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今日觀點(diǎn)!為中國(guó)空間站打造防護(hù)“鎧甲”

2022-09-19 10:03:19

如今,中國(guó)空間站已在軌安全運(yùn)行一年多,經(jīng)受住惡劣空間環(huán)境的嚴(yán)峻考驗(yàn),保障了航天員安全順利出艙,成功完成多項(xiàng)空間科學(xué)任務(wù)——這些,都離不開(kāi)航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。20年來(lái),該團(tuán)隊(duì)通過(guò)不懈探索與努力,打造出固若金湯的防護(hù)“鎧甲”,為中國(guó)空間站長(zhǎng)期在軌安全運(yùn)行提供了強(qiáng)大的空間碎片防護(hù)能力。

“空間碎片行動(dòng)計(jì)劃”的源起

宇宙無(wú)垠,空間軌道資源卻并非無(wú)限。最具應(yīng)用價(jià)值的地球軌道主要集中在2000公里以下的軌道區(qū)域,而這里也成為空間碎片的“集散地”。


【資料圖】

空間碎片是指人類(lèi)空間活動(dòng)的產(chǎn)物,包括完成任務(wù)的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物、在執(zhí)行航天任務(wù)過(guò)程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎塊等,是空間環(huán)境的主要污染源。

“載人飛船是典型的低軌道航天器,其軌道所處區(qū)域空間碎片密度較大,碎片的撞擊對(duì)飛船運(yùn)行的可靠性和安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。特別是當(dāng)航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí),由于失去了艙壁的保護(hù),碎片撞擊的危害會(huì)更加嚴(yán)重,甚至直接威脅到航天員的生命安全。”航天科技集團(tuán)五院動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家曲廣吉介紹。

1993年,全世界主要航天國(guó)家發(fā)起成立了機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC),空間碎片問(wèn)題正式進(jìn)入世界航天領(lǐng)域的研究范疇。2000年,在國(guó)家財(cái)政的支持下,國(guó)防科工委組織實(shí)施了“空間碎片技術(shù)研究”專(zhuān)項(xiàng),并制定了“空間碎片行動(dòng)計(jì)劃”。

從無(wú)到有,天宮一號(hào)經(jīng)受住考驗(yàn)

從2002年起,航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部曲廣吉、楊雷、閆軍等專(zhuān)家敏銳地察覺(jué)到空間碎片領(lǐng)域?qū)ξ磥?lái)載人航天的重要性,迅速開(kāi)始組建團(tuán)隊(duì),逐漸形成以航天科技集團(tuán)五院動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)研發(fā)副總師閆軍研究員為帶頭人、老中青技術(shù)骨干為主的技術(shù)力量,全面啟動(dòng)了空間碎片領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備進(jìn)程。

當(dāng)時(shí),國(guó)內(nèi)有空間碎片防護(hù)概念的人寥寥無(wú)幾,相關(guān)技術(shù)資料也屈指可數(shù)。于是,在每周一次的技術(shù)討論會(huì)上,大家暢所欲言,分享最新獲得的信息,表達(dá)自己的感悟和困惑,讓思想的火花在交流碰撞中盡情迸發(fā)。短短幾年,團(tuán)隊(duì)完成一系列相關(guān)課題項(xiàng)目,突破數(shù)學(xué)建模、編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)、編程算法推演等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),成功開(kāi)發(fā)出“空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防護(hù)設(shè)計(jì)軟件”,相關(guān)成果得到國(guó)際同行的認(rèn)可。

2005年,在天宮一號(hào)初樣設(shè)計(jì)之際,團(tuán)隊(duì)多次匯報(bào)空間碎片的危害及對(duì)策。型號(hào)總指揮、總設(shè)計(jì)師經(jīng)過(guò)慎重考慮,決定在天宮一號(hào)上率先開(kāi)展空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì),并指定由他們來(lái)承擔(dān)天宮一號(hào)空間碎片評(píng)估及防護(hù)設(shè)計(jì)的全部工作。

面對(duì)空間碎片防護(hù)技術(shù)的首次工程應(yīng)用,團(tuán)隊(duì)成員們?nèi)缏谋”?,多次向總體設(shè)計(jì)師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、熱控設(shè)計(jì)師們請(qǐng)教與溝通,深入了解總體和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。為了盡量減少重量,他們通過(guò)大量試驗(yàn),大膽提出利用輻射器擔(dān)當(dāng)部分防護(hù)功能的思路,充分利用艙外原有的輻射器作為防護(hù)板,在只增加支撐柱重量的情況下,把艙體防護(hù)能力提高了3倍多。同時(shí),通過(guò)把輻射器管路更改為內(nèi)藏式設(shè)計(jì),顯著減小了輻射器管路的單點(diǎn)失效概率。在航天科技集團(tuán)五院新飛船試驗(yàn)船技術(shù)負(fù)責(zé)人楊雷看來(lái),天宮一號(hào)的防護(hù)設(shè)計(jì),“完美結(jié)合了超高速撞擊防護(hù)理念與工程中簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠等原則”。

2011年9月29日,天宮一號(hào)發(fā)射成功。作為我國(guó)首個(gè)使用空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)的航天器,天宮一號(hào)于在軌四年半的時(shí)間里經(jīng)受住空間碎片環(huán)境的考驗(yàn),表明我國(guó)空間碎片防護(hù)技術(shù)取得重大突破。

防護(hù)設(shè)計(jì)新進(jìn)程全面啟動(dòng)

在天宮一號(hào)防護(hù)工程實(shí)踐快要收官時(shí),該團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始著眼我國(guó)載人航天三期工程,針對(duì)空間站更長(zhǎng)的在軌時(shí)間、更大的組裝規(guī)模、更苛刻的防護(hù)需求,全面啟動(dòng)了防護(hù)設(shè)計(jì)新進(jìn)程。

他們以自主可控和可持續(xù)發(fā)展為宗旨,提出“材料立足國(guó)內(nèi)、指標(biāo)對(duì)標(biāo)國(guó)際”的研發(fā)原則,決定開(kāi)發(fā)性能更先進(jìn)的復(fù)合材料填充式防護(hù)結(jié)構(gòu)。

第一關(guān)要攻克材料問(wèn)題。“我們獨(dú)辟蹊徑提出了‘基于沖擊壓力的防護(hù)材料評(píng)估方法’,定量評(píng)估材料防護(hù)性能,從國(guó)內(nèi)幾十種復(fù)合材料中篩選出具有防護(hù)潛力的兩種材料,后續(xù)撞擊試驗(yàn)與前期評(píng)估結(jié)果完全吻合。”閆軍說(shuō)。

關(guān)鍵的第一關(guān)突破后,他們又通過(guò)數(shù)百次數(shù)值仿真計(jì)算和試驗(yàn),掌握了復(fù)合材料的重量和位置等參數(shù)對(duì)防護(hù)性能的影響規(guī)律。后續(xù),設(shè)計(jì)師就可以根據(jù)需求輕松設(shè)計(jì)出擁有最優(yōu)性能的防護(hù)結(jié)構(gòu)。“目前,先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)已成功應(yīng)用于天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的防護(hù),我國(guó)空間站防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”閆軍表示。

(本報(bào)北京9月18日電 本報(bào)記者 張蕾 本報(bào)通訊員 鄭世貴 范晶巖)

標(biāo)簽: 航天科技集團(tuán)五院 總體設(shè)計(jì)部 空間碎片 中國(guó)空間站

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