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拥有史上最复杂推进系统,天和核心舱的“三个首次”

来源:网络整理 编辑:创新多媒体 时间:2021-04-30

  4月29日,长征五号B遥二运载火箭在位于海南的文昌航天发射场一飞冲天,成功将我国空间站天和核心舱精准送入预定轨道。

  这意味着,我国空间站建设正式拉开序幕,天和核心舱作为搭建我国空间站的“第一块积木”,率先成功落户于中国空间站核心位置,在中国航天科技集团有限公司六院研制的空间推进系统支撑下,静候与“问天”及“梦天”两个实验舱交会对接,共同组建成T字型的天宫空间站,为我国开展一系列太空科学实验与研究提供至少15年以上的全力保障。

  作为一项长期工程,空间站建设需要经过每个舱段较为漫长的发射周期从而叠加组建。核心舱内包括了全套的生命维持装置,并为航天员初期驻留及科研准备好了所需的全部物质条件,居住区、科研区一应俱全,虽是“小户型”,却能发挥大作用。此后,还需要货运飞船完成与核心舱的对接,提供必要的航天员生活物资及推进剂的补加,才能长时间维持其正常运行和航天员正常生活。航天科技集团六院空间推进系统研制团队承担着全部核心舱推进与补加系统设计研制工作。

长征五号B遥二运载火箭在位于海南的文昌航天发射场一飞冲天。史啸 摄

  核心舱推进系统首次实现完全自动化

  为实现至少在轨运行15年的设计寿命要求,核心舱推进系统成为了截至目前中国航天飞行器当中最为复杂的推进系统。超长时间的在轨工作使核心舱增压及推进剂输送系统、控制和采集系统、发动机系统以及补加系统的可靠性面临异常严苛的考验,需要大幅度提升冗余度,从而保证一旦发生一重故障,设备仍能继续正常工作;即使产生两重故障,仍能确保飞行器安全。

  为保证推进系统的可靠性,六院801所设计研制团队确保所有主机无单点故障,实现全冗余;改气路管路活连接为焊接,以降低增压气体长期在轨的泄漏风险;液路管路全部采用两道密封设计,以保证管路长期在轨的密封可靠性;对补加系统关键单机——压气机进行设计改进,大大提高了其使用寿命。

  据六院801所载人航天推进系统部部长顾帅华介绍,本次核心舱发射任务中,“三个首次”成为了攻破“史上最复杂”推进系统的关键。首先一项关键创新,是较2017年天舟一号货运飞船实施“太空加油”的精彩表现,本次核心舱推进系统首次实现了完全自动化的高难度技术突破。科研人员为其研制出全新的自动补加程序,使其不再需要地面指令干预或是航天员的辅助,即可实现完全自主补加。

  “太空加油”技术和关键设备由六院801所完全自主研制,科研团队历经十余年艰苦拼搏,突破国外技术封锁,完成了一系列核心技术和关键设备攻关,并通过多轮地面试验验证,首创国内自主研发的压气机及浮动断接器,为我国后续大型空间站建设奠定了坚实基础。“太空加油”技术的成功填补了我国航天领域的空白,实现了我国空间推进领域的一次技术跨越。

  我国航天器上首次有了“电推进”的身影

  另一项首次创新,是核心舱推进系统除了配备4台轨控发动机、22台姿控发动机这些在航天技术中常用的常规动力以外,还额外配置了四台霍尔电推进发动机,首次将电推进动力应用到航天器上。空间站在围绕地球运转的过程中,会因为地球引力影响轨道高度,需要发动机消耗额外推进剂来抬升轨道。

  而霍尔电推进系统以其推力小、精确调整、工作时间长的特性,“细水长流”地发挥作用,辅助空间站抵抗轨道衰减,维持在原定轨道上正常运转,可有效节省核心舱自带推进剂的消耗,保证推进剂的合理充分利用。

  六院801所于1994年在国内率先开展霍尔电推进技术和应用研究,研制了我国首台霍尔推力器、首台多模式霍尔推力器、首套霍尔电推进系统,实现了我国霍尔电推进的首次空间飞行,使我国继俄、美、欧之后第四个掌握霍尔电推进技术。并于2020年成功完成我国首款20千瓦大功率霍尔推力器点火试验,其成功研发实现了我国霍尔电推力从毫牛级向牛级的跨越。

  本次发射任务中这项新技术的应用,将对空间站在近地轨道的运行提供极大的帮助,也体现出了我国航天技术的又一卓越性。据悉,目前霍尔电推进系统已广泛运用于卫星,将在未来几年内参与执行高密度发射任务。

  首次为航天员设计了出舱更换维修方案

  第三个首次是六院801所研发团队根据核心舱在轨15年的寿命要求,结合实际需求和产品风险评估,在以往可靠性设计、安全性设计的基础之上增加了维修性设计,首次设计了包括控制驱动器、霍尔电推进发动机气瓶等设备可由航天员出舱在轨更换维修的方案。

  继2017年天舟一号货运飞船圆满完成对天宫二号空间实验室三次推进剂补加之后,压气机、浮动断接器等关键设备表现完美,并且我国已成功掌握补加管路推进剂吹除技术,可保证补加管路清洁,后续可进行多次推进剂补加。六院801所科研团队通过多管齐下,将全力确保至少15年使用寿命期间内推进系统始终保持正常可靠工作。

  记者了解到,天和核心舱作为空间站的管理和控制中心,是我国空间站建设的重点基础环节。设计研制其推进系统及补加系统的六院801所载人航天推进系统部是一支由30人组成、年轻人居多的团队,他们承担着目前我国载人航天工程所有飞行器推进系统的研制工作。(记者 李玉坤 通讯员 朱怡蓝)

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