「航天知识:世界著名空间站」神十四成功对接空间站,看看中国航天科技中的中国智造

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6月5日,“神十四”发射圆满成功,陈冬、刘洋和蔡旭哲三名航天员,乘坐“神十四”载人飞船奔向中国空间站,并且当天已经成功对接,进驻核心舱,全程视频录播,妥妥的是科幻大片既视感。

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激动之余,小编们在想美俄联合运营的国际空间站将于2024年正式退役,NASA多次表示要求我国开发空间站合作,并提出各项奇葩要求;有个疑问就此产生出来,是什么样底气可以使NASA如此理直气壮,难道和光刻机类似,有很多专有设备需要依赖进口吗?

根据中国电子科技集团公司第十研究所、第十四研究所、第二十七研究所,中国兵器工业集团第二一四研究所等介绍,运载火箭系统、测控通信系统以及发射场系统均为自研。

外测应答机、飞船逃逸指令接收机:运载火箭的“火眼金睛”

在长征二号F遥十四运载火箭中,十所配套的设备有双频测速应答机、脉冲应答机、飞船逃逸指令接收机、双频测速应答机测试仪、脉冲应答机测试仪等。其中应答机安装在运载火箭上,与地面系统协同完成火箭飞行的测速、定位,对运载火箭的全程实时航迹测量,并判断飞行是否正常,直到箭船分离,提供精准的外测数据,承担着运载火箭“眼睛”的功能。同时,为了以防万一,当火箭出现异常危及航天员生命安全时,飞船逃逸指令接收机将根据危险信号发出“逃逸”指令,帮助航天员瞬间逃生。

测控通信系统:搭建天地“生命线”

载人飞船的轨道测量、遥测数据接收、遥控指令发送、话音传输等都要依靠测控通信系统完成,参与此次“神十四”载人飞船发射任务的测控通信系统涉及了多个陆基、海基以及天基测控通信系统,十所作为载人航天工程测控通信系统坚守的主力军,承研了其中一半以上的系统,包括部署于三亚、喀什、佳木斯等地的多套陆基统一测控系统、“远望”系列船载统一测控系统,以及天链一号、天链二号中继卫星系统地面终端站等。形象地说,这些来自十所的产品,为发射任务提供了可靠的测控通信“天地生命线”。

发射场系统:提供时间频率基准

T0控制台是安装在发射场系统中的重要设备,主要提供火箭发射的倒计时、反馈运载火箭的点火和起飞时刻,并分发到通信、测量和控制等系统。也就是不仅要准时发出点火指令,而且要反馈点火是否成功、是否成功起飞、何时起飞等信息。十所为各系统配置的系统设备担任着“时间指挥官”的角色,以3000年不差1秒的精度,为分散在各地的用户设备提供进行“精准同步”,提供标准时间和频率信号。

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导航跟踪系统:轨迹指路人

十四所的多部雷达为火箭发射提供支撑保障,该所测量雷达领域研究员程望东说:“火箭发射过程中,调度里面听到的‘太原跟踪正常’‘渭南跟踪正常’,背后是十四所的雷达在判断火箭飞行轨迹正常与否。”为形成高精度、高可靠的测量能力,该所升级改造多部测量雷达,并配备新一代船载测量雷达,确保跟踪飞船不会“看走眼”。

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智慧眼系统:挥舞“指挥棒”引路人

“神十四”采用自主快速交会对接模式,成功实现与天和核心舱径向端口对接。在飞船对接空间站这一过程中,二十七所研制的载人飞船GNC分系统激光雷达、连续波高精度测量雷达

连续波高精度测量雷达系统能够不受天气的影响、全天候高精度跟踪测量目标的速度、距离和方位,是测控系统的主干设备,是神舟14号任务的主要安全信息源。以多站的测控模式为目标引导、安全控制、逃逸控制等火箭上升段关键动作提供高精度实时测量数据。尤其是在转径向端口对接过程中,激光雷达发挥了不可替代的作用,是位置数据的主要提供者。

自2011年至今,二十七所研制的激光雷达共助力完成了10艘飞船与空间站核心舱的精准可靠对接。

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对接关键元器件,中国制造

二一四所苏州研发中心为“神十四”与空间站核心舱的对接提供关键元器件。二一四所苏州研发中心混合集成电路设计部主任张宪起说,该中心为“神十四”配套6块电路。其中,压力传感器用于测量驱动机构工作期间的气体压力变化,为飞行器的驱动安全提供监测支撑;直流有刷电机驱动电路为对接结构中直流有刷电机供电,提供动力保障;步进电机驱动电源电路用于载人飞船的电源分系统,主要功能是驱动步进电机、控制太阳能帆板姿态,为对接工作提供能源支持。

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多重防护,点亮神舟之路

中国航天科技集团有限公司五院510所承担了结构与机构、热控、测控、仪表与照明、环控生保等5个重要分系统中共计43台(套)产品。

舱门快速检漏仪:实现了对舱门和对接面的快速、准确检漏,填补了国内空白。目前,舱门快速检漏仪已经成为载人航天器的“必需品”,为航天员舱内活动提供坚实的安全保障;

舱内照明设备和交会对接照明设备:采用了先进的固态照明光源。载人飞船进入地球阴影区时,航天员在舱内仍可以正确判读仪表数据、手动开关指令,为交会对接的成功更添一份保障;

微波重力水平开关:神舟飞船在执行与空间站交会对接任务后,返回舱将带着航天员和下行货物“回家”,快速而准确地找到返回舱,需要用到了微波重力水平开关等产品。该产品从神舟七号飞船开始,就成功应用到神舟系列飞船和嫦娥探月等各类型号任务中。比起早期使用的、有可能污染飞船并危害航天员健康的进口单刀双掷汞开关,产品采用的是更为先进可靠的电控技术,实现自动切换通信天线方向,技术指标和安全性、可靠性均优于进口的汞开关。

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关键部件国企造

此次“神十四”飞船和火箭上的蒙皮、锻环等60%以上关键铝合金材料由中铝高端制造西南铝生产。这些高合金化铝材具有品种规格多、构件尺寸大、形状复杂、工艺难度大的特点,西南铝拥有国家级企业技术中心、院士专家工作站、博士后工作站、技能大师工作站和重庆市重点实验室等,并取得熔铸、热加工、热处理等一系列科研成果,攻克了材料研发生产中的多项关键技术难关。

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河南航天液压气动技术有限公司提供了载人飞船热控分系统提供的加排阀、服务阀、温控阀、自锁阀、加排服务阀等多种类特种阀门。这些阀门主要应用于载人飞船推进舱温控分系统流体回路中,通过调节外回路辐射器主路和旁路的流量分配,控制外回路控温点温度,达到回路控温的目的,确保在剧烈温差下舱内的各部件、仪器设备处于合适的温度,可以正常运行,堪称是为火箭热控系统做保障的关键“管家”。公司提供的充气服务阀、电磁拖动机构、自锁阀等多种关键零部件,则承担了载人飞船姿控和推进系统,为飞行器交会对接时在变轨、调姿与克服气流等方面发挥了重要作用。

郑州航天电子公司提供了电连接器、电缆网和电子仪器设备等产品。公司为飞船提供近三分之二电连接器。其中,明星产品——舱外对接电连接器,安装在飞船与“天和”核心舱的对接机构电路浮动断接器上,承担动力、控制和通信信号传输的重要使命。

太空环境下,飞船所用舱外对接电连接器不仅要适应空间环境,还要经受住空间飞行的各种考验,才能确保信号准确传输。这就需要从产品设计、原材料选择,到零件加工、产品装配,再到试验检测、交付使用等各个环节,都要严把质量关,强化过程控制,做到精益求精,从源头上消除安全隐患。

另外,此次“神舟”发射,该公司还为飞船提供了分离信号装置,承担着神舟飞船“返回舱”与“推进舱”能否成功分离的重要使命,确保航天员离开空间站后,乘坐“神十四”载人飞船安全返回地球。

轴承是航空航天设备中的关键部位之一,在高速高温、受力复杂的环境下运转,其精度、寿命和可靠性都直接影响到整个飞行器的控制精度与寿命。洛阳轴承研究所有限公司研制生产的多款专用轴承为“神十四”保驾护航。以及洛轴公司研发的全系列、高精度轴承产品将贯穿“神十四”任务始终,为“神十四”执行任务提供全周期保障。

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“逃逸塔分离、助推器分离、一二级分离、整流罩分离”……这些关键动作的完成,都离不开四川航天川南火工技术有限公司生产的配套火工品。他们的配套火工品承担着返回舱与轨道舱的分离、回收着落各时序动作点火等作用。承担了点火器、爆炸螺栓、火药装药、点火药盒、固体小火箭和非电传爆类产品等30余种共计500余发火工品的研制生产工作。

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民企智造,助力“神十四”

除了核心关键部件由国企制造外,民营企业也参与“神十四”各项分支环节。

苏州旭博检测实验室参与了本次运载火箭核心部件的可靠性测试。实验室负责人朱俊逸介绍,火箭推进机构相当于方向盘,“差之毫厘”就可能“谬以千里”,技术要求极高。“我们通过在地面模拟力学环境,验证太空强大振动环境下火箭是否能保持正常工作。”

安徽星达时空卫星遥感应用系统集成有限公司为问天实验舱、梦天实验舱与核心舱提供数十副测控天线,同时为本次“神十四”载人飞船专门研制了11 副天线。

广东中山的坐感科技为本次“神十四”提供了专属的“护航椅”。为了帮助航天员出舱后重新适应地球重力环境,坐感科技以“减重力办公椅”产品为蓝本对“护航椅”进行改制研发。坐感科技负责人陈敏介绍,“护航椅”的设计涉及康复学、人体生物力学、材料学众多等领域,应用到了“减重力”技术、护腰底盘倾仰技术、121组独立弹簧+恒温凝胶座舱的果冻坐感凝胶技术等多项创新技术,能很好地在航天员休憩、移动、交流等各种状态下起到全身承托与保护的作用。

除了保证航天员在坐直、半躺、躺平等多种姿势下的全身承托,“护航椅”还要使用适应极低温、抗风沙侵袭的材料,保障其在大风、沙尘天气状况下能够折叠、轻便灵巧、运作顺畅等特性。

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韶关盛怡文具有限公司为本次“神十四”提供了专用太空笔。该公司的太空笔曾应用于神舟九号、神舟十号、神舟十二号、神舟十三号的宇航员太空试验,是中国自主研发的第一支太空笔,填补了中国太空书写工具技术空白。笔杆选用航天专用合金。笔芯由两个高技术含量部分组成:一是使用了高黏度的特种油墨;二是它自带加压装置,结构独特。同时产品品控有着严格的要求,产品的材料、质量、模具、印刷、油墨、检验等整个过程必须一丝不苟。仅仅在检测这一环节,就有渗透性、干燥性、耐水性、耐光性、耐冲击性、出芯机构灵活性检验等数十项内容,还要进行书写性能测试、冲击振动试验、快速减压试验,在安全可靠性上的设计更是十分苛刻。产品出厂前,对全部产品进行抽查,如有一支不合格,整批产品都需报废。

神舟十四号成功发射代表中国航天梦又前进了一步,梦想是不会停歇的,目标是远航星辰大海。神舟、空间站、月球远远不是终点,只是梦想路上的一个驿站罢了。仰望星空,脚踏实地,中国探索太空的脚步从不停歇,中国制造也会奋斗不止,不断革新,为梦想助力。

参考文献及图片来源:

中国载人航天工程官方网站、中国电子科技集团公司第十研究所、第十四研究所、第二十七研究所;中国兵器工业集团第二一四研究所、中国航天科技集团有限公司五院510所、中铝高端制造、河南航天液压气动技术有限公司、郑州航天电子公司、洛阳轴承研究所有限公司、四川航天川南火工技术有限公司、苏州旭博检测实验室、安徽星达时空卫星遥感应用系统集成有限公司、坐感科技、韶关盛怡文具有限公司

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