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乐为“天宫”做嫁衣

记者马丽 兰小红  魏杰  

2011年09月30日16:32    来源:人民网-科技频道     手机看新闻

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  9月29日21时16分,伴随着长征运载火箭又一次冲天而起,我国首个空间交会对接目标飞行器“天宫一号”成功进入预定轨道,成为“太空家族”的新成员,在茫茫太空自由翱翔。在这辉煌的背后,有一支为“天宫一号”的安全飞行奉献青春智慧的科研团队,他们就是总装驻川某研究所超高速碰撞研究攻关团队。

  看似平静的太空却暗藏“杀机”。“天宫一号”在轨飞行的未来两年中,将承受大量空间碎片的威胁,一旦发生碰撞,后果往往是灾难性的。

  由于空间碎片的不可预知性,目前世界各国都无法对所有空间碎片进行跟踪监测,单纯依靠主动规避无法实现飞行器的有效防护,尤其是一些无法观测预警的厘米级以下尺寸的空间碎片,更是防不胜防。因此,必须通过加强自身的防护能力来应对随时可能来临的意外“炸弹”。

  如何提高“天宫一号”的自我防护能力?

  最科学经济的方法,就是通过地面碰撞模拟试验,准确掌握“天宫一号”各部件抗击外力撞击的能力系数,为结构设计提供有力的技术支撑。

  总装驻川某研究所弹道靶实验室,作为国内从事超高速碰撞领域研究的重点科研单位,始终紧盯国家战略需求,做好技术储备。早在六年前,科研人员就已经开始了对“天宫一号”空间碎片防护能力的试验研究任务。他们先后为“天宫一号”的舱壁、防护结构及辐射器进行数百次的超高速碰撞试验,模拟考核“天宫一号”的承受空间碎片撞击能力,为“天宫一号”穿上了一件坚不可摧的“防护嫁衣”。

  2005年初,弹道靶实验室组成了由李毅、陈鲲、罗锦阳等10名35岁以下年轻科技干部组成的超高速碰撞研究攻关团队,在室主任黄洁的带领下,全力展开了“天宫一号”碎片防护相关技术研究。

  由于试验用来模拟空间碎片的弹丸非常微小,从炮管发射出去后,极易产生偏移,很难打中规定的部位;在弹丸、弹托的分离中,也很难实现对弹托的充分拦截。

  面对这两个“拦路虎”,团队人员先后攻克微小弹丸发射、测控技术,二级轻气炮高参数稳定发射技术等技术难题。通过对弹丸/弹托分离装置的改进、弹丸与弹托的安装形式的改进以及提出并采用探测噪声较小的半导体激光探测方式,可探测最小粒子尺寸达0.5mm,实现了对毫米/亚毫米级弹丸的成功发射和探测。

  舱壁,是“天宫一号”与外天空接触面积最大的部位,也是最主要的防护层,评估“天宫一号”的抗空间碎片撞击能力,首先进行考核的就是舱壁。

  2005年6月,在该所的超高速碰撞靶上,首次进行了“单层铝合金面板的撞击失效模式试验”。他们先后对两种不同厚度的舱壁试验板进行撞击试验,获得了舱壁在超高速碰撞下的弹道极限参数及其变化规律,为“天宫一号”舱壁的空间碎片撞击风险评估提供了基础数据。

  为了选择出“天宫一号”的最佳防护构型,2006年9月,该室又开展了“目标飞行器空间防护验证试验”,获得了两种形式防护结构在超高速碰撞下的弹道极限曲线,提出了优先选用的防护结构方案,为防护结构选型和空间碎片撞击风险评估提供了依据。

  在众多试验中,辐射器的设计与防护试验难度是最大的。

  作为“天宫一号”上的热控分系统,其作用是维持飞行器的热平衡,确保飞行器内部所有设备工作在许可的温度范围内,这就要求其必须有一部分直接暴露在“天宫一号”外部,一旦受到空间碎片撞击,就会导致管壁穿孔、破裂,内部工作液体溢出,飞行器内部大功率设备产生的多余热量将无法辐射出去,造成飞行器部分功能丧失或完全报废。

  试验中,科研人员发现由于辐射管路的完全暴露,抗撞击能力非常弱。为此,他们发挥自身的专业优势与型号单位专家进行了多次讨论研究,提出了可行的解决方案。最终,型号单位决定对现有的结构模式进行改进,在不增加重量的情况下,将原贴附于舱壁的支撑板改变到最外层,相当于在辐射器外加装了一层防护装置。这一新的结构模式,虽然使散热功能降低了6%,但防护能力却提高了150%。

  对超高速碰撞团队成员来说,尽管每一次试验都是一次全新的挑战,但完成每一次试验,团队人员又都会收获一份快乐。

  为取得辐射器裸露部分的碰撞性能,团队成员接连攻克了弹丸尺寸小、不同撞击点弹道极限差异大,以及每次发射弹着点位置存在随机性等一道道难关。

  副研究员陈鲲每次都要钻进直径不到1米的碰撞室安装、拆卸靶材,虽然当时已是冬天,但每次出来他都一身汗水。为保证对辐射器撞击瞬间的动态过程进行精确、可靠的监测,罗锦阳和谢爱民高工每次试验前后,都要对测速和照相系统各种光学器件上细小的灰尘和杂质一一清理干净,同时对设备进行不厌其烦的静态和动态调试。

  同样,为了精确模拟最佳发射速度,负责发射器运行的同志每进行一次试验,就要对细小的炮管内部产生的大量的污水、灰尘杂质进行彻底清理,直到光亮如镜后,才能进行下一次试验。

  经过一个多月的不懈努力,他们成功获得了辐射器损伤模式与弹道极限曲线,数据的准确性和规律性较好,为完善辐射器设计与防护提供了保证。

  几年来,该室先后参与完成了“天宫一号”抗空间碎片撞击风险能力评估等10余项试验任务。经过大量试验数据的验证,我国“天宫一号”完全达到了密封舱的平均无击穿时间大于3年,非击穿失效概率大于0.5,防护需要增加的总重量不大于50公斤的设计要求,为“天宫一号”量身定做了一件坚固可靠的“嫁衣”,伴随着它在远离地球母亲怀抱的茫茫太空,自由翱翔……
(责任编辑:刘然)

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