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气闸舱是怎样研制出来的

时间:2022-12-11 10:25:09 来源:网友投稿

飞船研制的重中之重

气闸舱的设计和改进是“神舟七号”飞船研制工作中的重中之重,也是我国航天员首次太空行走,突破航天员出舱活动技术的关键所在。在轨道舱兼作气闸舱的研制中,技术人员先后进行了出舱活动操作空间设计、扶手等限位助力保险装置设计、增大出舱活动通道设计、泄压复压功能设计、出舱活动通信功能设计、出舱活动操作显示界面设计、出舱活动照明摄像功能设计等多项技术创新,实现了气闸舱的功能要求。

新设计的气闸舱的功能是:具有两次完整的泄载压力和恢复压力的功能,并配置了支持航天员空间出舱活动的设备设施;舱内航天员与舱外航天员通话的能力;舱外照明能力,保证航天员能在阴影区出舱,并拍摄舱外活动,同时下传返回舱、轨道舱和舱外三路电视图像中任意一路和两路电视图像加伴音的能力,并可以根据需要进行切换;独立的、对飞船质心和姿态实施控制的人工控制功能。具备航天员进行人工控制返回等必须条件。

在航天员出舱活动通信功能设计上,也采取了多种工作方式,并互为备份,可以通过出舱保障控制台手动控制开关切换。

为解决舱外活动的照明问题,“神舟七号”飞船新设计了舱外照明灯,可以提供距离灯3米以内、立体角160度范围内舱外活动区域的照明。

为保证航天员方便地出入气闸舱,出舱舱门的直径由“神舟六号”的750毫米增大到850毫米,舱门最大开度为100度。舱内新设计了泄压复压设备、航天服控制台和出舱保障控制台等设备。

气闸舱:航天员的“生命之航”

“神舟七号”飞船和以往一样,分为轨道舱、返回舱和推进舱三部分,其中返回舱和推进舱的技术更改和主要功用具有很大的继承性;为了更好地完成出舱活动的技术更改要求,原来的轨道舱担负了“双重使命”——既是航天员的生活舱,又是适应出舱活动的气闸舱。气闸舱不仅具有泄压、复压功能,还配置了支持航天员空间出舱活动的设备及设施。可以说,“神七”的绝大部分挑战和特色都来自于气闸舱的研制。

航天员从哪里出舱,门朝哪个方向开,开多大的角度合适,在空间大小和总承重不变的情况下,如何适应航天员人数的增加和相应配套设施的配置……“我们结构与机构分系统负责整个航天器的三大块结构和其中相连的机构,共有26种单机产品,其中15种单机产品是总体中的关重项目,所谓关重项目是影响航天员生命的产品,占分系统设计产品的60%。任何单机产品都是影响成败的,而这些关重项目绝大多数集中在气闸舱。任何的设计差错和微小的质量问题都将直接威胁到航天员的生命安全。”负责画出“神舟七号”飞船“结构草图”的结构与机构分系统研制人员担负着重要的使命。

相对于其他分系统来说,飞船结构与机构的“蓝图绘制”者们需要比其他分系统提前半年左右开始设计——跟买房一样,只有房子的结构确定了,才能进行装修等其他后续工作。

结构与机构分系统的设计人员是地地道道的“全才”。为了完成先期的整体设计,设计人员要对整个结构了然于胸,更要对相应状态下电路的排布、防热的措施、火工品的设计、软硬件系统的接口等等各项分系统工作有全面的了解,否则产品研制出来后会因为某些误差而难以和周围环境相协调,更难以拿出兼顾方方面面的最佳“整体设计方案”。

气闸舱的设计分为结构和机构两个层面。在“不动”的结构方面,为了适应出舱活动,就要设定出舱口,并把舱口开大,否则航天员穿着航天服很难走出去;同时,结构的任何一项变化都会引起“多米诺骨牌”式的相应改变——一个单机或设备的更改牵动着一系列的改动,改动后可靠性能否得到验证,是否方便航天员进行活动……这些都带来一系列的问题。在各个“能动”的机构层面,不可测的因素更加复杂,仅为舱门可靠性一项就曾进行了十多项试验。

画出“蓝图”仅仅是设计工作的开始,研制人员们遇到的最大挑战是要考虑好“变数”和“后路”——万一设计出现偏差,有没有后续补救的方案;如果飞船运行期间出现状况,航天员是否有多种逃生的选择……这就像一个不断考问自己的过程:自己提出问题,开动脑筋解决问题,假设无数个“万一”情况,然后制定各种情况下的补救方案……无数的心思和精力为的是肩上沉甸甸的两个字:“生命”。

舱门,细节决定成败

出舱舱门的研制是气闸舱机构研制最重要的攻关点之一——航天员将从这里走向太空。

出舱舱门是结构与机构分系统为适应“神舟七号”飞船出舱活动而新设计的,是保证航天员出舱活动成功的关键产品。一个小小的舱门,暗含着很多的“玄机”,更凝聚了研制人员大量的心血和智慧。

门怎么开?向里,向外;左开,右开;开到多大的角度;航天员穿上航天服后很笨重,他们能否方便自如地开关舱门;在真空、高低温等恶劣条件下,舱门能不能正常开关?……

研制人员经过大量的实验和讨论后发现:门向外开,虽然不会影响内部的空间,但真空压力会影响门的密封,使门越压越松;门向里开,则最大程度保证了密封性能,是相对安全的选择,但多少会涉及到影响和占用舱内空间的问题;舱门开的角度和舱内空间的配置息息相关,一方面舱门在可达到的空间内尽量开大,保证航天员出舱方便,另一方面也要考虑门的位置、角度对其他设备的整体影响,最终舱门开启“100度”成为权衡之下的最佳选择,此外,出于承载和内压的考虑,舱门并不是平的,而是稍呈圆弧状,使舱门受压均匀,但考虑到承载和空间使用的问题,舱门的弧度不能太大,必须确定最佳的弧度值……

除了舱门本身外,舱门相关设计难点还有很多。

与“神六”返回舱舱门不同的是,“神七”舱门在轨打开与关闭的时候处于真空环境,并且所处的温度环境可能从零下几十摄氏度到零上几十摄氏度的范围,因此,要充分考虑和模拟在轨真空高低温环境下的开关门,并检测其密封性和开关力的变化,因为这直接影响到是否便于航天员操作,不言而喻,这也关系到航天员的生命安全。

舱门压点开关和舱门快速检漏仪就是专门为了保证舱门的密封性而研制的。“神七”的舱门旁边分布着几个压点开关,可别小看了这几个小小的开关,它们同样关系着航天员的生命,围绕它们的研制也颇费了一番周折。

由于所有的仪器设备都要在真空环境下工作,如何检验它们的可靠性就成了关键的问题——所有的仪器设备都要在真空罐里模拟真空环境进行验证、检验,而人不能放到真空罐里做开关门的试验,怎么办?问题一个接着一个,研制人员“兵来将挡,水来土淹”,针对这一情况专门研制了一套像机械臂一样的开关门机构,人在真空罐外面控制“机械手臂”来完成航天员要做的解锁、开门、关门、锁门等一系列动作,完美地解决了这个问题。

怎样才能确定舱门关闭严密呢?舱门快速检漏仪应运而生。它像一个反应灵

敏的“安全卫士”,通过内部的传感装置,感受压力和温度的变化,在短短几分钟之内能够判断出舱门是否关闭完好,并向航天员发送出“舱门关闭好了,可以脱下航天服”这样的确认信息。

有一次,在做可靠性试验时,研制人员发现舱门快检仪在低温情况下突然失效了!研制人员并没有乱了阵脚,他们做了研究后认为,此前,在常温一个大气压的情况下它是可以正常工作的,这次失效很显然是由于环境因素改变引起的。根据这个思路,大家分头去寻找问题的根源。最后,是结构与机构分系统负责人“慧眼”发现了问题出在了哪里——一个密封圈!这个密封圈用在舱门快速检漏仪的减压阀上。此前之所以没有人发现问题会出在减压阀,是因为这种减压阀广泛应用于飞机上,也曾连续应用于“神舟”四号到六号飞船上,是比较成熟的产品。但是,在“神舟七号”飞船研制上,一切“惯性思维”都要不得——一个小小减压阀上的密封圈出了问题,就难以准确检测出舱门是否泄漏,这将直接影响到航天员出舱活动回来后的舱内复压,对航天员来说是致命的影响!经过反复的观察和研究,研制人员认为,“神舟六号”等飞船的航天员始终处于舱内运动的状态,也就是说,始终处于一个大气压的环境下,而密封圈在低温下却会出现收缩!问题找到了,研制人员重新调整了舱门快速检漏仪减压阀密封圈的尺寸,对其结构也进行了微调,彻底解决了这个问题。

作为“神七”最重要的攻关点,舱门的研制工作从2006年就已经开始,在2007年以后,研制人员的主要精力都放在了可靠性、入舱服整体试验方面。这期间,所有的研制人员都度过了一段艰难而又压力巨大的日子。例如每次舱门做实验时,真空罐建立真空条件需要很长时间,研制人员就要24小时“连轴转”,一连持续两三天。

在舱门研制队伍中有着这样一条规矩:每个人,无论做任何工作,都必须一次通过! “我们结构与机构设计工作是走在最前面的,如果不在事前把所有问题都考虑到、完成好,事后弥补就会影响和牵扯整体的进度,现在所设计的东西一般一、两个月后才能看到产品,那时候发现问题重新再来就会浪费很多时间,我们没有时间可以浪费,我们不能出现任何差错。”团队负责人如是说。

航天服支架:小物件,大讲究

出舱活动任务中最关键的设备就是出舱航天服了。它是航天员的“生命保护系统”,同时也是一件极其精密、娇气的设备,必须妥善地加以保护和放置。航天服专用支架就是承担这——“大使命”的“小物件”。

千万别小看了这个“小物件”,里面的“机关”颇多:从结构上来说,必须考虑如何最大程度地减少发射时振动对航天服的影响。为了解决振动响应问题,研制人员选择了支架和航天服之间的固定点数及约束形式,在振动环境下不会使航天服上的振动响应放大;从机构上来讲,要把航天服支架设计成可以折叠起来的,能够在不用时留给航天员更大的活动空间。考虑到航天员在失重状态下没有很大的力气去推起支架,因此研制人员在支架接口上做了一些特殊的处理,增加了一些辅助设备,使得航天员能够轻松地翻转支架。在设计完成后,进行了大量的地面试验,并进行不断的局部优化改进。

航天服支架整体设计工作具有极高的细致度,要把各种可能发生的状况和解决办法都想到,对于一个年轻人来说是一种很大的挑战。事实上,在这个平均年龄只有32岁、每个人都身担数个型号任务的团队里,年轻人没有更多的“磨合期”,只能在挑战和实战中去完成属于自己的成长。

你看到了吗?气闸舱内的每一个细节,都闪动着智慧的光芒;气闸舱上的每一次攻关,都汇聚着众人的心血。

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