2016年10月29日《大家谈》中国载人航天新进展 10月29日漫谈现代两栖战

 

 

 

在天宫一号目标飞行器成功遨游太空的五年之后，天宫二号空间实验室任务接力开展。作为中国载人航天发展“三步走”战略第二步第二阶段的首发空间飞行器，由中国航天科技集团公司研制的天宫二号是我国第一艘真正意义上的空间实验室。

与天宫一号相比，天宫二号所承担的任务更加繁重，将为我国空间站建设进行多项技术验证。其中，开展航天员中期驻留、推进剂在轨补加、在轨维修技术试验等三大任务，是天宫二号的主要使命。

任务一

中期驻留：航天员有了宜居太空环境

此前，中国航天员在外太空最长的驻留时间纪录为神舟十号乘组在天宫一号上创造的15天，此次天宫二号将使这个数字翻一番。在外行看来，这也许只是数字上增加了15天，而在载人航天的发展中，这个数字却意味着巨大的跨越。

“依据国际惯例，在外太空驻留30天及以上为中期驻留。中期驻留对航天员生命保障系统、飞行器设计等诸多方面都提出了更高的要求。”中国航天科技集团公司五院天宫二号总设计师朱枞鹏说。

航天员在外太空驻留时，主要是在天宫二号实验舱工作和生活。为成功实现中期驻留，天宫二号研制团队从提高生活质量、降低工作负荷、改善睡眠环境、丰富娱乐条件等几个方面对实验舱进行了全新设计，这也是我国载人航天史首次系统开展载人宜居环境设计。

“宜居技术主要分为内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等几大方面。这些创新设计的目的就是为航天员提供人性化的空间家居环境。”天宫二号系统总体设计人员张雅彬介绍道。

在内部装饰方面，研制团队结合航天员的建议和对国外飞行器的调研，用地板取代了地毯，让地面变得更受力。白色地板上还分布着些许灰点，以避免航天员产生视觉疲劳。在舱内活动空间规划方面，天宫二号将实验舱空间分为睡眠区和工作区，并安装了多功能平台，航天员可以在这个平台上吃饭、看书、工作。天宫二号还采取了降噪技术，以提高航天员睡眠环境质量。在视觉环境与照明方面，舱内灯光采用米黄色的色调，亮度可以手动调节，设计者还为每位航天员安装了床前灯。

在外太空，失重环境会给航天员工作和生活造成很大不便。天宫二号做了诸多针对性设计：增加硬质扶手，方便航天员在舱内借力活动；设计了腰部扎带，扎带两头设有固定环，能解放航天员四肢；设计了无线头戴，实现无线通话等。

“这些设计，都经过了严格的工效评价，是经过航天员亲身体验后不断修改完成的。虽然都是小的设计，但温馨的环境可以为中期驻留的实现打下坚实基础。”张雅彬说。

在天宫二号总装总体设计人员尚明友看来，增加娱乐设施也是天宫二号“以人为本”设计理念的体现。研制团队为航天员配备的蓝牙音响，可以让航天员在外太空聆听音乐。音响还能发挥应急作用，当航天员睡觉比较沉的时候，它可以放大语音单元的报警声。

此外，天宫二号的天地通信能力也得到了优化。“以前天宫一号通过电子邮件只能接收简单的文本信息，现在航天员可以观看地面上的电视节目、电影等。在睡眠区，每位航天员都有一个语音插座，戴上耳机以后就能跟家人通话。”尚明友说。

中期驻留对天宫二号环境控制与生命保障系统的考验也很大。该系统主要功能是提供航天员需要的氧、水还有食物，同时收集航天员产生的二氧化碳、废水、大小便等废弃物，还要为航天员提供合适温湿度和压力的环境。此次天宫二号上搭载的环境控制与生命保障系统进行了升级，将对航天员进行30天的保障。

“虽然实验舱只有一个15立方米左右的活动空间，但是经过我们的精心设计，航天员有了一个温馨舒适的环境，从而能顺利完成30天驻留。”朱枞鹏说。

任务二

在轨补加：原理简单却是技术活儿

未来，空间站要长期运行，实现推进剂在轨补加是重要基础。验证推进剂在轨补加技术，是天宫二号的第二大使命任务。

众所周知，推进剂加注是个“慢工出细活”的过程。在地面加注推进剂尚且困难而又危险，试想在茫茫太空进行无人操作的推进剂补加是一件多难的事情。为突破在轨补加技术，天宫二号研制团队进行了为期三年的刻苦攻关。

在天宫二号推进分系统主任设计师江铭伟看来，在轨补加技术的原理并不复杂。“货运飞船与天宫二号对接以后，天宫二号利用压气机将天宫二号贮箱中的气体抽走，贮箱压力随之下降。货运飞船上高压气瓶的气体将推进剂从自身贮箱中推出，通过连接管路进入天宫二号贮箱中。”

原理简单，但研制过程却十分困难，主要难点包括关键单机的研制以及在轨补加流程的设计。天宫二号推进剂在轨补加系统有三个关键单机，分别是压气机、特殊贮箱和浮动断接器。

江铭伟指出，压气机的难点之一在于小型化设计。“与地面至少一二百公斤的压气机不同，太空中使用的设备重量都不能太大，否则运输的推进剂重量就会受影响。我们经过一系列技术创新，将天宫二号使用的压气机重量控制在几十公斤重。”

以往无人及载人飞船的对接机构主要是电路连接，天宫二号为验证在轨补加技术，增加了液路连接。推进剂是危险品，管路连接要求精准。研制团队倾力打造的浮动断接器可以提高补加的精准性，避免泄漏。此外，由新材料、新工艺制成的特殊贮箱可以满足多次补加。这些关键单机的研制成功，为在轨补加技术的实现打下了坚实基础。

“除此之外，在轨补加的流程设计也极为重要。补加过程控制步骤多，流程复杂，出现应急情况还要进行在轨处置，需要地面飞控进行复杂的操作。这些都要提前谋划，我们进行了充分的冗余设计。”江铭伟说。

对接机构在空间实验室的任务中扮演的角色也十分重要。天宫二号要完成推进剂补加，空间交会对接的精度要求几乎提高了一倍。为此，研制团队做了大量的验证以及完善设计，确保对接机构能够实现高精度对接。

天宫二号成功进入轨道后，在轨补加系统便在外太空静候着货运飞船的到来，等待着大放异彩的那一刻。

任务三

在轨维修：难度大要求高技术先进

太空环境复杂，空间站在长期运行过程中难免要进行设备产品的维修。与地面维修相比，在轨维修难度大、要求高，除了具备设备维修需要的技术和动手能力以外，航天员还需要克服空间狭小和微重力环境等障碍。

“空间飞行器的设备数量较多，维修空间非常狭小，而微重力环境下维修设备需要支撑点才能用的上力。克服这些困难，需要有先进的在轨维修技术。”朱枞鹏说。

为提前验证在轨维修技术，给空间站建设打下基础，天宫二号承担了一系列在轨维修技术试验，包括液路维修、整机带电维修、板卡维修等试验项目。

空间站在轨运行的时候要进行热交换，把舱里的热量带到舱外区，这个过程由热管理系统完成。热管理系统最核心的部分是液体管路系统，而液体管路里的泵是易损的部件，需要定期维护，出现问题要定期更换。为验证液体回路维修技术，天宫二号携带了独立的验证系统。

“液路更换维修是在线状态下进行的，即并非是把液体抽出或者关闭管路阀门以后进行维修，而是直接进行拔插，完成更换。这个验证试验无法在正样产品上进行，因此航天员将在天宫二号携带的独立系统上进行验证操作。”张雅彬说。

空间站上的电子设备众多，如果出现故障，需要进行电子单机的维修。此次天宫二号携带了两台独立的电子单机，用于开展整机带电维修技术试验。在外太空期间，航天员将两台设备拆下，放在舱内的维修平台上进行维修试验。

“电子单机在轨维修的一大特点是带电维修，即在设备运行状态下进行维修。因为空间站运行阶段，无法让设备停止运行以后再进行维修。这也是在轨维修的技术难点之一。”张雅彬说。

除了整机维修以外，还有零部件维修，比如电子设备上的板卡维修。就像电脑有显卡、内存卡、声卡等组件一样，航天器上数量众多的电子设备也具有众多板卡组件。如果板卡出现故障，不能直接换掉整台设备，要对板卡进行更换维修，这样可以大大降低维修成本。

“因为天地的操作环境不一样，所以在轨维修难度很大。在研发过程中，研制团队设计了很多自动化设备，辅助航天员完成在轨维修，这些自动化设备也将在此次任务中亮相。”朱枞鹏说。

除了上述三大任务之外，天宫二号还将承担空间应用科学实验、航天医学实验、空间站技术验证试验等任务，为后续空间站建设打下坚实基础。（魏京华）