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揭秘天舟一号“太空加油”技术细节
2017年04月21日 08:33:04  来源: 新华每日电讯14版 【字号 】【留言】【打印】【关闭

  新华社上海4月20日电(记者张建松)成功发射的天舟一号是我国自主研制的首艘货运飞船,被形象地称为中国航天的“快递小哥”。在茫茫太空,这位从地球上乘坐火箭远道而来的“快递小哥”,将补充推进剂快递给“天宫二号”的时候,有哪些不为人知的技术细节呢?

  在轨补加推进剂,给太空中的航天器“加油”,可以大大延长航天器寿命,是建设空间站的关键技术之一。此次,天舟一号与天宫二号将进行3次交会对接,并将首次进行在轨补加推进剂的试验,即“太空加油”。“太空加油”的“管路”和“管枪”,都安装在天舟一号与天宫二号的对接机构上。

  据中国航天科技集团公司上海航天技术研究院对接机构负责人靳宗向介绍,在轨推进剂补加,主要是通过安装在对接机构上的4个“液路浮动断接器”来实现的。当天舟一号与天宫二号对接完成后,分别装在两个对接框上的2组“液路浮动断接器”将完成通道对接,形成管路循环系统。此后,天舟一号上装载的燃料、氧化剂等液体物资,就可以通过管路输送到天宫二号上。

  安装在天宫二号上的“补加驱动器”是太空加油的关键单机之一。接到系统指令后,它将控制液体管路阀门的开关,同时调节流量、流速,确保两个航天器之间的推进剂补加安全进行。

  由上海航天技术研究院自主研制的“异体同构周边式”对接机构,是目前国际上最先进、最复杂的机电一体化对接机构。自2011年首次在太空“登台亮相”以来,曾确保了神舟八号、神舟九号、神舟十号与天宫一号的6次交会对接;也顺利完成了神舟十一号与天宫二号实现交会对接,并实现30天中长期组合体运行。

  据靳宗向介绍,此次交会对接,由于天舟一号重达13吨,对接机构必须具备与“重量级”大吨位航天器的对接能力。上海航天设计师们通过大量的技术攻关和方案论证,提出“可控阻尼”的控制思路,研制了全新的可控阻尼器。通过大量的仿真分析和无数次地面环境试验,验证了对接机构能适应未来空间站建造阶段8-180吨的各种吨位、各种方式对接,包括偏心对接的需要。

  与此相适应,对接机构的控制器和驱动器也进行了相应升级,承担整个交会对接以及舱体分离过程中,对接机构的控制和驱动功能,是交会对接任务的控制中枢。由于对接机构上增加了液路浮动断接器及补加管路的安装接口,不仅实现两个飞行器的信号对接,同时也实现在轨补加的通道对接,对接精度要比以往提高一倍。

  天舟一号完成与天宫二号交会对接、进入组合体飞行模式后,安装在天宫二号上的“补加驱动器”,还将在六个月的空间实验室任务中,开展补加功能的试验验证工作。这将是我国第一次在轨验证和实施空间飞行器的燃料加注和回收技术。

  在组合体飞行过程中,由上海航天研制的“推进控制驱动器”,将执行控制系统指令,控制所有发动机和管路阀门,对组合体进行姿态和轨道控制。是推进系统的控制中枢,对任务成败起关键作用。

  据上海航天技术研究院相关负责人王有波介绍,为了确保天舟一号与天宫二号安全准确地实现交会对接、分离和太空加油,对接机构控制器和驱动器、推进控制驱动器、补加驱动器等关键单机,均从功能上作了多重备份。在电路设计和软件构架上,加入了多重的冗余措施,应用了三机冗余、冷热备份、在轨自主诊断切换、软件在轨单粒子防护等多项技术,几乎用尽了所能想到的所有手段,以确保万无一失。

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“太空加油”总共分29步

  即将发射的我国首艘货运飞船天舟一号,将对天宫二号空间实验室实施推进剂在轨补加,突破和掌握推进剂补加等关键技术。

  天舟一号货运飞船系统总体副主任设计师雷剑宇说,天舟一号货运飞船“太空加油”采用的是无增压气体损耗的气体回用法。这种方法系统设计难度较大,但是气体资源利用率高。

  与日常生活中的加油不同,“太空加油”不仅要加注燃料,还需要加注供燃料燃烧的氧化剂。燃烧剂和氧化剂两者不能“见面”,否则会发生爆炸。它们的加注是由两套系统独立组成的,加注时序也不同。

  “太空加油”须在天舟一号和天宫二号对接锁紧,补加装置和管路气密性好的前提下进行。第一步,天宫二号的压气机将手风琴状的膜盒贮箱中的气体压回气瓶,使天宫二号的燃料储箱的压力低于天舟一号;第二步,推进剂在压力差的作用下,自动从天舟一号贮箱流入天宫二号贮箱,当两侧压力一致时,加注工作完成;第三步,进行管路吹除,确保天舟一号和天宫二号分离时,残留在管路中的推进剂不会在空间扩散,污染对接器件和航天器。

  雷剑宇说,“太空加油”过程复杂,分为29个步骤,每步都需要精细控制,整个补加过程要持续几天。

  雷剑宇介绍,在轨推进剂补加技术是继天地往返、交会对接、航天员中长期驻留技术后,中国载人航天工程的又一项关键技术。目前国际上掌握了在轨推进剂补加技术的只有俄、美等少数国家,其中,实现在轨加注应用的只有俄罗斯。

(记者曾涛、梅常伟)

据新华社海南文昌4月20日电?

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