陡峭的弹道式下降方式成功返回地球。

  在我们航天探索的过程中,“载人航天,人命关天”,安全永远放在第一位,如此我们才能站得更高,离天空更近。

  日常生活中,我们习惯了出门要先看看天气预报。其实在太空中也是如此——空间环境预报对保证航天员的工作、保障载人空间站的安全非常重要。

  中科院空间环境预报中心承担着空间环境预报的任务,不仅要为发射任务提供空间环境保障服务,还将开启全天候的空间环境保障模式,不间断地为我国载人空间站的在轨安全运行保驾护航。

  影响载人空间站发射和运行安全的轨道空间环境主要是大气环境、高能辐射环境和流星体环境等。这些环境的变化主要受太阳活动和地磁活动的制约。太阳活动是近地空间环境的扰动源,大的太阳爆发活动直接影响近地空间环境,如产生太阳质子事件引起高能辐射环境的变化。地磁暴期间,高层大气密度会迅速上升,导致低轨道上航天器的阻力增加,从而改变航天器的正常运行轨道,增大航天器定轨和轨道预测的误差。

  载人空间站各个舱段的发射期(2021-2022年)处于第25太阳活动周的开始和上升阶段,太阳爆发活动的强度和频次相对低一些。但是这并不意味着空间环境就可以平静无虞了。太阳上的冕洞经常连续几个太阳自转周(27天)引起地磁扰动,偶发的日冕物质抛射也会时不时引起地磁暴。

  最重要的是,载人空间站的运行期为10余年,将横跨第25太阳活动周,甚至延长至第26太阳活动周。长期的在轨运行,工程任务将越来越复杂,将面临更加复杂多变的空间环境要素威胁。

  首先,空间站是一个大型航天器,导致其更容易遭受如空间粒子辐射、原子氧腐蚀、碎片撞击等效应,它在轨时间很长,这就使得空间环境效应的累计效应非常突出。其次,空间站要正常运行,必备一个高压供电系统,太空中的等离子体环境会导致弧光放电、电流泄露等效应突出。再次,空间站将一直运行在低轨道区域,大气环境和碎片环境恶劣,轨道衰变、机械碰撞效应更加显著。对于航天员而言,需要常驻在空间站,并开展出舱、交会对接等航天活动,遭受空间辐射的概率大大增加。在空间站长期运行任务中,将包括核心舱、货运飞船、载人飞船、实验舱1、实验舱2、光学舱等频繁的发射和回收,航天任务重,要保障这些飞行任务的空间安全,需要的空间环境安全窗口更多。

  预报中心早在天和核心舱发射前一年就进入保障状态,为有关部门提供了空间站任务期空间环境预报和影响评估分析。长达100多页的分析报告,对空间站任务期的整体空间环境态势及其对任务的可能影响进行了全面的分析,为后续预报任务的制定和实行奠定了基础。

  自2020年6月以来,预报中心对现有的空间环境预报保障系统进行了全面的升级和改造,重点增加了针对空间站轨道预报的支持产品和针对航天员辐射安全的预警评估产品,并于2021年1月完成了整个系统的建设和改造任务。

  从天和核心舱发射前三个月开始,预报中心持续不断地向工程有关部门提供空间环境预报报告,对发射窗口的空间环境状况进行精密的分析和预测,并分析空间环境可能对天和核心舱的影响,给出了精确的短期预报结论:太阳不会发生强爆发活动,地磁不会发生强扰动,预计发射窗口的空间环境是安全的。从4月29日天和核心舱入轨开始,预报中心进入空间站在轨飞行空间环境保障任务状态。空间环境预报员24小时值班,时刻监视空间环境的变化,对太阳辐射、太阳质子事件、地磁暴、大气密度等空间环境要素进行监测、预报、警报和影响分析,及时报告空间环境态势,评估空间环境变化对载人空间站可能带来的威胁,协助空间站系统和航天员及时规避未知的空间环境危害,保障载人空间站的安全稳定运行。

  未来10年甚至更长时间,预报中心将每天提供空间环境预报产品,为载人空间站的安全运行、航天员出舱、交会对接、空间科学实验等任务提供及时的空间环境预报信息,为载人空间站的运营和航天员长期驻留提供全生命周期的空间环境预报保障服务。

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