| “神六”：一身神奇走过来(组图) | |||||||||
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| http://jczs.sina.com.cn 2005年10月18日 08:27 中国国防报 | |||||||||
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在地面上实现对一个密封结构的温度控制并不难，然而要把这一切搬到太空中却非易事。载人航天工程飞船系统热控制分系统主任设计师范含林说：“神舟飞船的热控制技术已经比较成熟，舱内温度将被自动控制在17℃~25℃，航天员也可进行手动调节。” 神舟飞船飞行过程中，向阳面舱外温度超过100℃，背阳面为-100℃。温度的快速剧烈变化和强大反差不仅不能满足航天员的基本生存条件，也会对
舱壁最外面一层是防护层，紧接着就是隔热层，然后才是金属壳体。轨道舱采用的多层隔热材料，是一种镀铝的聚酯薄膜。镀铝的功能类似于保温瓶中的内胆，能对热量进行大量反射。范含林说这种材料在地面上根本不能隔热，但在真空环境下性能特别好。返回舱的隔热层是一种烧蚀材料。它不仅担负着飞行中的隔热任务，更重要的是，返回时返回舱与大气剧烈摩擦表面产生超过1000℃的高温，要通过烧蚀材料的燃烧把这些热量带走。 “与世隔绝”的飞船舱内，只在太阳照进舷窗时，温度才会稍受外界影响。然而，这样一来，飞船设备工作时和航天员人体产生的1千瓦多热量将散布舱内，如果越积越多后果难以想像。 范含林和他的同事们设计了一种回路流体技术解决这一问题。这种技术与汽车发动机的冷却手段有部分相似的地方。液体在泵的驱动下，在闭合的管路里循环流动，流经某个设备时就将其热量收集起来带走。内回路的热量经传热器传递到外回路。外回路连接着一个伸向舱外的辐射器，最终把热量辐射到茫茫太空。 对于舱内空气中的热量，则使用了冷凝干燥器，与生活中的空调类似，不同的是，空调通过热在空气中的对流作用把热散到室外，太空中没有热对流，所以散热只能通过设在推进舱后面的白色辐射器。 通过各种阀门的设置，飞船内的温度实现了可调。大多数时候，由温度感应计获取数据后，温度实现自动控制。航天员如果需要，也可手动控制阀门来改变温度。 范含林说，想要在太空中实现热控制，有很多技术难点：所有的设备必须保证百分之百可靠，必须有应对故障的备份手段，最难的是要让整个设备保持在一定的重量、体积和能耗范围内，而且这个限定近乎苛刻。神舟飞船所有热控设备重300公斤，作为关键部件的泵只有1公斤多，每分钟上万转，能耗却只有几十瓦，仅相当于一个小灯泡。 “该进行科学试验了。”“该锻炼身体了！”“起床！”“午饭时间到了！”……贴心“秘书”准时提醒航天员 大型飞机的驾驶室内，总有密密麻麻的一大堆仪表。神舟飞船内的仪表也毫不逊色，并且更加智能和体贴。飞船设计师比喻说：“这是我们为航天员准备的贴心‘秘书’。” 飞船飞行的各种重要数据是通过3块液晶显示屏和6块机电仪表向航天员显示的。比如，飞船的姿态如何，速度是多少，飞行的时间、圈数各为多少，船上各台设备处于什么工作状态，舱内的温度、湿度以及航天员自己的心跳体温生理参数各为多少等。每种数据的字体字符甚至字间距都经过详细论证，保证航天员看起来清晰省力。 航天员工作计划乃至起居生活也在仪表系统的管理范围之内。仪表会提示“该进行科学试验了，别忘存储数据。”“正经过测控站、点，快与地面通话！”“该锻炼身体了！”“起床！”“午饭时间到了！”等等。航天员将严格按照这些提示工作和生活，可谓言听计从。 飞船上需要监测和显示的参数有上千个。航天员即使其他任何事都不干，这些数据也看不过来。为此，设计师采用了人工智能技术，让航天员能够对所有数据做到“叫谁谁来，不叫不来”。 航天员需要某个数据，只需要按一下按钮，该数据就会立即显示。航天员想了解有关地理方面的情况，只要按下“地图”按键，显示屏上就会出现一幅世界地图，并标出了相对地球而言飞船当前的位置以及飞行的轨迹。想看地图的哪一部分，显示屏可以把此区域的地图放大。高分辨率和高清晰度的画面使航天员可以清楚地了解地面上山川、水域和大城市的信息。航天员如果想知道飞船内环境的情况，按一下“环控”按键，舱内压力、二氧化碳含量、温度、湿度、噪声水平、辐射剂量、氧气储量、饮用水储量等各种参数就会跃然屏上，包括舱内的垃圾自动收集与处理的情况都不会漏掉。 不需要的数据，只要它在正常范围内，就由计算机在后台监视而不显示。万一哪个数据不符合标准，将有语音报警，告诉航天员哪里发生了险情。报警语句比较简洁，最长不会超过9个字，以4~5个字为多，采用的是声音清晰、吐字标准、声调柔润的女中音，让人听起来会产生一种稳重和踏实的感觉。 航天员可以根据自己的喜好随心所欲地调节显示屏和仪表上灯光的亮度，保证各种图形、符号、数字清楚地显示，保证各种开关、按钮、键盘、阀门等标记清晰醒目。显示屏的背景颜色是淡灰色，不会对航天员的视觉神经产生刺激。 提示灯、注意灯和警告灯的颜色分别采用类似交通指示灯的绿、黄、红3色。正常事件和状态的提示用绿灯，发出“注意”信息的灯用黄色，警告灯则用红色，航天员一眼就明了发生了什么情况，该采取什么对策。 在屏幕报警时，屏幕上显示的汉字个头挺大，字的高度大于或等于6毫米，字体是仿宋体。字大一点可以醒目；仿宋字比较柔和，不像黑体字那样生硬，报警本来就会使人产生紧张情绪，如果再在感官上加以刺激，紧张就容易变为恐慌。 30多公里长的电缆线如何布设，密密麻麻的开关按钮如何防止误操作……飞船内部“装修”巧妙 在太空中，飞船既是航天员的家，又是工作室。虽然轨道舱和返回舱内部加起来的有效空间也不过10多立方米，但在设计人员的巧妙“装修”下，600多台设备各归其位。航天员工作生活十分方便舒适。 飞船上的各种电线、管路密密麻麻，光电缆线的总长度就有30多公里。飞船结构与机构分系统主任设计师陈同祥介绍说，返回舱座椅的四周贴上了乳白色的阻燃布，用类似尼龙拉扣的东西粘贴在舱壁上，像一道干净、整洁的墙围子。 座椅对面是仪表。飞船发射和返回时，航天员被带子紧紧地束缚在座椅上，因此，按钮安放在一伸手就能够到的地方，座椅扶手处还放置了一根“指挥棒”，如果手臂够不到，用小棒一捅，就可以控制开关。 飞船上各种按钮和开关的尺寸都做得比地面上的大，之间的间隙也很大，免得航天员戴着手套触摸不方便。按钮的表面较粗糙，以防止手套接触打滑。不同功能的按钮一般相距较远，防止出现误操作。一些重要的按钮、开关还设置了安全锁，在不应工作之时，即使误碰，也不会起作用。 舱内使用冷光源的荧光灯，明亮而不刺眼，灯管的外面还配置了有机玻璃灯罩，上面刻有深度不一、有规则的花纹。它有两个作用，一是收集灯管破裂后的碎片，二是使亮度二次均匀分布，保证舱内物品的颜色不失真。航天员正常视野里看不见光源，但又不会因设备或人的遮挡，使仪表出现阴影。灯的亮度还可以手动调节。开关和调节器使用同一个旋钮，安装在航天员触摸方便的地方，即使穿着航天服，也能方便地操作。航天员失重状态下脊椎和四肢自然弯曲，体姿介于坐姿和站立之间。飞船上所有抽屉、柜子、扶手、操作台等都不能按地面上人的坐姿和站姿的高度来计算，而以太空中人体姿势为依据。 飞船舱壁颜色、灯光效果、“家具”布置、物品摆放等请模拟航天员的飞船工程师进行鉴定，并请航天医学、人机工效学等方面的专家评审，经过严格的审定后才能确定。 飞船上的“黑匣子”放在炮弹中打出去，打到铁板上也撞不坏 神舟飞船航天员座椅下方的一个位置安装着一个橘红色的小匣子。这个被称为应急数据记录器的小东西就是所谓的“黑匣子”。飞船系统数据管理分系统主任设计师王九龙介绍说，神舟六号的“黑匣子”体积更小，性能更高。 “黑匣子”采用了特殊的装甲防护，能够在1000℃高温中烧半个小时，或在海水中浸泡一个月而无恙，可以抵抗1万个g（重力加速度）的冲击。科技人员曾把它放在炮弹中打出去，打到铁板上瞬时产生1.5万个g的冲击量也没能让它损坏。 神舟一号到五号使用的“黑匣子”研制于1994年，限于当时的信息技术发展水平以及飞船的实际需求，存储量只有10兆字节。神舟六号上的“黑匣子”利用最新的信息技术，使存储量提高了100倍，数据写入和读出的速度提高10倍以上。 由于存储部件体积减小，用于保护它的特殊装甲也成几何级数地缩小。目前“黑匣子”的长、宽、高分别为17厘米、10厘米、20厘米，相当于摞在一起的五六本书，比原来缩小了一半以上，同时在3个区域放置3个互为备份的存储器。 “黑匣子”主要用于记录飞船飞行的重要数据，例如舱内气压、温度、湿度，飞船姿态，各种设备工作状态，航天员在仪表上的操作等。飞船上的所有数据进行分类变换等处理后，形成3类数据，第一类由仪表显示，第二类由发射机发回地面，第三类就分给“黑匣子”。 飞船工作期间，只能往“黑匣子”里写入数据而不能读取。待飞船返回地面后，工作人员会使用专门的设备读取，并提供给相关技术部门进行分析。 如果飞机没发生故障，飞机上的“黑匣子”基本就处于“浪费”状态。神舟飞船上“黑匣子”则有所不同。它不仅用于飞船故障时记录数据，在飞船正常飞行特别是返回阶段时也发挥重要作用。 飞船返回时与大气摩擦产生的等离子体会使飞船有一段时间处于“黑障”状态。这个时段的飞行数据只能通过“黑匣子”记录。飞船回收过程中很难测控，如反推火箭是否正常点火等，这就需要“黑匣子”记录。 从神舟一号发射成功之后就一直担任数据管理分系统主任设计师的王九龙说，当飞船成功着陆后，其他科技人员可以去庆祝了，我们则要去分析处理“黑匣子”里的数据。 飞船身上一身孔，但却能在数千摄氏度高温下不漏一丝“风” 需要完全密封的载人飞船因为舷窗、舱盖、发动机喷口、穿舱电缆等不得不满身开孔。飞船结构与机构分系统主任设计师陈同祥介绍，全船光密封圈就使用了235个，舷窗等重要部件都是两道密封，密封部位能够承受压力差并防热。 飞船密封面临两大考验。在太空高真空环境中，大气压力为零。人已经习惯地面的一个大气压力，所以返回舱和轨道舱需要提供类似地面的压力环境。此时，舱内舱外的压力差达到一个大气压，相当于10米高的水柱对底部产生的压力。密封如果不好，将会在压力下失效。返回舱返回时与大气摩擦产生数千摄氏度高温，密封部件必须能够防热。 返回舱上较大的开口有近40个，轨道舱有20个左右。设计师通过论证和计算，对每个密封开口的表面粗糙度等各种指标都提出了严格要求，研制了短到直径8毫米、长到8米多的各种密封圈。全船的235个密封圈经过模拟各种恶劣环境的试验，被证明安全可靠，在太空无有害气体逸出，满足载人航天的要求。 实现返回舱密封可靠的一个难点是舷窗的防热。返回舱上有两个舷窗，是航天员的观察窗口，为了保证透光性，只能采用玻璃作为结构材料。课题组突破异质材料部位的局部防热技术、热密封技术、舷窗玻璃空间污染与防热、密封结构的地面鉴定检验技术4项技术难点，采用3层玻璃设计解决了密封与防热的双重任务。 在我国研制神舟飞船之初，俄罗斯类似的技术处于保密状态。我国科研人员完全凭借自己的智慧攻关而成，并在神舟一号至五号上获得了成功。 飞向哪，飞多快，用什么姿态飞，飞船全靠“自动驾驶”来实现 从入轨到返回的整个飞行过程，神舟飞船完全自动飞行。飞船系统制导、导航与控制分系统副主任设计师陈朝晖介绍说，正常情况下航天员只需监视即可。 在发射段，陀螺仪测出飞船的姿态，加速度计测出飞船运动加速度，计算机算出飞船的姿态角、速度、位置。飞船到达预定轨道与火箭分离。由于分离扰动力的作用，飞船姿态一般都不理想，控制系统将自动调整其到需要范围并使其保持住。 飞船工作依靠太阳能发电，系统依靠模拟式太阳敏感器和计算机，控制太阳能电池阵自动跟踪太阳，并将电池翼正对太阳。运行时，飞船依靠数字式太阳敏感器、红外地球敏感器、陀螺仪、加速度计测出自身的姿态、速度和位置等数据。当需要改变轨道或姿态时，计算机会算出哪台发动机应该工作以及工作多长时间。船上的52台发动机得到计算机的指令将自动执行。返回段的原理也基本相同。 上述过程不需要航天员参与，假如发生故障，还有一套手控系统，由姿态手柄、平移手柄、光学瞄准镜和手控线路等组成。航天员可以手动控制，虽然精度比自动的差，但完全能够驾驶飞船安全返回。从神舟一号到五号，飞船的“自动驾驶”功能从未出现过问题。 陈朝晖主要负责软件工作。他说，商用软件可以发测试版，即使出了问题大不了把电脑关机重启。可载人飞船上软件要求“零缺陷”，这在商用软件是难以想像的。为了保证制导、导航与控制分系统的可靠性，他说：“连1998年的休假条到今天我还没能用上。”（来源：中国国防报） |
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