方向盘系统部件
名称:神舟十三号安全着落背后的黑科技:中国空间站在轨建造今年完成。
发布时间:2022-07-03 01:18:17 来源:im电竞盘口 作者:im电竞下比赛的网址



说明:

  4月16日,神州十三号返回舱成功在内蒙古东风着陆场着陆~“出差三人组”顺利完成了他们的任务回到地球~从距离地面300多公里的太空穿越大气安全着陆,这也是神舟系列飞船顺利执行的第八次载人飞行任务。作为中国空间站关键技术验证阶段发射的第二艘载人飞船,神舟十三号也是驻留太空时间最久的神舟飞船。在此次飞行任务中,神舟十三号载人飞船实现了多个“首次”。

  在返回过程中,同步点火、惯性导航、3个篮球场大小的降落伞等“黑科技”设备也顺利完成任务,护航神舟十三号航天员乘组平安“回家”。

  着陆反推发动机是神舟十三号飞船上的重要设备, 着陆反推发动机能否成功点火和正常工作,是决定航天员能否安全回家的“最后一棒”,也决定着飞行任务的最终成败。

  “这是我们的发动机在轨时间最长的一次,我们必须确保发动机的高可靠性和高安全性,从而保证飞船返回舱‘走稳’归航路。”谈起与前几次任务的不同时,中国航天科技集团八院动力所项目指挥孙福合表示,从神舟十二号的33天到神舟十三号的183天,超长时间的太空待机将给发动机带来极大的挑战。

  太空环境复杂,着陆反推发动机随返回舱升空后将经历长时间太空绕行、下降返回等多次复杂的环境考验,对发动机的环境适应性要求极高。“虽然我们有着研制着陆反推发动机的深厚基础,对相关的结构也都再熟悉不过,但我们还是给发动机罗列了所有可能会遇到的环境条件,并为其策划了全面的考核试验,以此来确保发动机在运输、装卸、贮存、使用过程中的结构完整性和可靠性。”孙福合说。

  据介绍,为适应在轨飞船的空间环境,设计师们对发动机进行了严格的环境模拟试验;为了确保发动机点火的安全可靠,进行了安全裕度验证试验;为了确保发动机的高可靠性,进行了发动机的高温烤爆试验等。同时,返回舱的着陆过程对于航天员来说也是个不小的挑战。在经历灼烧、黑障、开伞减速等程序后,返回舱仍然以近9米/秒的速度下降。而此时航天员是背朝下方面朝天地坐在返回舱里,如此高的着陆速度将损伤航天员的颈椎。为了确保他们的安全,必须进一步降低冲击。而这一关键的“刹车”过程就由4台反推着陆发动机完成。

  为此,动力所的设计人员设计了一套出色的“刹车”动作:在返回舱距离地面1米时,4台反推着陆发动机必须在 10 毫秒内同时点火,大量燃气的积聚将在燃烧室内形成高压,最终从尾部的喷口中喷出,以反推力来减缓落地速度。

  每台都能在瞬间产生大约3吨的巨大推力,4台一起工作,就有十多吨的推力。这股巨大的反推力有效地抑制了返回舱的下坠势头,大大降低了飞船的下降速度,减轻了航天员着陆过程中受到的过载冲击,提高了返回舱降落过程中最后一个环节的安全性。

  从飞船与空间站分离开始到精准降落在东风着陆场,整个飞行过程都离不开惯性导航设备。据中国航天科技集团九院介绍,航天九院13所研制的光纤惯性测量单元是飞船GNC分系统的关键单机,用于测量飞船的角速度和加速度,通过给出准确测量信息,为宇航员准确返回着陆场提供关键数据信息,助力飞船成功进入返回轨道,确保飞船精准落地。此外,航天九院16所(7171厂)研制的二浮惯性测量单元位于飞船返回舱内,是飞船空间稳定运行和安全返回的关键单机,通过实时测量飞船的运动信息,精确控制飞船的姿态和速度,为飞船稳定运行和安全返回提供可靠保障。

  返回过程中,舱内设备中的控制管理、医学保障、语音通话等都对飞船和航天员至关重要。实现这些功能,离不开航天九院771所研制的数管分系统中央单元、舱载医监设备主机、话音处理组件等单机。

  数管分系统中央单元相当于飞船神经中枢, 通过系统总线,完成对数管分系统及其他分系统设备的控制管理,实现各类数据及指令的存储、控制、处理和转发。舱载医监设备主机是航天员生理信息测量系统的数据处理中心, 相当于临床护士,负责接收航天员的生理健康指标信号,实现医学监督与保障。话音处理组件安装在航天员的通信头戴装置内,配置双麦克、双耳机,为航天员在返回过程中与地面站保持语音联络提供有力保障。

  降落伞产品是神舟飞船回收着陆分系统关键产品,生产过程复杂,关键控制环节多,从加工、包装到装配均为手工操作。此次从天而降的“红白伞”则是由航天科技集团五院508所神舟飞船回收着陆分系统研制团队制作而成。“打开降落伞稳稳落地”是航天员“回家”的最后一道程序。在返回过程中,伞舱盖打开后,先拉出引导伞,再拉出减速伞。减速伞工作数秒以后会和返回舱分离,并拉出主伞,通过主伞,返回舱的落地速度会逐渐降低。

  此次护航神舟十三号的主伞面积达1200平方米,由1900多块伞衣拼接而成,全部展开后可以覆盖3个篮球场,拉直长度近70米,能够横跨足球场,是世界上最大的环帆伞。

  降落伞的加工是神舟飞船研制过程的关键一步。怎样在有限的空间里保证1200平方米主伞的所有尺寸精准到位是最让团队头疼的问题。航天科技集团五院508所降落伞研制中心组长杨霞,主要负责神舟十三号降落伞工艺的编制,以及设计加工工艺流程、细化工序内容,制定生产阶段的产品质量保证控制措施,解决降落伞加工过程中的技术难题。据她介绍,在产品复查环节,该团队成员要从降落伞生产的全流程复查产品每一个零部件加工的一致性状态,要保证 96 根径向带加工后的线迹松紧度一致,确保每一根径向带长度一致,确保产品质量万无一失。

  随着翟志刚、王亚平、叶光富三位航天员顺利返回,神舟十三号载人飞行任务取得成功,标志着中国空间站关键技术验证阶段圆满完成,并将进入建造阶段。

  “自2020年以来,我国成功实施了长征五号B运载火箭首飞,空间站天和核心舱,神舟十二号、神舟十三号载人飞船,天舟二号、天舟三号货运飞船共6次飞行任务,圆满完成了关键技术验证阶段的任务目标。”中国载人航天工程办公室主任郝淳说。郝淳介绍,空间站关键技术验证阶段,我国全面突破了空间站建造的关键技术,包括航天员长期在轨驻留的生活和工作保障技术、再生式环境控制和生命保障技术、机械臂辅助舱段转位技术等,为后续空间站的建设攻克了技术难关。

  “神舟十二号和神舟十三号两个乘组驻留期间,天和核心舱的再生生保系统为航天员提供良好的载人环境,满足航天员在轨的物质代谢需求;大型柔性太阳电池翼及其电源技术,在出舱活动、交会对接、机械臂转位等能源需求较大的任务中提供了充足的能源供给。”中国载人航天工程空间站系统总设计师、中国空间技术研究院研究员杨宏院士说。

  神舟十三号飞行乘组飞行了183天,在轨驻留期间圆满完成了2次出舱活动、2次太空授课,以及40余项在轨实验和试验任务,完成了80余项在轨数据收集和分析工作等,3名航天员在轨飞行期间身体和心理状态良好。“神舟十三号任务的成功实施,进一步验证了我国航天员选拔训练技术的科学有效,同时也表明我国已完全具备了航天员长期飞行驻留保障能力,为后续任务奠定了基础。”中国载人航天工程航天员系统总设计师、中国航天员科研训练中心研究员黄伟芬说。此外,空间站关键技术验证阶段,我国还完善了任务的组织指挥体系,初步建立了有中国特色的载人航天运营管理体系,取得了高水平的空间科学研究成果和显著的综合效益。

  目前,我国正组织对空间站关键技术验证阶段的全系统综合评估,满足要求后全面转入空间站建造阶段。“2022年,我们将完成中国空间站的在轨建造,共计划实施6次飞行任务。”郝淳说。根据任务安排,5月发射天舟四号货运飞船,6月发射神舟十四号载人飞船,7月发射空间站问天实验舱,10月发射空间站梦天实验舱,空间站的三个舱段将形成“T”字基本构型,完成中国空间站的在轨建造。之后还将实施天舟五号货运飞船和神舟十五号载人飞船发射任务。

  据介绍,神舟十四号和神舟十五号两个乘组均由三名航天员组成,都将在轨飞行6个月,并将首次实现在轨乘组轮换,实现不间断有人驻留。两个乘组6名航天员将共同在轨驻留5至10天。“按照空间站建造阶段的任务安排,执行2次载人飞行任务的航天员乘组已经选定。目前,神舟十四号和神舟十五号飞行乘组的身心状态非常好,正在积极开展相关的训练和任务准备。”黄伟芬说。

  “空间站建造完成后,两个实验舱将是航天员在轨主要的工作场所,在两个实验舱里都可以开展密封舱内和密封舱外的空间科学实验和技术试验,可以开展空间科学、空间材料、空间医学以及空间探测等多个领域的试验。”杨宏说,目前,问天实验舱和梦天实验舱在地面的研制进展顺利。

  “今年完成空间站在轨建造以后,工程将转入为期10年以上的应用与发展阶段。初步计划是每年发射两艘载人飞船和两艘货运飞船。航天员要长期在轨驻留,开展空间科学实验和技术试验,并对空间站进行照料和维护。”郝淳说。为进一步提升工程的综合能力和技术水平,我国还将研制新一代载人运载火箭和新一代载人飞船。其中,新一代载人运载火箭和新一代载人飞船的返回舱都可以实现重复使用;新一代载人飞船综合能力也将得到大幅提升,可以搭载7名航天员。另外,还将开展更大规模的空间研究实验和新技术试验。

  载人航天工程是一项‘既高大上,又要接地气’的伟大事业。”郝淳说,载人航天工程在实现自身发展的同时,又可以带动相关产业升级,推动经济社会发展,与国计民生密切关联。

  据介绍,载人航天是系统最复杂、科技最密集、创新最活跃的科技活动。科技成果不断涌现的同时,会被应用到与国计民生相关的各个领域。中国载人航天工程发展30年来,初步统计有4000余项技术成果被广泛应用于国民经济的各个行业。“未来,中国空间站还将开展空间生命科学、空间材料科学、航天医学等一大批科学实验和新技术验证,有望在科学探索和应用研究上取得重大成果和突破。同时,这些技术会被更多地进行转化,服务于社会经济发展和国计民生。”郝淳说。

  在航空航天领域,3D打印正在进入产业化生产。通过3D打印(粉末床熔融技术)一体化高度复杂零件以及通过3D打印(定向能量沉积技术)替代锻造,成为航空企业又一轮的技术竞赛。

  仿生结构带来了材料使用率和力学性能的良好结合,这正是增材制造的价值所在,也是3D打印技术会走进航空制造业的重要原因。仿生”机舱隔离结构的亮点在于其仿生学设计,设计灵感来源于细胞结构,这种结构特别适合应用于有着高强度、低质量要求的航空零件。整个隔离结构是模块化的设计,3D打印部件像“拼图”一样连接在一起。这样的设计不仅最大限度地减少材料的使用,而且具有高韧性的特点,其中一个或多个节点断裂的时候,并不影响整个网络的稳固性。3D打印的仿生隔离结构比原来的结构轻了大约25kg,这一看似微不足道的数字,如果从每架飞机的整个服役周期来计算的话,将累计减少的二氧化碳排放量将高达9.6万吨。

  飞机上的小零件每减轻一点质量就会使飞机节省大量的燃油消耗。以一架起飞重量达65吨的波音737飞机为例,如果机身减轻一磅(45g)的质量,每年将节省数十万美元燃油成本。实现飞机减重的常见方式是使用质量更轻、性能更强的先进材料来替代现有材料。GE公司就曾通过拓扑优化设计和金属3D打印技术设计了一个轻量化的钛合金飞机发动机支架。通过对3D打印的零部件进行力学测试,在实现零件减重70%的前提下,3D打印的钛合金支架满足GE的零件负载要求。

  在传统铸造工艺中,大尺寸和薄壁结构铸件的制造一直存在难以突破的技术壁垒。由于冷却速度不同,在铸造薄壁结构金属零件时,会出现难以完成铸造或者铸造后应力过大、零件变形的情况。使用选区激光熔融3D打印技术进行制造,通过激光光斑对金属粉末逐点熔化,在局部结构得到良好控制的情况下能保证零件整体性能。

  激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响。涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件可以通过表面激光熔覆强化得到修复。而除了激光熔覆技术,冷喷增材制造技术正在引起再制造领域的注意。其中,GE就通过向飞机发动机叶片表面以超音速的速度从喷嘴中喷射微小的金属颗粒,为叶片受损部位添加新材料而不改变其性能。除了不需要焊接或机加就能制造全新零件,冷喷技术令人兴奋之处在于它能够将修复材料与零件融为一体,恢复零件原有的功能和属性。

  据业内人士分析,3D打印已经成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术,随着 3D打印前沿技术的规模化应用,传统航空航天设备的制造工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。未来,3D打印在航空航天领域的应用前景令人期待。

  3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术,对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱(增材制造保护手套箱)针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的:3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种,每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同,为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。

  金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱,提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统,可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内,该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环,氩气在该闭环内循环,系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标,氧含量达到小于1PPM指标,实现超高纯工作气氛的环境,加工的产品可直接应用,减少再处理环节,是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。

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