天宫二号彰显我国综合实力——科技创新打造“五星太空之家”

中国新闻来源:经济日报 2016年09月16日 10:20 A-A+
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　　发射时中高低温交叉的“冰火两重天”，剧烈震动的严峻挑战，充斥着高能粒子、宇宙射线的恶劣环境……在这样的条件下，天宫二号能否为宇航员提供一个舒适温暖的家？《经济日报》记者从天宫二号和神舟十一号的缔造者——航天科技集团公司第五研究院获悉，科研人员在天宫二号和神舟十一号设计研制过程中，实施尽心、放心、贴心“三心”工程，力争为航天员打造“五星太空之家”，让他们在遥远的深空体会到“家”的舒心和温暖。

　　稳固如“定海神针”

　　维修像“插拔U盘”

　　《西游记》中有一个定海神针，天宫二号空间实验室上面也有一个“定海神针”，它就是控制力矩陀螺（简称CMG）。CMG是空间飞行器姿态机动与姿态稳定的控制部件。“没有CMG的话，卫星和空间站这类航天器的灵活性会差很多，调整变化的能力也会很小。有了CMG，航天器的机动性就会大大增强。”航天科技集团公司五院502所科研人员告诉记者。

　　CMG结构复杂，重量、体积大，力学设计、热设计难度高，一直属于“卡脖子”工程。502所科研人员自1998年启动攻关，用了十几年时间啃下了这块硬骨头。2011年天宫一号成功发射，各项遥测数据正常，标志着我国自主研制的CMG首次在轨应用成功，使我国成为世界上第三个掌握该技术的国家。

　　“天宫二号上面的200NmsCMG输出力矩平稳、力矩分辨率高，在天宫一号任务时首次亮相，在服役期间姿态控制精度均优于设计指标，在轨工作稳定、表现优异。”专家介绍。

　　天宫二号的密封结构也是保障安全性的另一法宝。航天科技集团公司五院总体部相关负责人告诉记者：“天宫二号是一个外部真空、内部有1个大气压的结构。评价其安全性很重要的方面，就是在2年的在轨飞行过程中，漏气量要非常小。就像再好的篮球早晚也会漏气，只是好的产品和设计可以让漏气非常缓慢。”

　　天宫二号由于功能需要设有观察舷窗、开关舱门等部件，这些都容易导致漏气。设计师根据各种结构特点设计了多种安全可靠的密封结构。密封结构中最为关键的就是密封圈，一般的密封圈都存在老化问题，更何况太空中温度变化更加剧烈。设计人员就从配方开始研究，再到密封圈的结构形式、密封结构设计，终于取得成功。

　　电影中，当一套高级大型设备发生故障时，技术人员像插拔U盘一样，快捷地拔下损害部件，插上新部件后，设备立刻恢复正常。这炫酷的一幕也将在“太空之家”上演。五院技术人员对“太空之家”的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化模块设计，打造出可快速更换的模块单元。拿智能配电单元来说，五院技术人员在我国航天器上首次采用了“插拔式”的结构设计，在地面的模拟试验中，技术人员只需用几分钟就能完成一次维修更换。

　　“智能管家”很贴心

　　“对接天眼”极敏锐

　　航天科技集团五院天宫二号总设计师朱枞鹏告诉记者，“天宫二号最初是天宫一号的备份产品，天宫一号发射时，天宫二号已经设计研制出来了，随着天宫一号任务的圆满成功，天宫二号被赋予了开展航天员中期驻留、在轨维修技术试验等新使命。为此，我们本着‘好、快、省’的模式，在物尽其用的基础上，对天宫二号进行了全面的改装和升级，不仅解决了天宫一号在轨运行过程暴露出的设计瑕疵，更极尽所能、集智攻关用各类‘神器’武装‘太空之家’，显著提升了它的性能和智能化程度”。

　　“太空之家”里有一位“智能管家”，就是控制计算机系统和自主研发的spaceOS2操作系统。这位聪明的“管家”可以自主进行航天器飞行轨道、姿态调整、运行状态的智能化诊断，以及遥测下传、地面遥控指令的执行。这位“管家”还可以实现“一心多用”，能同时管理运行几十个任务，并具备从3台互为备份的计算机中发现错误、下达正确指令的“三机容错”功能，真正意义上实现了多台计算机在故障时的无缝切换，为航天员在太空的工作生活提供了有力保障。

　　此外，为了搭建起“太空之家”与航天员之间的智能化沟通桥梁，五院技术人员运用数字化手段，研制出“太空高智能APP”——仪表控制器应用系统，它整合了航天器10多个分系统的所有数据，把复杂、晦涩的专业数据浓缩成为52组画面，实现了在轨海量信息的图形、文字、动画的智能化处理与显示，为航天员执行任务提供了清晰、直观、舒适的显示界面，大大降低了在轨操作的负担和难度。

　　天宫二号、神舟十一号要保持着比子弹速度快8倍的高速毫厘不差地对接在一起，一双犀利而精准的“对接天眼”必不可少。在此次任务中，五院技术人员推出了全新升级的“对接天眼”——光学成像敏感器(CRDS)，与在天宫一号上运用的第一代产品相比，升级版的CRDS产品在太阳杂光抑制能力、识别目标敏感度上有了大幅提升。

　　“在太空中，太阳光的照射强度是地球上的3到5倍，飞行器的‘眼睛’在交会对接时很容易被闪坏。以往交会对接时要选择光线合适的时机，而天宫二号和神舟十一号已经可以实现准全天候实时对接。”五院技术人员龚德铸告诉记者，这一创新将有力支撑航天器在太空进行突发维修补给或航天员应急救生。

　　此外，科研人员还将敏感器首次捕获时间由原来的约10秒提高至不到几百毫秒。“这个时间就好比司机在开车时被强光晃到眼睛之后恢复正常视力的时间，‘眼睛’从看到目标到做出判断的反应时间也大大缩短。”五院敏感器设计师刘启海说，该产品在精度、重量、功耗等关键技术指标方面均超过了国际同类产品水平，将确保交会对接的安全性。

　　人性化“精装修”

　　工作娱乐两不误

　　“与天宫一号‘简单装修’不同，由天宫二号和神舟十一号组成的‘太空之家’是‘精装修’的。”朱枞鹏说，太空中，航天员在神舟飞船内吃饭、生活，在天宫二号内工作、娱乐及锻炼身体，再加上单独的睡眠区、垃圾存放区，组合体的空间被紧凑地分成了多个功能区。其中，航天员在天宫二号工作和生活的空间大约有15立方米。占地较大的供航天员锻炼身体用的“跑台”和工作用的“多功能平台”采用了折叠方式进行收纳，最大程度节省了空间。

　　要舒心，噪音不能有。工作舱内一些需要日夜不停工作的设备会发出噪声，容易使航天员感觉身心疲惫。为了攻克这个弊端，五院技术人员制定出严格的生活区和仪器区噪声控制指标，并采取设备分区安装、增设吸能装置、优化消声装置等方法，把航天员工作区和生活区的噪音控制在了50分贝这一适宜的区间。

　　要宜居，温度要舒服。人体最舒适的体表温度是23℃，相对湿度在50%附近，“太空之家”携带的热控系统通过有组织的对流通风与单机流体回路耦合换热，将密封舱的空气温度控制在22℃至24℃，相对湿度为45%至55%，为航天员长期在轨驻留提供舒适环境。

　　要健康，空气得清新。为了保障空气质量，五院技术人员专门研制了环控检测装置，它可以同时完成“太空之家”内20多种有害气体及有害微生物的浓度监测，当有害物质含量超过预警值时，立即进行报警并指示航天员按照预定方法进行处理。

　　为了使航天员在失重下的太空体会到在地球上的感觉，五院技术人员为“太空之家”漆上了不同的颜色，四周的墙面选择了明亮的米白色，底部选择了深灰色，工作台等面板采用了天蓝色，多层次的颜色划分给航天员清爽的感觉。

　　航天员在太空处于失重状态，行动需要借助踩踏内部结构的反作用力。“太空之家”在内装饰材料上选择了轻量化的硬件材料，有效解决了之前航天员在天宫一号工作时脚下软质内饰“一踩一个坑”的不便。此外，“太空之家”还在多个区域增加了硬质扶手，并贴心地引入了驻留腰带、头戴式无线蓝牙耳麦等人性化设计来解放航天员的双手，让航天员在舱内更轻松自如地开展工作。