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此次航天员为啥要在太空停留这么久?有哪些硬核科技让航天员乘坐更舒适?

2021-10-19央视新闻、人民日报

  神舟十三号径向对接模拟图

  将陪伴航天员在轨驻留半年的天舟三号货运飞船,是今年9月20日发射的,里边装载了近5吨的货物,有200多个货包。这里面都有啥,都是干什么用的?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?此次航天员为什么要在太空停留这么久呢?对于这些热点问题,航天专家来为大家一一解答。

  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。”

  如何让这26秒不再“难以承受”?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。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0.997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;0.997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。

  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。”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说。

  神舟首次径向停靠空间站,技术革新让对接更准更稳

  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。

  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”——难在持续控制姿态和轨道、难在确定姿态和相对位置、难在航天员手控交会模式,这也让此次太空“华尔兹”更加扣人心弦。

  径向交会对接的复杂场景,也对微波雷达提出了更高要求。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。

  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。

  “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。

  “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。”北京航天飞行控制中心空间站任务总师孙军说。

  天舟三号携带货物中含备份舱外航天服

  将陪伴航天员在轨驻留半年的天舟三号货运飞船,是今年9月20日发射的,里边装载了近5吨的货物,有200多个货包。这里面都有啥,都是干什么用的?

  航天科技集团五院货运飞船系统总体主任设计师杨胜表示:主要还是以货物的运输,包括驻留支持为主,后续的话会为整个空间站组合体提供天舟三号携带的推进剂,包括它的发动机可以提供给核心舱使用,来进行整个组合体的姿态和轨道控制,来定期轨道维持等,给组合体的安全运行提供一个保障。

  除此之外,天舟三号还带了一套舱外航天服前往空间站。舱外航天服是航天员出舱作业的必要装备,随着空间站建设任务的推进,航天员出舱作业次数增加,就需要天舟三号带上去一套全新的舱外服,在紧急情况下,作为备份使用。

  延长太空驻留时间拓展星际探索空间

  首先,是探索未知的需要。空间站本身就是非常难得的微重力实验室,它所提供的近乎无限时的微重力科研条件,可以得出在地面得不到的实验结果。

  其次,空间站还可以帮助我们长期观测地球,同时获得空间站运行轨道内的太空辐射和电磁场长期数据,可以研究其对人类身体、各种仪器和材料的影响等。

  第三,探索宇宙是全人类的共同梦想,只有通过不断技术积累,我们才能监控预测气候变化,拓展生存空间,从行星文明迈向星系文明。

  本版文图综合央视新闻、人民日报、中国纪检监察报等

编辑:Wei Wei

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