如何保障航天员安全?如何维修航天器设备?这些科技你想象不到!

发布时间:2024-04-18 11:27:18 来源: sp20240418

  央视网消息:几天前(10月31日),神舟十六号航天员安全返回地球家园,而神舟十七号乘组三名航天员汤洪波、唐胜杰、江新林则开启了在中国空间站为期六个月的在轨驻留,今天(11月4日)已经是他们在轨的第十天了。这次神舟十七号飞行任务中有一项特殊的任务,航天员将通过出舱活动首次进行空间站舱外试验性维修作业。

  空间站长期在轨运行,航天员的安全如何保障、航天器的设备怎样维修维护?接下来我们一起来了解。

  在线维修装调操作柜 空间站里的维修利器

  在中国空间站的舱内舱外有大量的设备,这些设备一旦出现故障该怎么处理呢?我国科研人员创新性地研发了一套“在线维修装调操作柜”,有了它,空间站的实验设备和载荷一旦出现故障,就可以在轨进行维修。下面记者就带我们一起来了解这个中国空间站的设备维修“利器”。

  总台央视记者 褚尔嘉:这里是中国科学院空间应用工程与技术中心的镜像大厅,在这里一共有十四台像我身后这样的实验柜。这些实验柜实际上跟在中国空间站中的实验柜是一模一样的。在我身后这里有一个叫在线维修装调操作柜,在中国空间站的梦天实验舱里就有一个完全一样的操作柜,它可以实现在轨对出现故障的一些设备进行维修。

  中国科学院空间应用工程与技术中心研究员 张璐:其他的(实验柜)都属于科学实验柜,都会有一个或者多个比较固定的研究主题。这个实验柜实际上更多的是一个支撑类的实验柜,它并没有一个比如说像生命科学、流体科学这方面的专一的、独立的一个研究方向。以前的时候,有些(设备)比如说坏了,航天员不是很方便地去进行在轨的一些维修和更换。这个在线实际上就是指在轨的状态下,航天员可以对其他的科学实验柜,包括其他的空间应用系统的一些载荷装置更换、维修,或者有操作需求的时候,这个实验柜提供了一系列包括结构安装、洁净空间的处理,包括还有机械臂(手)的辅助操作,相应的一些真空、排废气,很多工具类的支撑,来保障这些维修操作能够在轨顺利展开。

  自身体积并不大的在线维修装调操作柜是如何实现维修中国空间站中的大型设备呢?张璐告诉记者,设计之初,他们就已经考虑到了这个问题,为此设计了一些拓展空间功能。

  中国科学院空间应用工程与技术中心研究员 张璐:这里面,我们主要是进行一些比如说小载荷、标准载荷的维修操作,包括有一些有密闭要求的载荷,我们可以通过更换手套进行操作。舱外有一些大型载荷有一些安装、升级甚至拆装的操作,我们可以通过这个移动维修平台,把这个平台拉开以后,它可以展开成一个大概900毫米x700毫米的一个大平板。舱外的这些大载荷可以在这个大平板上安装固定,然后航天员在这个平板上结合内部丰富的各种载荷的接口,来进行相应的维修操作。

  灵巧机械手协助操作 精度可达0.1毫米内

  大家之前可能已经了解到,中国空间站的舱外有大小两个机械臂,大机械臂展开后长约10米,最大负载能力25吨,可以在舱外爬行,也可以抓取像问天实验舱和梦天实验舱这样的大型舱段。空间站外的小机械臂,臂长约5米,最大负载3吨,小机械臂操作精度更高,可以单独使用,也可以和大机械臂连接,形成约15米长的组合臂,从而扩大航天员在舱外搭乘机械臂可以到达的范围。

  不过你知道吗,咱们的空间站内还有一个灵巧机械手,就在刚才说到的梦天实验舱在线维修装调操作柜里,它展开后大约七八十厘米长,操作精度可达0.1毫米以内,可以帮助航天员进行维修装调操作。

  张璐介绍,在这台在线维修装调操作柜里,拥有一个功能非常强大的灵巧机械手,它拥有十分灵活的7自由度关节,可以轻松地旋转到各种姿态,实现在狭小的空间内做复杂的轨迹规划,操作精度可以达到0.1毫米以内,且响应速度快,能够帮助航天员在轨完成大量复杂维修工作。

  中国科学院空间应用工程与技术中心研究员 张璐:像有些舱外的载荷进舱之后,包括一些生物学的载荷,做完实验之后,有一些杀毒、消菌需求的时候,我们可以通过更换机械臂(手)的末端工具。未来我们可以有不同的末端工具,更换之后可以执行不同的操作任务。有一些很繁琐的拧螺钉或者是做一些简单的采样,我们可以换上一个小型的末端,一个夹爪或者是一个电动的剪刀,就可以把这个操作完成。

  智能诱导维修系统 在轨维修更便利

  除了有灵巧机械手帮忙,科研人员还设计了搭载增强现实技术的在线维修系统,只要戴上一副眼镜,航天员不用翻看任何操作手册,就可以实时接收操作指令,实现便捷的在轨设备维修工作。

  中国科学院空间应用工程与技术中心研究员 张璐:大家知道空间站实验柜就有14个,这14个实验柜都是由各种各样不同的部组件、科学诊断手段、科学探测的一些设备组成的。这些设备就像我们家里用的电器一样,一定会有到寿命时间的或者说有一些故障了,航天员必须要在在线的状态下、在轨的状态下对这些故障进行诊断、维修、组装。

  为了更快、更便捷地进行在轨维修操作,科研人员开发了一套智能诱导维修系统。航天员会戴一副眼镜,通过增强现实技术实时接收语音、文字、视频等操作指令,使维修操作变得不再复杂繁琐。

  据介绍,这套基于增强现实技术的智能诱导维修系统真正实现了实时准确地将所需要的数字化维修诱导信息叠加到实物对象上,使得航天员能够获取视觉、听觉等方式的维修提示,提高了航天员在轨维修作业效率,为空间站在轨维修维护、装调、实验操作等任务提供了可靠的技术支撑。

  有备无患!从没用过 但不能没有的逃逸塔

  通过维修作业,空间站的运行能够更加安全、稳定。其实,对于载人航天工程而言,安全的理念贯穿在每一个环节当中。从空间站任务开始,为了确保航天员的安全,长二F火箭和神舟飞船都会采取“双发并行、一主一备”的模式。就在神舟十七号发射的同时,神舟十八号的飞船和火箭就已经准备就绪,在酒泉卫星发射中心待命了。

  执行载人发射任务的长征二号F火箭,它的外观非常有标志性,它头顶上有一个像避雷针一样的装置,这就是火箭的逃逸塔,逃逸塔也是载人航天发射的一个关键装置,长二F火箭的历次发射,它从没有被用到过,却是决不能没有的装置。接下来,记者带您到神舟十八号的逃逸塔厂房里去近距离地看一看,我们一起结合逃逸塔飞行试验的镜头,来了解长二F火箭逃逸塔的作用。

  总台央视记者 陶嘉树:长征二号F火箭是我国目前唯一一型可以运送航天员的火箭,那么运送航天员也有一个前提,那就是一定要保障航天员的安全,如何保障呢?在我身边的装置就是长征二号F火箭的逃逸塔,也就是我们看到火箭顶端像避雷针一样的装置,它由1台逃逸主发动机、1台分离发动机和4台俯仰偏航发动机组成,它的作用就是在火箭飞行的前120秒内,一旦火箭发生危及航天员生命的故障时,可以迅速将神舟飞船的轨道舱和返回舱带离故障火箭,将航天员带到安全地带。

  航天科技集团一院长征二号F运载火箭总体设计师 陈牧野:逃逸主发动机,大家可以看到它喷管相比其他的都比较大,它的推力也是这几个发动机中最大的。它的作用就是当火箭发生重大故障的时候、可能威胁到航天员安全的时候,它把整个逃逸飞行器带离故障火箭,然后能够使逃逸飞行器打到一安全的区域。

  记者:它是相当于把飞船从火箭里面拽出来的一个用处?

  航天科技集团一院长征二号F运载火箭总体设计师 陈牧野:对。这一圈有8个相对小一点的喷管发动机是逃逸分离发动机,它有两个作用,第一个是当发生故障的时候,由刚才介绍的逃逸主发动机把逃逸飞行器拽离之后,返回舱和逃逸塔之间的分离使用的是逃逸分离发动机。在正常飞行过程中,我们还有一个抛逃逸塔的动作,抛逃逸塔的动作就是由逃逸分离发动机来完成的。

  记者:下面这几个小一点的呢?

  航天科技集团一院长征二号F运载火箭总体设计师 陈牧野:我们叫俯仰和偏航发动机,它有不同的方向,它的作用就是当发生逃逸的时候,它的工作是使整个逃逸飞行器偏离故障火箭的飞行管道。就相当于我从旁边推你一下,本来咱们是在一条跑道上跑的,然后你受到一个力,你就去到旁边的跑道,这样能够使整个逃逸飞行器更加安全。

  逃逸塔是载人火箭至关重要的装置,虽然不用,但不可不备。截至目前,逃逸塔从未真正意义上使用过。2021年,中国载人航天工程进入空间站阶段后,要求长征二号F火箭发射一发、备份一发,神舟十七号已经成功发射,我们在厂房内看到的这个逃逸塔,正是下一发长二F火箭的逃逸塔。

  记者:这个是遥十八火箭的逃逸塔吗?

  航天科技集团一院长征二号F运载火箭总体设计师 陈牧野:对,咱们现在看见的逃逸塔是遥十八火箭的,它目前处于应急待命值班的状态。不光是遥十八的逃逸塔,遥十八火箭的箭体目前也已经竖立在总装测试厂房中,处于应急救援值班的状态。当比如空间站中有什么问题需要我们再打一艘备份的救援飞船上去的时候,应急救援火箭,包括逃逸塔就会组合成一个整体,把应急救援飞船送上去执行救援任务,这是有备无患的一种方式。

  有备无患!确保航天员安全的多种方式

  载人航天人命关天,航天员的安全永远是要考虑的第一要素。在实施载人飞行任务过程中,在不同的阶段,有不同的方式来全流程确保航天员的生命安全。这些方式在正常情况下不会被用到,却是必须做足准备的,宁可备而不用,不可用时不备,一旦需要,要确保万无一失。

  防爆电梯和逃逸滑道

  在火箭待发段,航天员抵达发射塔架后,如果出现火箭、飞船发生一些突发状况,在可控的情况下,由航天员救助队协助航天员在最短时间内通过防爆电梯完成紧急撤离。如果情况危急,就要从逃逸滑道撤离至地下掩体。逃逸滑道如同一个软管,从发射塔架9层平台至地下负一层,全长约57米,滑道内衬通过改良,航天员用手和脚的动作控制下滑速度。滑道出口放置有加厚的缓冲垫,能最大程度避免人员在下落过程中受伤。逃逸滑道出口通往地下5米的避险室,这里可以提供非常可靠的安全庇护。

  逃逸塔

  航天员进入神舟飞船后,从火箭发射前15分钟到火箭点火后2分钟这段时间,是依靠火箭的逃逸塔来保障航天员安全。长二F的逃逸塔有8米高,相当于两三层楼的高度。如果这时遇到故障需要逃逸,只需要3秒,逃逸塔就能像拔萝卜一样拽着飞船一起分离出去,把飞船带离危险区域。随后,飞船返回舱会与逃逸塔分离,而后打开降落伞回到地面。在一切正常的情况下,火箭点火2分钟后,距离地面近40公里的高度时,逃逸塔完成使命被分离出去。

  高空逃逸

  在逃逸塔分离后到整流罩分离前这段时间,如果火箭出现问题需要逃逸,这时包裹着飞船的整流罩将发挥作用。整流罩上设有高空逃逸发动机,高空逃逸发动机能够带动飞船脱离故障火箭,保证航天员生命安全。长二F火箭配备故障检测系统,能够自动检测各项参数,判断火箭故障,发出逃逸指令和终止飞行指令。

  飞船自动识别处置故障

  火箭飞行到205秒左右,冲出稠密大气层。没有了空气阻力,包裹着飞船的整流罩也就完成使命,与火箭分离,这时飞船就暴露在了太空中。独自飞行的神舟飞船,船上设备能够自动识别和处置故障,如果在飞船自主飞行过程中发生紧急故障,飞船可以随时应急返回地球。如果飞船在与空间站自动对接过程中发生故障,飞船可转由航天员手动控制完成对接。飞船完成对接后、在停靠期间,如果空间站发生严重威胁航天员生命安全的事故,神舟飞船具备随时紧急撤离空间站、安全返回地球的能力。

  一主一备 应急救援

  空间站在太空中飞行,可能会遇到航天器故障或空间碎片袭击等风险。目前,每个航天员乘组在轨时间为半年左右,为应对可能的风险、更好地保障航天员安全,需要长二F火箭和神舟飞船具备快速发射、应急救援的能力。从神舟十二号开始,每一艘神舟飞船发射时都有一发火箭和一艘飞船在发射场进入值班状态,如果需要应急救援,10天内就能实施应急救援发射。

  防护装备和维修作业

  空间站在轨运行,受空间环境影响在所难免。空间站的航天器外本身设有一些防护装备,能够抵御一些微小空间碎片影响。对于大的碎片,空间站可以进行主动预警和规避。如果遇到被空间碎片撞击破损,还可以采用在轨维修的方式更换受损设备。这次神舟十七号飞行任务,航天员将通过出舱活动首次进行空间站舱外试验性维修作业。 【编辑:梁异】