揭秘天舟一號“太空加油”技術(shù)細節(jié)

　　新華社上海4月20日電(記者張建松)成功發(fā)射的天舟一號是我國自主研制的首艘貨運飛船,被形象地稱為中國航天的“快遞小哥”。在茫茫太空,這位從地球上乘坐火箭遠道而來的“快遞小哥”,將補充推進劑快遞給“天宮二號”的時候,有哪些不為人知的技術(shù)細節(jié)呢?

　　在軌補加推進劑,給太空中的航天器“加油”,可以大大延長航天器壽命,是建設(shè)空間站的關(guān)鍵技術(shù)之一。此次,天舟一號與天宮二號將進行3次交會對接,并將首次進行在軌補加推進劑的試驗,即“太空加油”。“太空加油”的“管路”和“管槍”,都安裝在天舟一號與天宮二號的對接機構(gòu)上。

　　據(jù)中國航天科技集團公司上海航天技術(shù)研究院對接機構(gòu)負責(zé)人靳宗向介紹,在軌推進劑補加,主要是通過安裝在對接機構(gòu)上的4個“液路浮動斷接器”來實現(xiàn)的。當(dāng)天舟一號與天宮二號對接完成后,分別裝在兩個對接框上的2組“液路浮動斷接器”將完成通道對接,形成管路循環(huán)系統(tǒng)。此后,天舟一號上裝載的燃料、氧化劑等液體物資,就可以通過管路輸送到天宮二號上。

　　安裝在天宮二號上的“補加驅(qū)動器”是太空加油的關(guān)鍵單機之一。接到系統(tǒng)指令后,它將控制液體管路閥門的開關(guān),同時調(diào)節(jié)流量、流速,確保兩個航天器之間的推進劑補加安全進行。

　　由上海航天技術(shù)研究院自主研制的“異體同構(gòu)周邊式”對接機構(gòu),是目前國際上最先進、最復(fù)雜的機電一體化對接機構(gòu)。自2011年首次在太空“登臺亮相”以來,曾確保了神舟八號、神舟九號、神舟十號與天宮一號的6次交會對接；也順利完成了神舟十一號與天宮二號實現(xiàn)交會對接,并實現(xiàn)30天中長期組合體運行。

　　據(jù)靳宗向介紹,此次交會對接,由于天舟一號重達13噸,對接機構(gòu)必須具備與“重量級”大噸位航天器的對接能力。上海航天設(shè)計師們通過大量的技術(shù)攻關(guān)和方案論證,提出“可控阻尼”的控制思路,研制了全新的可控阻尼器。通過大量的仿真分析和無數(shù)次地面環(huán)境試驗,驗證了對接機構(gòu)能適應(yīng)未來空間站建造階段8-180噸的各種噸位、各種方式對接,包括偏心對接的需要。

　　與此相適應(yīng),對接機構(gòu)的控制器和驅(qū)動器也進行了相應(yīng)升級,承擔(dān)整個交會對接以及艙體分離過程中,對接機構(gòu)的控制和驅(qū)動功能,是交會對接任務(wù)的控制中樞。由于對接機構(gòu)上增加了液路浮動斷接器及補加管路的安裝接口,不僅實現(xiàn)兩個飛行器的信號對接,同時也實現(xiàn)在軌補加的通道對接,對接精度要比以往提高一倍。

　　天舟一號完成與天宮二號交會對接、進入組合體飛行模式后,安裝在天宮二號上的“補加驅(qū)動器”,還將在六個月的空間實驗室任務(wù)中,開展補加功能的試驗驗證工作。這將是我國第一次在軌驗證和實施空間飛行器的燃料加注和回收技術(shù)。

　　在組合體飛行過程中,由上海航天研制的“推進控制驅(qū)動器”,將執(zhí)行控制系統(tǒng)指令,控制所有發(fā)動機和管路閥門,對組合體進行姿態(tài)和軌道控制。是推進系統(tǒng)的控制中樞,對任務(wù)成敗起關(guān)鍵作用。

　　據(jù)上海航天技術(shù)研究院相關(guān)負責(zé)人王有波介紹,為了確保天舟一號與天宮二號安全準確地實現(xiàn)交會對接、分離和太空加油,對接機構(gòu)控制器和驅(qū)動器、推進控制驅(qū)動器、補加驅(qū)動器等關(guān)鍵單機,均從功能上作了多重備份。在電路設(shè)計和軟件構(gòu)架上,加入了多重的冗余措施,應(yīng)用了三機冗余、冷熱備份、在軌自主診斷切換、軟件在軌單粒子防護等多項技術(shù),幾乎用盡了所能想到的所有手段,以確保萬無一失。

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　　“太空加油”總共分29步

　　即將發(fā)射的我國首艘貨運飛船天舟一號,將對天宮二號空間實驗室實施推進劑在軌補加,突破和掌握推進劑補加等關(guān)鍵技術(shù)。

　　天舟一號貨運飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計師雷劍宇說,天舟一號貨運飛船“太空加油”采用的是無增壓氣體損耗的氣體回用法。這種方法系統(tǒng)設(shè)計難度較大,但是氣體資源利用率高。

　　與日常生活中的加油不同,“太空加油”不僅要加注燃料,還需要加注供燃料燃燒的氧化劑。燃燒劑和氧化劑兩者不能“見面”,否則會發(fā)生爆炸。它們的加注是由兩套系統(tǒng)獨立組成的,加注時序也不同。

　　“太空加油”須在天舟一號和天宮二號對接鎖緊,補加裝置和管路氣密性好的前提下進行。第一步,天宮二號的壓氣機將手風(fēng)琴狀的膜盒貯箱中的氣體壓回氣瓶,使天宮二號的燃料儲箱的壓力低于天舟一號；第二步,推進劑在壓力差的作用下,自動從天舟一號貯箱流入天宮二號貯箱,當(dāng)兩側(cè)壓力一致時,加注工作完成；第三步,進行管路吹除,確保天舟一號和天宮二號分離時,殘留在管路中的推進劑不會在空間擴散,污染對接器件和航天器。

　　雷劍宇說,“太空加油”過程復(fù)雜,分為29個步驟,每步都需要精細控制,整個補加過程要持續(xù)幾天。

　　雷劍宇介紹,在軌推進劑補加技術(shù)是繼天地往返、交會對接、航天員中長期駐留技術(shù)后,中國載人航天工程的又一項關(guān)鍵技術(shù)。目前國際上掌握了在軌推進劑補加技術(shù)的只有俄、美等少數(shù)國家,其中,實現(xiàn)在軌加注應(yīng)用的只有俄羅斯。

　　(記者曾濤、梅常偉)

　　據(jù)新華社海南文昌4月20日電?

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