乘坐更舒適 對(duì)接更從容 測控更精準(zhǔn)

硬核科技護(hù)神舟

　　10月16日凌晨0時(shí)23分，一道耀眼的金光劃過大漠月色，翟志剛、王亞平和葉光富三名航天員搭乘神舟十三號(hào)飛船，在長征二號(hào)F遙十三運(yùn)載火箭(下文稱“長二F火箭”)的助推下駛向星海，入住“天宮”。

　　從火箭發(fā)射到飛船成功對(duì)接核心艙，再到航天員順利進(jìn)駐，神舟十三號(hào)如何過關(guān)斬將？背后都有哪些“功臣”為它保駕護(hù)航？記者帶您一起了解那些護(hù)航神舟飛天路的硬核科技——

1 從顛簸震動(dòng)到舒適加倍，航天員火箭“專列”再升級(jí)

　　神舟十三號(hào)發(fā)射升空，伴隨著巨大的火箭尾焰和轟鳴聲，我們從直播畫面中看到，三位航天員的神情似乎與在地面無異，也沒有明顯的搖晃。

　　與之形成鮮明對(duì)比，在神舟五號(hào)載人飛行任務(wù)中，當(dāng)火箭飛行到三四十公里高度時(shí)，火箭和飛船發(fā)生了急劇抖動(dòng)，產(chǎn)生共振，讓楊利偉承受了極大的不適。后來，楊利偉在《太空一日》中回憶了那“難以承受的”26秒：“痛苦的感覺越來越強(qiáng)烈，五臟六腑似乎都要碎了。我?guī)缀蹼y以承受，覺得自己快不行了。”

　　“這個(gè)讓人很不舒服的共振曾是一個(gè)世界級(jí)航天發(fā)射難題。”中國航天科技集團(tuán)一院長二F火箭總體主任設(shè)計(jì)師常武權(quán)告訴記者，早在20世紀(jì)60年代，美國發(fā)射大力神火箭過程中，就出現(xiàn)過持續(xù)30秒的振動(dòng)；法國火箭也曾出現(xiàn)過類似問題，影響了搭載衛(wèi)星的壽命。

　　如何讓這26秒不再“難以承受”？試驗(yàn)人員經(jīng)過測算分析，認(rèn)為“病根”可能出在氧化劑上：當(dāng)氧化劑中燃料的振動(dòng)頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率接近時(shí)，很可能發(fā)生結(jié)構(gòu)與液體耦合的發(fā)散振動(dòng)。經(jīng)過試驗(yàn)分析，結(jié)論印證了此前的推測：問題出在火箭的POGO振動(dòng)(縱向耦合振動(dòng))。

　　找到問題根源后，長二F火箭研制團(tuán)隊(duì)著手改進(jìn)火箭性能。首先，研制人員通過減少火箭助推器蓄壓器上的膜盒，減小振動(dòng)量級(jí)和時(shí)間，但振動(dòng)問題仍未完全解決；研制團(tuán)隊(duì)再次優(yōu)化設(shè)計(jì)，將助推器蓄壓器改為變能量蓄壓器。這個(gè)裝置能夠吸收燃料振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，改變?nèi)剂系恼駝?dòng)頻率。燃料的振動(dòng)頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率不再接近，火箭因此就不會(huì)產(chǎn)生POGO振動(dòng)。

　　作為航天員“專列”，安全性能無疑是第一位的。長二F火箭是我國第一枚有明確0.997安全性指標(biāo)要求的運(yùn)載火箭。安全性指標(biāo)，表示火箭出現(xiàn)故障時(shí)還能保障航天員安全返回的條件概率；0.997安全性指標(biāo)，即假設(shè)發(fā)射出現(xiàn)1000次故障，所采取的救助措施中，僅允許3次不成功。

　　在追求安全性的道路上，火箭研制團(tuán)隊(duì)沒有止步。進(jìn)入空間站任務(wù)階段，長二F火箭共進(jìn)行了100多項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)更改，其中有70余項(xiàng)與可靠性提升相關(guān)。這些改進(jìn)不涉及重大技術(shù)狀態(tài)變化，主要目的是消除薄弱環(huán)節(jié)。比如，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火失效風(fēng)險(xiǎn)，將主機(jī)傳火孔直徑從4毫米改為6毫米，進(jìn)一步提升點(diǎn)火可靠性；根據(jù)位置不同，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)游機(jī)推力室噴注口提出更加精細(xì)的角度設(shè)計(jì)要求，使推進(jìn)劑能更加充分地融合和燃燒，為火箭提供強(qiáng)勁動(dòng)力。

　　與其他型號(hào)火箭不同，長二F火箭頂部有一根瘦長的“避雷針”——逃逸系統(tǒng)。假如火箭突發(fā)意外情況，逃逸飛行器會(huì)像“拔蘿卜”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。但開傘過程中，返回艙會(huì)受到地面低空風(fēng)的極大影響。

　　此前，逃逸飛行器只能往一個(gè)固定的方向逃逸，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。“如果逃逸飛行器只能向東逃逸，正好這時(shí)地面吹來一股向西的風(fēng)，這樣，返回艙處于開傘狀態(tài)時(shí)，很可能又被吹回到故障火箭附近，航天員就會(huì)陷入危險(xiǎn)。”長二F火箭副總師劉烽說。

　　為確保航天員安全，研制人員對(duì)長二F火箭逃逸安控體制進(jìn)行改進(jìn)，提高了保密安全性能和抗干擾性能。研制人員在現(xiàn)有控制逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，新增發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火功能，使逃逸飛行器可以向垂直于地面風(fēng)的方向逃逸，更加安全、靈活。“比如，地面刮的是南、北風(fēng)，現(xiàn)在逃逸能力提升了，可以提前選擇與南、北風(fēng)垂直的方向逃逸，避開地面風(fēng)。”常武權(quán)說。

　　逃逸系統(tǒng)改進(jìn)后，長二F火箭的安全性指標(biāo)評(píng)估值達(dá)到0.99996的國際先進(jìn)水平。即發(fā)射十萬次，才會(huì)有4次逃逸失敗。

2 神舟首次徑向停靠空間站，技術(shù)革新讓對(duì)接更準(zhǔn)更穩(wěn)

　　10月16日6時(shí)56分，神舟十三號(hào)載人飛船采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式成功對(duì)接于天和核心艙徑向端口，與此前已對(duì)接的天舟二號(hào)、天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船一起構(gòu)成四艙(船)組合體，整個(gè)交會(huì)對(duì)接過程歷時(shí)約6.5小時(shí)。

　　自神舟八號(hào)到神舟十二號(hào)，5艘飛船都是軸向(前向、后向)對(duì)接。這次是神舟飛船首次徑向停靠空間站，即飛船與核心艙徑向?qū)涌谶M(jìn)行對(duì)接。對(duì)接時(shí)，核心艙和飛船呈垂直狀態(tài)。

　　為何神舟飛船要和空間站進(jìn)行徑向交會(huì)對(duì)接？“因?yàn)楹笃谝M(jìn)行航天員乘組輪換，同時(shí)有兩艘飛船對(duì)接空間站，徑向交會(huì)對(duì)接能提高進(jìn)駐空間站的通道和手段。”北京航天飛行控制中心空間站任務(wù)總師孫軍表示，神舟飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)和敏感器，都是專門為全方位與空間站對(duì)接而設(shè)計(jì)，也只有神舟飛船能和空間站進(jìn)行徑向交會(huì)對(duì)接。

　　徑向與軸向呈垂直夾角，方向變了90度，對(duì)接難度大大增加。中國航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部飛船型號(hào)系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師高旭告訴記者，徑向交會(huì)對(duì)接有“三難”，這也讓此次太空“華爾茲”更加扣人心弦。

　　難在持續(xù)控制姿態(tài)和軌道。前向、后向交會(huì)對(duì)接時(shí)，飛船有一個(gè)200米保持點(diǎn)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，飛船也能較長時(shí)間保持穩(wěn)定的姿態(tài)和軌道。徑向交會(huì)沒有穩(wěn)定的中途停泊點(diǎn)，需要持續(xù)控制飛船姿態(tài)和軌道，推進(jìn)劑消耗大，故障處置難。

　　難在確定姿態(tài)和相對(duì)位置。飛船配有敏感器，如同飛船的眼睛。由于徑向交會(huì)過程中，飛船要進(jìn)行由平飛轉(zhuǎn)豎飛等大范圍的姿態(tài)機(jī)動(dòng)，所以對(duì)“眼睛”識(shí)別目標(biāo)和不被復(fù)雜光照變化干擾提出了更高要求。

　　難在航天員手控交會(huì)模式。徑向交會(huì)對(duì)接過程中，地球這個(gè)最熟悉的參照基準(zhǔn)基本失效，測控條件變差，且相對(duì)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性與前向、后向交會(huì)不同，這給手控交會(huì)模式下航天員的操作增加了難度。

　　首次徑向交會(huì)對(duì)接順利實(shí)施，離不開中國航天科技集團(tuán)五院神舟飛船研制團(tuán)隊(duì)數(shù)年的技術(shù)攻關(guān)和地面實(shí)驗(yàn)。為適應(yīng)空間站組合體不同構(gòu)型及來訪航天器不同?？繝顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)與空間站前向、后向、徑向交會(huì)對(duì)接和分離，研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新的交會(huì)路徑和繞飛模式，增加了繞飛、快速交會(huì)對(duì)接、徑向交會(huì)對(duì)接各項(xiàng)功能。

　　徑向交會(huì)對(duì)接的復(fù)雜場景，也對(duì)微波雷達(dá)提出了更高要求。“微波雷達(dá)作為中遠(yuǎn)距離測量手段，在交會(huì)對(duì)接過程中，當(dāng)飛船與核心艙相距約90公里時(shí)，微波雷達(dá)開始工作，提供兩個(gè)航天器間的精確測距、測速等信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離捕獲、穩(wěn)定跟蹤、精準(zhǔn)測量。”據(jù)中國航天科工集團(tuán)二院25所交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)主任設(shè)計(jì)師姚元福介紹，神舟十三號(hào)上安裝的是微波雷達(dá)二代產(chǎn)品，體積小、重量輕、功耗低，除了具備基本的高精度測量功能，還具有通信功能，能夠根據(jù)切換指令與不同應(yīng)答機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了核心艙多對(duì)接口對(duì)接。

　　微波雷達(dá)的測量精度有多精？研制人員打過一個(gè)有趣的比方：類似于從北京識(shí)別出石家莊的一張A4紙。那高精度測量是如何實(shí)現(xiàn)的？“微波雷達(dá)采用偽碼測距、多普勒測速、干涉儀測角等原理實(shí)現(xiàn)兩器之間相對(duì)距離、速度、角度的高精度測量。”姚元福說。

　　據(jù)了解，徑向交會(huì)和前向交會(huì)都是中國空間站載人飛船正常的交會(huì)方式，會(huì)在未來空間站載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)中交替使用。

3 USB測控網(wǎng)陸、海、天基全面覆蓋，航天測控通信性能更強(qiáng)

　　“光學(xué)跟蹤正常”“USB雷達(dá)跟蹤正常”“遙測信號(hào)正常”……火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心騰空而起，幾十秒后，指揮大廳內(nèi)工作人員發(fā)出的各項(xiàng)“正常”口令回蕩在發(fā)射場夜空。

　　能聽到令人安心的“正常”，USB測控網(wǎng)(統(tǒng)一S波段測控網(wǎng))功不可沒，它包括眾多測控站和部署在大洋上的“遠(yuǎn)望號(hào)”測控船等，能實(shí)時(shí)測控火箭和飛船飛行狀態(tài)。

　　在載人航天任務(wù)中，西安衛(wèi)星測控中心作為軌道計(jì)算備份中心，與北京航天飛行控制中心共同負(fù)責(zé)對(duì)航天器發(fā)射入軌、在軌運(yùn)行、返回再入等階段進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤監(jiān)視與計(jì)算分析。

　　“從載人航天工程上馬以來，經(jīng)過近30年的探索與實(shí)踐，我國已建成陸、海、天基全面覆蓋的USB測控網(wǎng)。”西安衛(wèi)星測控中心工程師張卓告訴記者，測控網(wǎng)在頻段和體制上與國際兼容，集測軌、遙測、遙控、語音、電視等功能于一體，綜合了測控和天地通信功能，是飛船升空后與地面聯(lián)系的唯一信息線。

　　此次徑向交會(huì)對(duì)接整個(gè)過程都是在制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)指揮下，由飛船智能自主完成。

　　“在快速自主交會(huì)對(duì)接過程中，地面基本不需要干預(yù)控制，主要靠天鏈中繼衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測控。”張卓說，陸基USB測控設(shè)備整體性能相對(duì)更加穩(wěn)定，在太空各種情況都未知的情況下，通過與中繼衛(wèi)星互為補(bǔ)充，組成天地一體測控網(wǎng)，共同護(hù)航航天員的太空之旅。

　　據(jù)北京航天飛行控制中心神舟十三號(hào)任務(wù)總工程師謝劍鋒介紹，面對(duì)對(duì)接方式新、在軌時(shí)間長、處置要求高等難點(diǎn)，任務(wù)團(tuán)隊(duì)攻克了大量技術(shù)難關(guān)。

　　徑向交會(huì)對(duì)接期間，空間站組合體和飛船大幅度姿態(tài)調(diào)整，影響中繼測控和飛船能源，給測控支持模式和飛行程序安排帶來變化，地面監(jiān)視判斷和應(yīng)急處置難度由此增加。任務(wù)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，細(xì)化決策判據(jù)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了以空空代傳為主的測控模式和并網(wǎng)供電模式，克服了通信和供電難題，交會(huì)對(duì)接安全性大幅提高。

　　“為確保應(yīng)急故障及時(shí)有效處置，我們針對(duì)神舟十三號(hào)任務(wù)設(shè)計(jì)了400多個(gè)故障預(yù)案，組合體相關(guān)預(yù)案高達(dá)2500個(gè)，最緊急時(shí)，15秒內(nèi)就必須完成發(fā)令處置。”孫軍說。

　　聲表濾波器，是一種用于濾除高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號(hào)以及各類寄生雜波等干擾信號(hào)的設(shè)備，保障飛船通信清晰傳回地面。由中國航天科工集團(tuán)二院23所微電公司研制的聲表濾波器，為神舟十三號(hào)飛船關(guān)鍵部位提供通信保障服務(wù)。

　　使用環(huán)境不同，聲表器件經(jīng)受的環(huán)境要求差別很大。比如，在火箭發(fā)射階段，器件承受巨大的加速度，聲表濾波器需在劇烈的振動(dòng)和沖擊下正常工作；到了在軌飛行階段，器件在失重環(huán)境下工作，外殼內(nèi)外壓力相差很大，產(chǎn)品要能在強(qiáng)輻射、高壓力下保持正常的形狀和功能。

　　考慮到這些特殊需求，研制人員在器件研制過程中，按照不同使用環(huán)境，分別做好產(chǎn)品應(yīng)力設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)和防輻射設(shè)計(jì)，保證器件在極端環(huán)境下正常工作，通信清晰可靠。

　　中國紀(jì)檢監(jiān)察報(bào)記者 柴雅欣 自東風(fēng)航天城報(bào)道