科技創(chuàng)新打造“五星太空之家”

天宮二號(hào)彰顯我國(guó)綜合實(shí)力——
科技創(chuàng)新打造“五星太空之家”

發(fā)射時(shí)中高低溫交叉的“冰火兩重天”，劇烈震動(dòng)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，充斥著高能粒子、宇宙射線的惡劣環(huán)境……在這樣的條件下，天宮二號(hào)能否為宇航員提供一個(gè)舒適溫暖的家？《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者從天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)的締造者——航天科技集團(tuán)公司第五研究院獲悉，科研人員在天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)設(shè)計(jì)研制過(guò)程中，實(shí)施盡心、放心、貼心“三心”工程，力爭(zhēng)為航天員打造“五星太空之家”，讓他們?cè)谶b遠(yuǎn)的深空體會(huì)到“家”的舒心和溫暖。

穩(wěn)固如“定海神針”

維修像“插拔U盤”

《西游記》中有一個(gè)定海神針，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上面也有一個(gè)“定海神針”，它就是控制力矩陀螺（簡(jiǎn)稱CMG）。CMG是空間飛行器姿態(tài)機(jī)動(dòng)與姿態(tài)穩(wěn)定的控制部件?！皼](méi)有CMG的話，衛(wèi)星和空間站這類航天器的靈活性會(huì)差很多，調(diào)整變化的能力也會(huì)很小。有了CMG，航天器的機(jī)動(dòng)性就會(huì)大大增強(qiáng)?！焙教炜萍技瘓F(tuán)公司五院502所科研人員告訴記者。

CMG結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量、體積大，力學(xué)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)難度高，一直屬于“卡脖子”工程。502所科研人員自1998年啟動(dòng)攻關(guān)，用了十幾年時(shí)間啃下了這塊硬骨頭。2011年天宮一號(hào)成功發(fā)射，各項(xiàng)遙測(cè)數(shù)據(jù)正常，標(biāo)志著我國(guó)自主研制的CMG首次在軌應(yīng)用成功，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)掌握該技術(shù)的國(guó)家。

“天宮二號(hào)上面的200NmsCMG輸出力矩平穩(wěn)、力矩分辨率高，在天宮一號(hào)任務(wù)時(shí)首次亮相，在服役期間姿態(tài)控制精度均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，在軌工作穩(wěn)定、表現(xiàn)優(yōu)異?！睂＜医榻B。

天宮二號(hào)的密封結(jié)構(gòu)也是保障安全性的另一法寶。航天科技集團(tuán)公司五院總體部相關(guān)負(fù)責(zé)人告訴記者：“天宮二號(hào)是一個(gè)外部真空、內(nèi)部有1個(gè)大氣壓的結(jié)構(gòu)。評(píng)價(jià)其安全性很重要的方面，就是在2年的在軌飛行過(guò)程中，漏氣量要非常小。就像再好的籃球早晚也會(huì)漏氣，只是好的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)可以讓漏氣非常緩慢?！?/p>

天宮二號(hào)由于功能需要設(shè)有觀察舷窗、開(kāi)關(guān)艙門等部件，這些都容易導(dǎo)致漏氣。設(shè)計(jì)師根據(jù)各種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了多種安全可靠的密封結(jié)構(gòu)。密封結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的就是密封圈，一般的密封圈都存在老化問(wèn)題，更何況太空中溫度變化更加劇烈。設(shè)計(jì)人員就從配方開(kāi)始研究，再到密封圈的結(jié)構(gòu)形式、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，終于取得成功。

電影中，當(dāng)一套高級(jí)大型設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)人員像插拔U盤一樣，快捷地拔下?lián)p害部件，插上新部件后，設(shè)備立刻恢復(fù)正常。這炫酷的一幕也將在“太空之家”上演。五院技術(shù)人員對(duì)“太空之家”的供配電、熱控、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度集成化模塊設(shè)計(jì)，打造出可快速更換的模塊單元。拿智能配電單元來(lái)說(shuō)，五院技術(shù)人員在我國(guó)航天器上首次采用了“插拔式”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在地面的模擬試驗(yàn)中，技術(shù)人員只需用幾分鐘就能完成一次維修更換。

“智能管家”很貼心

“對(duì)接天眼”極敏銳

航天科技集團(tuán)五院天宮二號(hào)總設(shè)計(jì)師朱樅鵬告訴記者，“天宮二號(hào)最初是天宮一號(hào)的備份產(chǎn)品，天宮一號(hào)發(fā)射時(shí)，天宮二號(hào)已經(jīng)設(shè)計(jì)研制出來(lái)了，隨著天宮一號(hào)任務(wù)的圓滿成功，天宮二號(hào)被賦予了開(kāi)展航天員中期駐留、在軌維修技術(shù)試驗(yàn)等新使命。為此，我們本著‘好、快、省’的模式，在物盡其用的基礎(chǔ)上，對(duì)天宮二號(hào)進(jìn)行了全面的改裝和升級(jí)，不僅解決了天宮一號(hào)在軌運(yùn)行過(guò)程暴露出的設(shè)計(jì)瑕疵，更極盡所能、集智攻關(guān)用各類‘神器’武裝‘太空之家’，顯著提升了它的性能和智能化程度”。

“太空之家”里有一位“智能管家”，就是控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和自主研發(fā)的spaceOS2操作系統(tǒng)。這位聰明的“管家”可以自主進(jìn)行航天器飛行軌道、姿態(tài)調(diào)整、運(yùn)行狀態(tài)的智能化診斷，以及遙測(cè)下傳、地面遙控指令的執(zhí)行。這位“管家”還可以實(shí)現(xiàn)“一心多用”，能同時(shí)管理運(yùn)行幾十個(gè)任務(wù)，并具備從3臺(tái)互為備份的計(jì)算機(jī)中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、下達(dá)正確指令的“三機(jī)容錯(cuò)”功能，真正意義上實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)計(jì)算機(jī)在故障時(shí)的無(wú)縫切換，為航天員在太空的工作生活提供了有力保障。

此外，為了搭建起“太空之家”與航天員之間的智能化溝通橋梁，五院技術(shù)人員運(yùn)用數(shù)字化手段，研制出“太空高智能APP”——儀表控制器應(yīng)用系統(tǒng)，它整合了航天器10多個(gè)分系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)，把復(fù)雜、晦澀的專業(yè)數(shù)據(jù)濃縮成為52組畫面，實(shí)現(xiàn)了在軌海量信息的圖形、文字、動(dòng)畫的智能化處理與顯示，為航天員執(zhí)行任務(wù)提供了清晰、直觀、舒適的顯示界面，大大降低了在軌操作的負(fù)擔(dān)和難度。

天宮二號(hào)、神舟十一號(hào)要保持著比子彈速度快8倍的高速毫厘不差地對(duì)接在一起，一雙犀利而精準(zhǔn)的“對(duì)接天眼”必不可少。在此次任務(wù)中，五院技術(shù)人員推出了全新升級(jí)的“對(duì)接天眼”——光學(xué)成像敏感器(CRDS)，與在天宮一號(hào)上運(yùn)用的第一代產(chǎn)品相比，升級(jí)版的CRDS產(chǎn)品在太陽(yáng)雜光抑制能力、識(shí)別目標(biāo)敏感度上有了大幅提升。

“在太空中，太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度是地球上的3到5倍，飛行器的‘眼睛’在交會(huì)對(duì)接時(shí)很容易被閃壞。以往交會(huì)對(duì)接時(shí)要選擇光線合適的時(shí)機(jī)，而天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)全天候?qū)崟r(shí)對(duì)接?！蔽逶杭夹g(shù)人員龔德鑄告訴記者，這一創(chuàng)新將有力支撐航天器在太空進(jìn)行突發(fā)維修補(bǔ)給或航天員應(yīng)急救生。

此外，科研人員還將敏感器首次捕獲時(shí)間由原來(lái)的約10秒提高至不到幾百毫秒?！斑@個(gè)時(shí)間就好比司機(jī)在開(kāi)車時(shí)被強(qiáng)光晃到眼睛之后恢復(fù)正常視力的時(shí)間，‘眼睛’從看到目標(biāo)到做出判斷的反應(yīng)時(shí)間也大大縮短?！蔽逶好舾衅髟O(shè)計(jì)師劉啟海說(shuō)，該產(chǎn)品在精度、重量、功耗等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面均超過(guò)了國(guó)際同類產(chǎn)品水平，將確保交會(huì)對(duì)接的安全性。

人性化“精裝修”

工作娛樂(lè)兩不誤

“與天宮一號(hào)‘簡(jiǎn)單裝修’不同，由天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)組成的‘太空之家’是‘精裝修’的?！敝鞓葫i說(shuō)，太空中，航天員在神舟飛船內(nèi)吃飯、生活，在天宮二號(hào)內(nèi)工作、娛樂(lè)及鍛煉身體，再加上單獨(dú)的睡眠區(qū)、垃圾存放區(qū)，組合體的空間被緊湊地分成了多個(gè)功能區(qū)。其中，航天員在天宮二號(hào)工作和生活的空間大約有15立方米。占地較大的供航天員鍛煉身體用的“跑臺(tái)”和工作用的“多功能平臺(tái)”采用了折疊方式進(jìn)行收納，最大程度節(jié)省了空間。

要舒心，噪音不能有。工作艙內(nèi)一些需要日夜不停工作的設(shè)備會(huì)發(fā)出噪聲，容易使航天員感覺(jué)身心疲憊。為了攻克這個(gè)弊端，五院技術(shù)人員制定出嚴(yán)格的生活區(qū)和儀器區(qū)噪聲控制指標(biāo)，并采取設(shè)備分區(qū)安裝、增設(shè)吸能裝置、優(yōu)化消聲裝置等方法，把航天員工作區(qū)和生活區(qū)的噪音控制在了50分貝這一適宜的區(qū)間。

要宜居，溫度要舒服。人體最舒適的體表溫度是23℃，相對(duì)濕度在50%附近，“太空之家”攜帶的熱控系統(tǒng)通過(guò)有組織的對(duì)流通風(fēng)與單機(jī)流體回路耦合換熱，將密封艙的空氣溫度控制在22℃至24℃，相對(duì)濕度為45%至55%，為航天員長(zhǎng)期在軌駐留提供舒適環(huán)境。

要健康，空氣得清新。為了保障空氣質(zhì)量，五院技術(shù)人員專門研制了環(huán)控檢測(cè)裝置，它可以同時(shí)完成“太空之家”內(nèi)20多種有害氣體及有害微生物的濃度監(jiān)測(cè)，當(dāng)有害物質(zhì)含量超過(guò)預(yù)警值時(shí)，立即進(jìn)行報(bào)警并指示航天員按照預(yù)定方法進(jìn)行處理。

為了使航天員在失重下的太空體會(huì)到在地球上的感覺(jué)，五院技術(shù)人員為“太空之家”漆上了不同的顏色，四周的墻面選擇了明亮的米白色，底部選擇了深灰色，工作臺(tái)等面板采用了天藍(lán)色，多層次的顏色劃分給航天員清爽的感覺(jué)。

航天員在太空處于失重狀態(tài)，行動(dòng)需要借助踩踏內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反作用力。“太空之家”在內(nèi)裝飾材料上選擇了輕量化的硬件材料，有效解決了之前航天員在天宮一號(hào)工作時(shí)腳下軟質(zhì)內(nèi)飾“一踩一個(gè)坑”的不便。此外，“太空之家”還在多個(gè)區(qū)域增加了硬質(zhì)扶手，并貼心地引入了駐留腰帶、頭戴式無(wú)線藍(lán)牙耳麥等人性化設(shè)計(jì)來(lái)解放航天員的雙手，讓航天員在艙內(nèi)更輕松自如地開(kāi)展工作。(記者 董碧娟)