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航天科技集團攻克交會對接機構(gòu)系統(tǒng)重重難關(guān)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-21     來源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):111
核心提示:
神舟九號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器在太空“相吻”的瞬間,是首次載人交會對接任務(wù)中最受人們關(guān)注的一刻,中國載人航天發(fā)展史必定會銘刻這一輝煌瞬間。為了讓那一瞬完美無缺,航天科技工作者花費了16年的時間。16年篳路藍縷,航天人從零開始,以堅忍不拔的精神攻堅克難,以無私奉獻的精神甘于寂寞、執(zhí)著向前。

  技術(shù)難——只有3個國家掌握的技術(shù)

  前蘇聯(lián)與美國是最早掌握交會對接技術(shù)的國家。由于這項技術(shù)難度非常大,這兩個國家在實施交會對接過程中都曾出現(xiàn)過故障。

  上世紀(jì)60年代末,美國在太空最早實現(xiàn)了交會對接。但當(dāng)時的對接只在兩個飛行器之間進行,并沒有形成安全通道。聯(lián)盟號飛船在與禮炮一號空間站完成空間對接后,由于對接機構(gòu)出現(xiàn)問題,還出現(xiàn)過航天員沒能進入空間站的情況。

  直到前蘇聯(lián)在太空建立和平號空間站時,交會對接技術(shù)才日臻成熟。至今,俄羅斯已在太空完成了數(shù)百次的交會對接。美國雖已掌握該項技術(shù),但航天飛機的對接機構(gòu)都是向俄羅斯采購的,而歐空局的對接機構(gòu)也都是由俄羅斯生產(chǎn)的。

  2011年11月3日,隨著神舟八號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器在太空中成功實現(xiàn)交會對接,我國成為繼俄、美之后第三個完全獨立掌握交會對接技術(shù)的國家,并闊步邁向空間站時代。這一成就的取得非常不易,航天科技工作者為此付出了大量的心血。

  加工難——不為人知的攻關(guān)歲月

  “解決了動力學(xué)參數(shù)設(shè)計問題只是解決了設(shè)計方案可不可行的問題。當(dāng)時,我們對項目后續(xù)進展還是很樂觀的,卻不知真正的考驗才剛剛開始。”回憶起當(dāng)時的情景,張崇峰介紹說,“要把幾百個齒輪裝配好,協(xié)調(diào)匹配的工作難度非常大,大量的機構(gòu)設(shè)計工作又開始了。”

  交會對接時,要在一兩秒鐘之內(nèi),完成幾百個齒輪與軸承一連串的捕獲動作,還要在十幾秒內(nèi)完成緩沖等動作,對接機構(gòu)必須非常靈活。為了一氣呵成完成交會對接動作,研制人員下了極大的工夫,并攻克了10個關(guān)鍵技術(shù),其中包括接觸、捕獲、緩沖、拉緊、密封連接及分離等機構(gòu)。研制人員從小部件、小單機開始做起,再串成整體系統(tǒng),進行試驗驗證。

  當(dāng)時,805所一批從事傳動設(shè)計的老設(shè)計人員起到了關(guān)鍵作用。一位叫楊耀明的老設(shè)計師曾做過一項統(tǒng)計,設(shè)計交會對接機構(gòu)半年所畫的圖紙是其過去20年的總和,可見這些傳動設(shè)計領(lǐng)域老專家們的工作量之大、付出的心血之多。

  剛開始時,研制人員希望把對接機構(gòu)做得非常精確,但在試驗過程中卻發(fā)現(xiàn),機構(gòu)的靈活性以及能夠順利完成對接才是最重要的,零部件的精度要求反而是第二位的。從理論設(shè)計到試驗,再根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整設(shè)計方案,這樣的循環(huán)過程經(jīng)歷了不知多少次,在實踐過程中,設(shè)計思路、設(shè)計規(guī)范也在不斷調(diào)整。

  由于參與對接機構(gòu)研制的廠家眾多,研制人員需要把航天嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求傳遞給合作單位。一家航空企業(yè)生產(chǎn)的傳感器產(chǎn)品,其質(zhì)量滿足國軍標(biāo)要求。但在測試過程中,細(xì)心的測試人員卻發(fā)現(xiàn),一個信號有跳動的現(xiàn)象。為此,航天技術(shù)人員與這家航空企業(yè)共同查找原因,并修改了操作工藝,經(jīng)過反復(fù)測試,終于滿足了設(shè)計要求。那家航空企業(yè)表示,與航天企業(yè)合作,也促進了其自身技術(shù)水平的提高。

  論證難——從一張白紙開始

  交會對接機構(gòu)由捕獲緩沖、連接分離、控制和控溫四個子系統(tǒng)組成,包括118個傳感器、5個控制器、上千個齒輪軸承、18個電機和電磁拖動機構(gòu)、數(shù)以萬計的零件和緊固件,在其內(nèi)部,更是有數(shù)百條導(dǎo)線縱橫密布。要使這么多零部件協(xié)調(diào)一致,這么多導(dǎo)線不出現(xiàn)任何差錯,真是難上加難。

  回憶起研制交會對接機構(gòu)最初的攻關(guān)歷程,載人航天工程空間實驗室系統(tǒng)副總設(shè)計師張崇峰有很多感慨。他介紹,我國載人航天工程獲得國家立項后,上級有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)希望中國航天科技集團公司及早開展交會對接機構(gòu)的立項與研究工作。

  當(dāng)時,張崇峰還是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一名教師,在俄羅斯進修時,他曾專門進行過交會對接項目的研究。不久,八院與哈工大聯(lián)手合作,共同開展研制工作。受這項工程的吸引,張崇峰調(diào)入805所,組建了一支7人研制團隊,正式開始了交會對接方案的論證工作。最初的研制資金都是由研究所自籌的,如果方案不能通過,前期的努力與付出將付之東流。

  “方案論證是從一張白紙開始的。當(dāng)時,交會對接的核心技術(shù)在國外是被封鎖的。我們僅僅靠很少的信息,以及到俄羅斯參觀獲得的感性了解,還有克服困難的信心與決心,開始了方案論證工作。”張崇峰介紹。

  在方案論證階段,張崇峰主筆完成了方案第一稿。時任八院副院長施金苗多次召集大家進行方案討論。他一頁一頁地進行講解,耐心地向研制人員闡述怎樣考慮問題、怎樣修改方案。結(jié)合他的修改意見,研制人員又花費了幾個月的時間,重新修改了方案。功夫不負(fù)有心人,經(jīng)過不斷修改與完善,最終,交會對接研制方案順利通過了評審與復(fù)審。

  設(shè)計難——16年的寂寞與平凡

  都說十年磨一劍。研制初期,研制人員經(jīng)過測算,計劃用10年的時間完成交會對接系統(tǒng)的研制工作,但受方案多次更改等原因的影響,最終完成這一任務(wù)用了16年。在這16年里,神舟飛船發(fā)射了7次。當(dāng)載人航天工程其他分系統(tǒng)的研制人員已多次為成功而慶賀,不少人喜獲嘉獎并獲得職位提升時,交會對接系統(tǒng)的研制團隊卻仍然默默無聞地攀登著一座座技術(shù)高峰。

  交會對接研制過程中,首先遇到的難題是動力學(xué)設(shè)計。別看神舟飛船與天宮一號實施交會對接時只是瞬間的一碰,但其技術(shù)難度之大卻超乎想象。如果用力過大就會“追尾”,用力過小就會對接不上。為此,研制團隊首先要建立動力學(xué)模型,完成整套動力學(xué)參數(shù)設(shè)計;之后,再根據(jù)動力學(xué)參數(shù),生產(chǎn)出由齒輪、彈簧等零部件組成的龐大的傳動系統(tǒng);同時,還要做各種試驗,驗證這套系統(tǒng)在高低溫、輻射等模擬太空條件下,能否正常而可靠地工作。雖然困難重重,但大家都懷著樂觀的心態(tài)攻堅克難。

  動力學(xué)設(shè)計一開始就遇到不少困難,比如,零部件該選用什么樣的材料、什么樣的強度才能滿足要求等等。研制初期,很多零部件在國內(nèi)連標(biāo)準(zhǔn)都沒有,也沒有相關(guān)資料可供借鑒,完全靠研制團隊自己去摸索并制定標(biāo)準(zhǔn),再通過計算和大量的地面試驗,從不同方案中對比驗證。那些年,研制人員真是吃了不少的苦。

  設(shè)計方案完成后,首先需要進行仿真驗證,而新的困難又來了。上世紀(jì)90年代,我國的仿真技術(shù)剛剛起步,研制人員曾花費大量精力進行數(shù)學(xué)仿真,并建立了虛擬樣機,反復(fù)修改模型與參數(shù),模擬交會對接的全過程。

  為確保數(shù)據(jù)的可靠性,研制團隊還與哈工大、上海交大等高校及一些科研單位分別進行計算仿真模擬,并相互進行對比?上驳氖,多家單位得出的仿真結(jié)果高度一致,這使大家對后續(xù)工作的開展充滿了信心。

  對接機構(gòu)之所以在太空表現(xiàn)出色,最初的高質(zhì)量設(shè)計為后續(xù)工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。研制初期,已是80歲高齡的陸元九院士親自為動力學(xué)設(shè)計把脈,還多次從北京趕赴上海,與技術(shù)人員共同討論設(shè)計方案。像他這樣關(guān)心并協(xié)助對接機構(gòu)研制的老專家還有很多。

  試驗難——用泰山石打造的試驗平臺

  有這么一組數(shù)據(jù),為了驗證對接機構(gòu)的可靠性,研制人員在地面上開展了1101次對接試驗和647次分離試驗。天宮一號與神舟飛船能夠順利完成交會對接,為對接機構(gòu)配套服務(wù)的大型地面試驗同樣功不可沒。

  在805所大型試驗場內(nèi),有多種試驗手段來驗證對接機構(gòu)的各項性能指標(biāo),而設(shè)計各項試驗的難度絕不亞于設(shè)計對接機構(gòu)產(chǎn)品的難度。由于難以同時模擬失重、六自由度、高低溫變化、真空等空間環(huán)境,研制人員把試驗分成幾部分進行,包括模擬失重狀態(tài)再加上高低溫變化的對接與分離試驗以及熱真空試驗等,之后再把各項試驗數(shù)據(jù)進行綜合對比分析,驗證對接機構(gòu)的整體性能。

  空間模擬飛行器失重試驗是其中的大型試驗之一。走進大型試驗場,可以用震撼來形容。對接緩沖試驗臺有兩個長方形大型試驗平臺,每個平臺重達8噸,都是用泰山的巨石做成的。

  為了研制生產(chǎn)出緩沖試驗平臺,研制人員四處奔波。經(jīng)過反復(fù)比較,發(fā)現(xiàn)泰山石對外界的溫度、濕度變化不敏感,對試驗臺測量數(shù)據(jù)的干擾比較小,最終選定用泰山石作為試驗平臺。

  采石過程非常不容易,最初從泰山上采集的原石重達200噸,用拖拉機從泰山拖下來,再運到青島的一家加工廠加工。由于平臺的加工精度要求非常高,當(dāng)時的機械加工手段難以滿足精度要求。最終,試驗平臺是靠工人師傅們用手工打磨的方式一點點磨出來了。

  第一次在試驗臺上做氣浮試驗時,大家心里都沒有底,研制人員特意準(zhǔn)備了3套參數(shù)。試驗時,對接機構(gòu)成功懸浮在試驗臺上,模仿空間失重狀態(tài),由于前期準(zhǔn)備充足,試驗進行得非常順利,成功實施了交會對接。據(jù)介紹,俄羅斯早期試驗臺是懸掛式,與805所的氣浮式相比,試驗效果遠(yuǎn)沒有該所的好。

  模擬高低溫下六自由度的對接機構(gòu)綜合試驗臺也非常復(fù)雜,研制人員曾想從俄羅斯直接購買。當(dāng)年,俄方認(rèn)為,建成試驗臺需要用3年的時間,而完全建成再調(diào)試好則要花10年的時間。這么長的研制周期顯然不能滿足交會對接任務(wù)進度的要求。

  最終,八院下定決心,自己研制綜合試驗臺。面對各種挑戰(zhàn),技術(shù)人員冒著風(fēng)險開始了艱難的自行研制過程。當(dāng)時,805所牽頭,并聯(lián)合了哈工大、浙江大學(xué)、上海交大以及華東所等一批單位一起進行攻關(guān),設(shè)計方案非常細(xì)致。同時,大型的部件由上海重型機床廠加工完成。

  綜合試驗臺建成后,俄羅斯專家曾專門前去參觀,他們非常羨慕我方的試驗?zāi)芰,在現(xiàn)場翹起了大拇指,稱贊這是當(dāng)今世界上水平最高的綜合試驗臺。

  雖然天宮一號與神舟九號自動交會對接獲得了成功,但這只是剛剛走完第一步。航天的研制人員正在開展多種攻關(guān),使對接機構(gòu)更加穩(wěn)定、可靠,以滿足空間站的發(fā)展需要。

  如今已有人提出,研制可與衛(wèi)星對接的機構(gòu),完成諸如空間衛(wèi)星維修、維護、補加燃料、更換失效部件等任務(wù),而這將是航天發(fā)展進程中又一革命性的進步。美國在NASA的一份報告中顯示,未來20年~25年,交會對接技術(shù)將是其密切關(guān)注的一個技術(shù)發(fā)展方向。因此,交會對接的發(fā)展之路依然漫長,發(fā)展前景依然廣闊。 
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