乘坐更舒適 對接更從容 測控更精準(zhǔn)

硬核科技護神舟

　　10月16日凌晨0時23分，一道耀眼的金光劃過大漠月色，翟志剛、王亞平和葉光富三名航天員搭乘神舟十三號飛船，在長征二號F遙十三運載火箭(下文稱“長二F火箭”)的助推下駛向星海，入住“天宮”。

　　從火箭發(fā)射到飛船成功對接核心艙，再到航天員順利進駐，神舟十三號如何過關(guān)斬將？背后都有哪些“功臣”為它保駕護航？記者帶您一起了解那些護航神舟飛天路的硬核科技——

1 從顛簸震動到舒適加倍，航天員火箭“專列”再升級

　　神舟十三號發(fā)射升空，伴隨著巨大的火箭尾焰和轟鳴聲，我們從直播畫面中看到，三位航天員的神情似乎與在地面無異，也沒有明顯的搖晃。

　　與之形成鮮明對比，在神舟五號載人飛行任務(wù)中，當(dāng)火箭飛行到三四十公里高度時，火箭和飛船發(fā)生了急劇抖動，產(chǎn)生共振，讓楊利偉承受了極大的不適。后來，楊利偉在《太空一日》中回憶了那“難以承受的”26秒：“痛苦的感覺越來越強烈，五臟六腑似乎都要碎了。我?guī)缀蹼y以承受，覺得自己快不行了。”

　　“這個讓人很不舒服的共振曾是一個世界級航天發(fā)射難題。”中國航天科技集團一院長二F火箭總體主任設(shè)計師常武權(quán)告訴記者，早在20世紀(jì)60年代，美國發(fā)射大力神火箭過程中，就出現(xiàn)過持續(xù)30秒的振動；法國火箭也曾出現(xiàn)過類似問題，影響了搭載衛(wèi)星的壽命。

　　如何讓這26秒不再“難以承受”？試驗人員經(jīng)過測算分析，認(rèn)為“病根”可能出在氧化劑上：當(dāng)氧化劑中燃料的振動頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動頻率接近時，很可能發(fā)生結(jié)構(gòu)與液體耦合的發(fā)散振動。經(jīng)過試驗分析，結(jié)論印證了此前的推測：問題出在火箭的POGO振動(縱向耦合振動)。

　　找到問題根源后，長二F火箭研制團隊著手改進火箭性能。首先，研制人員通過減少火箭助推器蓄壓器上的膜盒，減小振動量級和時間，但振動問題仍未完全解決；研制團隊再次優(yōu)化設(shè)計，將助推器蓄壓器改為變能量蓄壓器。這個裝置能夠吸收燃料振動時產(chǎn)生的能量，改變?nèi)剂系恼駝宇l率。燃料的振動頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動頻率不再接近，火箭因此就不會產(chǎn)生POGO振動。

　　作為航天員“專列”，安全性能無疑是第一位的。長二F火箭是我國第一枚有明確0.997安全性指標(biāo)要求的運載火箭。安全性指標(biāo)，表示火箭出現(xiàn)故障時還能保障航天員安全返回的條件概率；0.997安全性指標(biāo)，即假設(shè)發(fā)射出現(xiàn)1000次故障，所采取的救助措施中，僅允許3次不成功。

　　在追求安全性的道路上，火箭研制團隊沒有止步。進入空間站任務(wù)階段，長二F火箭共進行了100多項技術(shù)狀態(tài)更改，其中有70余項與可靠性提升相關(guān)。這些改進不涉及重大技術(shù)狀態(tài)變化，主要目的是消除薄弱環(huán)節(jié)。比如，針對發(fā)動機點火失效風(fēng)險，將主機傳火孔直徑從4毫米改為6毫米，進一步提升點火可靠性；根據(jù)位置不同，對發(fā)動機二級游機推力室噴注口提出更加精細(xì)的角度設(shè)計要求，使推進劑能更加充分地融合和燃燒，為火箭提供強勁動力。

　　與其他型號火箭不同，長二F火箭頂部有一根瘦長的“避雷針”——逃逸系統(tǒng)。假如火箭突發(fā)意外情況，逃逸飛行器會像“拔蘿卜”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。但開傘過程中，返回艙會受到地面低空風(fēng)的極大影響。

　　此前，逃逸飛行器只能往一個固定的方向逃逸，存在安全風(fēng)險。“如果逃逸飛行器只能向東逃逸，正好這時地面吹來一股向西的風(fēng)，這樣，返回艙處于開傘狀態(tài)時，很可能又被吹回到故障火箭附近，航天員就會陷入危險。”長二F火箭副總師劉烽說。

　　為確保航天員安全，研制人員對長二F火箭逃逸安控體制進行改進，提高了保密安全性能和抗干擾性能。研制人員在現(xiàn)有控制逃逸發(fā)動機的基礎(chǔ)上，新增發(fā)動機點火功能，使逃逸飛行器可以向垂直于地面風(fēng)的方向逃逸，更加安全、靈活。“比如，地面刮的是南、北風(fēng)，現(xiàn)在逃逸能力提升了，可以提前選擇與南、北風(fēng)垂直的方向逃逸，避開地面風(fēng)。”常武權(quán)說。

　　逃逸系統(tǒng)改進后，長二F火箭的安全性指標(biāo)評估值達(dá)到0.99996的國際先進水平。即發(fā)射十萬次，才會有4次逃逸失敗。

2 神舟首次徑向停靠空間站，技術(shù)革新讓對接更準(zhǔn)更穩(wěn)

　　10月16日6時56分，神舟十三號載人飛船采用自主快速交會對接模式成功對接于天和核心艙徑向端口，與此前已對接的天舟二號、天舟三號貨運飛船一起構(gòu)成四艙(船)組合體，整個交會對接過程歷時約6.5小時。

　　自神舟八號到神舟十二號，5艘飛船都是軸向(前向、后向)對接。這次是神舟飛船首次徑向停靠空間站，即飛船與核心艙徑向?qū)涌谶M行對接。對接時，核心艙和飛船呈垂直狀態(tài)。

　　為何神舟飛船要和空間站進行徑向交會對接？“因為后期要進行航天員乘組輪換，同時有兩艘飛船對接空間站，徑向交會對接能提高進駐空間站的通道和手段。”北京航天飛行控制中心空間站任務(wù)總師孫軍表示，神舟飛船的發(fā)動機、控制系統(tǒng)和敏感器，都是專門為全方位與空間站對接而設(shè)計，也只有神舟飛船能和空間站進行徑向交會對接。

　　徑向與軸向呈垂直夾角，方向變了90度，對接難度大大增加。中國航天科技集團五院總體設(shè)計部飛船型號系統(tǒng)總體副主任設(shè)計師高旭告訴記者，徑向交會對接有“三難”，這也讓此次太空“華爾茲”更加扣人心弦。

　　難在持續(xù)控制姿態(tài)和軌道。前向、后向交會對接時，飛船有一個200米保持點，即使發(fā)動機不工作，飛船也能較長時間保持穩(wěn)定的姿態(tài)和軌道。徑向交會沒有穩(wěn)定的中途停泊點，需要持續(xù)控制飛船姿態(tài)和軌道，推進劑消耗大，故障處置難。

　　難在確定姿態(tài)和相對位置。飛船配有敏感器，如同飛船的眼睛。由于徑向交會過程中，飛船要進行由平飛轉(zhuǎn)豎飛等大范圍的姿態(tài)機動，所以對“眼睛”識別目標(biāo)和不被復(fù)雜光照變化干擾提出了更高要求。

　　難在航天員手控交會模式。徑向交會對接過程中，地球這個最熟悉的參照基準(zhǔn)基本失效，測控條件變差，且相對動力學(xué)運動特性與前向、后向交會不同，這給手控交會模式下航天員的操作增加了難度。

　　首次徑向交會對接順利實施，離不開中國航天科技集團五院神舟飛船研制團隊數(shù)年的技術(shù)攻關(guān)和地面實驗。為適應(yīng)空間站組合體不同構(gòu)型及來訪航天器不同停靠狀態(tài)，實現(xiàn)與空間站前向、后向、徑向交會對接和分離，研制團隊設(shè)計了新的交會路徑和繞飛模式，增加了繞飛、快速交會對接、徑向交會對接各項功能。

　　徑向交會對接的復(fù)雜場景，也對微波雷達(dá)提出了更高要求。“微波雷達(dá)作為中遠(yuǎn)距離測量手段，在交會對接過程中，當(dāng)飛船與核心艙相距約90公里時，微波雷達(dá)開始工作，提供兩個航天器間的精確測距、測速等信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離捕獲、穩(wěn)定跟蹤、精準(zhǔn)測量。”據(jù)中國航天科工集團二院25所交會對接微波雷達(dá)主任設(shè)計師姚元福介紹，神舟十三號上安裝的是微波雷達(dá)二代產(chǎn)品，體積小、重量輕、功耗低，除了具備基本的高精度測量功能，還具有通信功能，能夠根據(jù)切換指令與不同應(yīng)答機進行通信，實現(xiàn)了核心艙多對接口對接。

　　微波雷達(dá)的測量精度有多精？研制人員打過一個有趣的比方：類似于從北京識別出石家莊的一張A4紙。那高精度測量是如何實現(xiàn)的？“微波雷達(dá)采用偽碼測距、多普勒測速、干涉儀測角等原理實現(xiàn)兩器之間相對距離、速度、角度的高精度測量。”姚元福說。

　　據(jù)了解，徑向交會和前向交會都是中國空間站載人飛船正常的交會方式，會在未來空間站載人交會對接任務(wù)中交替使用。

3 USB測控網(wǎng)陸、海、天基全面覆蓋，航天測控通信性能更強

　　“光學(xué)跟蹤正常”“USB雷達(dá)跟蹤正常”“遙測信號正常”……火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心騰空而起，幾十秒后，指揮大廳內(nèi)工作人員發(fā)出的各項“正常”口令回蕩在發(fā)射場夜空。

　　能聽到令人安心的“正常”，USB測控網(wǎng)(統(tǒng)一S波段測控網(wǎng))功不可沒，它包括眾多測控站和部署在大洋上的“遠(yuǎn)望號”測控船等，能實時測控火箭和飛船飛行狀態(tài)。

　　在載人航天任務(wù)中，西安衛(wèi)星測控中心作為軌道計算備份中心，與北京航天飛行控制中心共同負(fù)責(zé)對航天器發(fā)射入軌、在軌運行、返回再入等階段進行精準(zhǔn)跟蹤監(jiān)視與計算分析。

　　“從載人航天工程上馬以來，經(jīng)過近30年的探索與實踐，我國已建成陸、海、天基全面覆蓋的USB測控網(wǎng)。”西安衛(wèi)星測控中心工程師張卓告訴記者，測控網(wǎng)在頻段和體制上與國際兼容，集測軌、遙測、遙控、語音、電視等功能于一體，綜合了測控和天地通信功能，是飛船升空后與地面聯(lián)系的唯一信息線。

　　此次徑向交會對接整個過程都是在制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)指揮下，由飛船智能自主完成。

　　“在快速自主交會對接過程中，地面基本不需要干預(yù)控制，主要靠天鏈中繼衛(wèi)星進行跟蹤測控。”張卓說，陸基USB測控設(shè)備整體性能相對更加穩(wěn)定，在太空各種情況都未知的情況下，通過與中繼衛(wèi)星互為補充，組成天地一體測控網(wǎng)，共同護航航天員的太空之旅。

　　據(jù)北京航天飛行控制中心神舟十三號任務(wù)總工程師謝劍鋒介紹，面對對接方式新、在軌時間長、處置要求高等難點，任務(wù)團隊攻克了大量技術(shù)難關(guān)。

　　徑向交會對接期間，空間站組合體和飛船大幅度姿態(tài)調(diào)整，影響中繼測控和飛船能源，給測控支持模式和飛行程序安排帶來變化，地面監(jiān)視判斷和應(yīng)急處置難度由此增加。任務(wù)團隊優(yōu)化設(shè)計方案，細(xì)化決策判據(jù)，創(chuàng)新設(shè)計了以空空代傳為主的測控模式和并網(wǎng)供電模式，克服了通信和供電難題，交會對接安全性大幅提高。

　　“為確保應(yīng)急故障及時有效處置，我們針對神舟十三號任務(wù)設(shè)計了400多個故障預(yù)案，組合體相關(guān)預(yù)案高達(dá)2500個，最緊急時，15秒內(nèi)就必須完成發(fā)令處置。”孫軍說。

　　聲表濾波器，是一種用于濾除高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號以及各類寄生雜波等干擾信號的設(shè)備，保障飛船通信清晰傳回地面。由中國航天科工集團二院23所微電公司研制的聲表濾波器，為神舟十三號飛船關(guān)鍵部位提供通信保障服務(wù)。

　　使用環(huán)境不同，聲表器件經(jīng)受的環(huán)境要求差別很大。比如，在火箭發(fā)射階段，器件承受巨大的加速度，聲表濾波器需在劇烈的振動和沖擊下正常工作；到了在軌飛行階段，器件在失重環(huán)境下工作，外殼內(nèi)外壓力相差很大，產(chǎn)品要能在強輻射、高壓力下保持正常的形狀和功能。

　　考慮到這些特殊需求，研制人員在器件研制過程中，按照不同使用環(huán)境，分別做好產(chǎn)品應(yīng)力設(shè)計、可靠性設(shè)計和防輻射設(shè)計，保證器件在極端環(huán)境下正常工作，通信清晰可靠。

　　中國紀(jì)檢監(jiān)察報記者 柴雅欣 自東風(fēng)航天城報道