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天舟一號太空優質“快遞”靠哪四大秘籍?

2017-4-21 01:34:57

來源:北京晨報 選稿:費一妍

  原標題:太空優質快遞全靠四大秘籍

圖片説明:太空貨包不簡單特殊材料抗菌又防霉

  雖然天舟一號這位太空“快遞小哥”和天宮空間實驗室的外形酷似,但裝載能力卻超強,説它是專業的“運貨員”一點也不誇張。隨著這位太空“快遞員”走向太空,天舟一號的科研單位也一一揭開了它的運貨“秘籍”。

  秘籍一 天舟“運貨”能力是天宮一號2倍

  外觀上看天舟一號貨運飛船的構造類似于天宮一號目標飛行器,都是由大直徑的貨物艙和小直徑的推進艙組成,貨物艙用於裝載貨物,推進艙為整個飛船提供電力和動力及裝載補加推進劑。其實,天舟一號內部大有玄機,作為太空快遞的大力士,天舟一號搭載的貨物超過6噸,接近天宮一號載荷能力的2倍,高於俄羅斯研製的進步號M型和美國的天鵝座飛船擴展型。根據公開的數據,天舟一號的載貨能力同樣高於日本和歐洲的貨運飛船。

  秘籍二 蜂窩板、碳纖維立梁搭建太空貨架

  對天舟一號實現的大承載,內部採用的高效承載貨架設計功不可沒。這貨架的細節和構型大有講究。

  貨架採用一種基於蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構,形成大量的標準裝貨單元,傳力效果好,結構與貨物重量比達8%。同時,採用適用於蜂窩板的預埋封邊梁方法,巧妙地消除蜂窩板結構銳邊,既避免劃傷人手,又解決了邊緣薄弱、易破壞的問題。

  設計師還精心設計了一種大承載輕量化預埋結構,既能適應傳統剛性結構安裝,又能適應柔性束縛帶的連接承載,經過測試,三個這種預埋結構就可以承載一台豪華轎車。此外,大承載貨架結構與密封艙主結構的連接環節也是結構設計一大亮點,碳纖維結合鋁合金的設計,避免了在軌環境下內壓載荷對結構造成的破壞。

  秘籍三 100多個貨包確保貨運物資完好

  由於天舟一號運送的物資中有許多精密儀器設備和航太員用品,裝載物資的貨包必須具備保護功能。據介紹,新研製的高科技貨包外觀呈清新的乳黃色,採用新型抗菌防潮防霉布料,可確保貨物在貨包中存放一年。此外,針對不同體積、形狀的貨物,還進行了定制化和系列化設計。

  為避免貨物直接與貨架結構相連接,貨包裏面還有一層新研製的防火防潮且防震的泡沫或氣囊袋,再一起固定在貨架上。這種“貼心”的“軟包裝”設計為裝載對象提供了柔軟、高阻尼、分佈式的系統支撐。

  100多個大小不一的貨包,確保天舟一號的貨運物資完好地運送到天宮二號。

  秘籍四 為送更多太空貨天舟成功“減肥”

  這次天舟一號給天宮二號送去的貨物中,不僅有各种太空實驗設備,還有許多維持天宮二號運行的補給。但運載火箭的運載能力是固定的,如果想運更多的貨物,天舟一號這輛太空“快遞車”就必須在保證自己足夠強壯的同時,盡可能再不斷減肥,把省下來的體重替換成更多的貨物。按照國際上的標準測算,運送1千克的貨物上太空,成本少則幾萬美元,多則幾十萬美元,因此“減肥”還有著巨大的經濟效益。

  健身的人都知道,腰部贅肉是最難減下去的。天舟的腰部是一個個連接框,為了將身軀牢固連接,連接框往往都很厚實。中國航太科技集團五院的“教練”為它制定的健身第一步就是“減腰部贅肉”。天舟的連接框設計成鏤空形式,將非受力部分的“肉肉”去除掉,只保留結構受力部分。這樣,每個連接框的重量都降低到原來的50%左右。

  除了“腰部贅肉”外,“皮下脂肪”也不能放過。天舟的外部是一種壁板結構。壁板連接完成後,組成的密封空間就是裝貨的“肚子”。雖然壁板厚度只有不到3毫米,但依然有減重空間。科研人員通過嚴格控制加工溫度、切削速度等參數,儘量使壁板厚度貼近設計人員給出的公差下限。也就是在不影響性能的基礎上,通過這種“皮下脂肪去除法”,盡可能讓“皮膚”——壁板變薄。由於壁板面積很大,即使去除A4紙那樣薄的一層“脂肪”,整艙的重量也會下降很多。這樣,體重因此又減少了30千克左右。省下的這些重量,又夠多運送好幾臺設備。

  為了裝下更多的貨物,設計人員用貨架將“肚子”分成了許多區域。貨架選用了輕質高強度材料組成貨架。比如,“貨架面板”——儀器板,使用的是鋁合金蜂窩板;“貨架框架”——立梁,使用的是碳纖維材料。

  幕後英雄

  “長七”首次實戰未來發射主力

  天舟一號一飛沖天,承擔此次發射任務的長征七號火箭功不可沒。本次天舟一號貨運飛船發射任務,是繼2016年6月長征七號運載火箭首次試驗性飛行後的第一次實戰。為滿足零窗口發射,科研人員對承擔這次特殊任務的長征七號遙二火箭發射場操作和使用維護作出了30%的變化更改。未來,採用無毒無污染液氧煤油發動機的長七火箭,將承擔我國航太發射主力任務。

  “長七”火箭達到國外同類火箭先進水準

  由中國航太科技集團一院研製的長征七號運載火箭總長53.1米,芯級直徑3.35米,捆綁4個2.25米助推器,起飛重量597噸,運載能力將達到近地軌道13.5噸、太陽同步軌道5.5噸。為滿足載人空間站工程,發射貨運飛船的需求而研製的新一代高可靠、高安全的中型液體運載火箭,採用“兩級半”構型,達到國外同類火箭先進水準。

  長征七號運載火箭是為滿足我國載人空間站工程發射貨運飛船的需求和未來載人運載火箭更新換代的長遠需求,而研製的新一代高可靠高安全的中型運載火箭。

  “長七”火箭未來將成為我國航太發射主力

  承擔“天舟一號”我國首艘貨運飛船發射的“長征七號”最大的亮點,是運用了液氧煤油發動機為代表的新技術。2016年6月25日,長征七號實現完美首飛。而此次發射天舟一號貨運飛船,則是液氧煤油發動機首次真正意義上的工程應用。

  長征七號是我國長征火箭家族中的新一代中型運載火箭,其動力系統全部採用液氧煤油火箭發動機。其中,長征七號助推與一級火箭,共使用6台120噸液氧煤油發動機,二級火箭使用了4台18噸液氧煤油發動機。

  預計到2021年左右,長征七號將逐步替代現有的長征二號、長征三號、長征四號系列火箭,承擔我國航太發射任務的主力。

  與常規發動機相比,長征七號所用的液氧煤油發動機有著新特點。液氧、煤油這兩種推進劑具有來源廣泛、價格低廉的優點,平均價格比現役火箭的推進劑低一個數量級。綠色環保更是液氧煤油發動機的一大特點。它的研製成功並實現太空飛行,實現了我國火箭動力從常規有毒至綠色無毒的巨大跨越。

  另外,火箭的地面熱試車可重復使用。與常規發動機只要一試車就報廢、只能一次性使用相比,液氧煤油發動機在地面可重復試車、點火,從而節約研試成本,縮短研製週期。而且,每台發動機交付前,均要進行工藝驗收試車,大大提高了火箭飛行的可靠性及性能。

  同時,火箭採用防水設計,可以中雨條件下發射,適應海南發射場。

  準“零窗口”發射“遙二”更改發射操作

  長征七號遙二火箭發射天舟一號貨運飛船,在軌實現與天宮二號的交會對接和推進劑在軌補加,要求火箭“零窗口”發射才能準確進入天宮二號運行的軌道面。零窗口發射在文昌場區是屬於首次。

  發射窗口是指運載火箭攜帶著航太器發射升空比較合適的一個時間範圍,有的以小時計算,有的以天計算,在此期間火箭都可以發射。由於此次對發射精度要求很高,因此,發射窗口不是一個時間範圍,而是一個確定的時間點,一秒都不能差,這就是航太人所説的“零窗口”,這對火箭和發射場系統的可靠性提出了很高的要求。

  因為“零窗口”發射,火箭組成需要複雜的系統。另外,在發射前的操作、流程也是非常複雜。由於“長七”火箭採用全低溫液氧煤油動力系統,發射前流程複雜,特別是進入3分鐘流程後動力、控制、地面發射支援等系統項目多,若有一個環節出問題將會錯過發射窗口。

  科研人員開展了故障預案的再梳理,針對發射前關鍵環節分析可靠性保障措施,並制定了相關的預案,確保發射前出現故障有預案。

  相比此前的首飛火箭,首次“實戰性”的長征七號遙二火箭技術狀態作出了更改,涉及發射場操作和使用維護更改的佔30%,提升了火箭在發射場的操作方便性和安全性。比如,為了方便發射場蓄壓器充氣操作,避免發射場發射區液氧加注後人員進艙操作的風險,將蓄壓器充氣口從尾段引出至後過渡箭壁外,方便地面管路對接、充氣、氣檢、防松等工作,同時有利於低溫加注後艙內環境溫度穩定。

  除了火箭本身的原因外,海南多雨的天氣也成為影響火箭準點啟程的重要因素。設計人員在研製長征七號之初,就為它增加了“防雨防水”這項本領,使它成為我國第一款能在中雨條件下發射的運載火箭,保證了在惡劣天氣下也能實現零窗口發射的能力。

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天舟一號太空優質“快遞”靠哪四大秘籍?

2017年4月21日 01:34 來源:北京晨報

  原標題:太空優質快遞全靠四大秘籍

圖片説明:太空貨包不簡單特殊材料抗菌又防霉

  雖然天舟一號這位太空“快遞小哥”和天宮空間實驗室的外形酷似,但裝載能力卻超強,説它是專業的“運貨員”一點也不誇張。隨著這位太空“快遞員”走向太空,天舟一號的科研單位也一一揭開了它的運貨“秘籍”。

  秘籍一 天舟“運貨”能力是天宮一號2倍

  外觀上看天舟一號貨運飛船的構造類似于天宮一號目標飛行器,都是由大直徑的貨物艙和小直徑的推進艙組成,貨物艙用於裝載貨物,推進艙為整個飛船提供電力和動力及裝載補加推進劑。其實,天舟一號內部大有玄機,作為太空快遞的大力士,天舟一號搭載的貨物超過6噸,接近天宮一號載荷能力的2倍,高於俄羅斯研製的進步號M型和美國的天鵝座飛船擴展型。根據公開的數據,天舟一號的載貨能力同樣高於日本和歐洲的貨運飛船。

  秘籍二 蜂窩板、碳纖維立梁搭建太空貨架

  對天舟一號實現的大承載,內部採用的高效承載貨架設計功不可沒。這貨架的細節和構型大有講究。

  貨架採用一種基於蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構,形成大量的標準裝貨單元,傳力效果好,結構與貨物重量比達8%。同時,採用適用於蜂窩板的預埋封邊梁方法,巧妙地消除蜂窩板結構銳邊,既避免劃傷人手,又解決了邊緣薄弱、易破壞的問題。

  設計師還精心設計了一種大承載輕量化預埋結構,既能適應傳統剛性結構安裝,又能適應柔性束縛帶的連接承載,經過測試,三個這種預埋結構就可以承載一台豪華轎車。此外,大承載貨架結構與密封艙主結構的連接環節也是結構設計一大亮點,碳纖維結合鋁合金的設計,避免了在軌環境下內壓載荷對結構造成的破壞。

  秘籍三 100多個貨包確保貨運物資完好

  由於天舟一號運送的物資中有許多精密儀器設備和航太員用品,裝載物資的貨包必須具備保護功能。據介紹,新研製的高科技貨包外觀呈清新的乳黃色,採用新型抗菌防潮防霉布料,可確保貨物在貨包中存放一年。此外,針對不同體積、形狀的貨物,還進行了定制化和系列化設計。

  為避免貨物直接與貨架結構相連接,貨包裏面還有一層新研製的防火防潮且防震的泡沫或氣囊袋,再一起固定在貨架上。這種“貼心”的“軟包裝”設計為裝載對象提供了柔軟、高阻尼、分佈式的系統支撐。

  100多個大小不一的貨包,確保天舟一號的貨運物資完好地運送到天宮二號。

  秘籍四 為送更多太空貨天舟成功“減肥”

  這次天舟一號給天宮二號送去的貨物中,不僅有各种太空實驗設備,還有許多維持天宮二號運行的補給。但運載火箭的運載能力是固定的,如果想運更多的貨物,天舟一號這輛太空“快遞車”就必須在保證自己足夠強壯的同時,盡可能再不斷減肥,把省下來的體重替換成更多的貨物。按照國際上的標準測算,運送1千克的貨物上太空,成本少則幾萬美元,多則幾十萬美元,因此“減肥”還有著巨大的經濟效益。

  健身的人都知道,腰部贅肉是最難減下去的。天舟的腰部是一個個連接框,為了將身軀牢固連接,連接框往往都很厚實。中國航太科技集團五院的“教練”為它制定的健身第一步就是“減腰部贅肉”。天舟的連接框設計成鏤空形式,將非受力部分的“肉肉”去除掉,只保留結構受力部分。這樣,每個連接框的重量都降低到原來的50%左右。

  除了“腰部贅肉”外,“皮下脂肪”也不能放過。天舟的外部是一種壁板結構。壁板連接完成後,組成的密封空間就是裝貨的“肚子”。雖然壁板厚度只有不到3毫米,但依然有減重空間。科研人員通過嚴格控制加工溫度、切削速度等參數,儘量使壁板厚度貼近設計人員給出的公差下限。也就是在不影響性能的基礎上,通過這種“皮下脂肪去除法”,盡可能讓“皮膚”——壁板變薄。由於壁板面積很大,即使去除A4紙那樣薄的一層“脂肪”,整艙的重量也會下降很多。這樣,體重因此又減少了30千克左右。省下的這些重量,又夠多運送好幾臺設備。

  為了裝下更多的貨物,設計人員用貨架將“肚子”分成了許多區域。貨架選用了輕質高強度材料組成貨架。比如,“貨架面板”——儀器板,使用的是鋁合金蜂窩板;“貨架框架”——立梁,使用的是碳纖維材料。

  幕後英雄

  “長七”首次實戰未來發射主力

  天舟一號一飛沖天,承擔此次發射任務的長征七號火箭功不可沒。本次天舟一號貨運飛船發射任務,是繼2016年6月長征七號運載火箭首次試驗性飛行後的第一次實戰。為滿足零窗口發射,科研人員對承擔這次特殊任務的長征七號遙二火箭發射場操作和使用維護作出了30%的變化更改。未來,採用無毒無污染液氧煤油發動機的長七火箭,將承擔我國航太發射主力任務。

  “長七”火箭達到國外同類火箭先進水準

  由中國航太科技集團一院研製的長征七號運載火箭總長53.1米,芯級直徑3.35米,捆綁4個2.25米助推器,起飛重量597噸,運載能力將達到近地軌道13.5噸、太陽同步軌道5.5噸。為滿足載人空間站工程,發射貨運飛船的需求而研製的新一代高可靠、高安全的中型液體運載火箭,採用“兩級半”構型,達到國外同類火箭先進水準。

  長征七號運載火箭是為滿足我國載人空間站工程發射貨運飛船的需求和未來載人運載火箭更新換代的長遠需求,而研製的新一代高可靠高安全的中型運載火箭。

  “長七”火箭未來將成為我國航太發射主力

  承擔“天舟一號”我國首艘貨運飛船發射的“長征七號”最大的亮點,是運用了液氧煤油發動機為代表的新技術。2016年6月25日,長征七號實現完美首飛。而此次發射天舟一號貨運飛船,則是液氧煤油發動機首次真正意義上的工程應用。

  長征七號是我國長征火箭家族中的新一代中型運載火箭,其動力系統全部採用液氧煤油火箭發動機。其中,長征七號助推與一級火箭,共使用6台120噸液氧煤油發動機,二級火箭使用了4台18噸液氧煤油發動機。

  預計到2021年左右,長征七號將逐步替代現有的長征二號、長征三號、長征四號系列火箭,承擔我國航太發射任務的主力。

  與常規發動機相比,長征七號所用的液氧煤油發動機有著新特點。液氧、煤油這兩種推進劑具有來源廣泛、價格低廉的優點,平均價格比現役火箭的推進劑低一個數量級。綠色環保更是液氧煤油發動機的一大特點。它的研製成功並實現太空飛行,實現了我國火箭動力從常規有毒至綠色無毒的巨大跨越。

  另外,火箭的地面熱試車可重復使用。與常規發動機只要一試車就報廢、只能一次性使用相比,液氧煤油發動機在地面可重復試車、點火,從而節約研試成本,縮短研製週期。而且,每台發動機交付前,均要進行工藝驗收試車,大大提高了火箭飛行的可靠性及性能。

  同時,火箭採用防水設計,可以中雨條件下發射,適應海南發射場。

  準“零窗口”發射“遙二”更改發射操作

  長征七號遙二火箭發射天舟一號貨運飛船,在軌實現與天宮二號的交會對接和推進劑在軌補加,要求火箭“零窗口”發射才能準確進入天宮二號運行的軌道面。零窗口發射在文昌場區是屬於首次。

  發射窗口是指運載火箭攜帶著航太器發射升空比較合適的一個時間範圍,有的以小時計算,有的以天計算,在此期間火箭都可以發射。由於此次對發射精度要求很高,因此,發射窗口不是一個時間範圍,而是一個確定的時間點,一秒都不能差,這就是航太人所説的“零窗口”,這對火箭和發射場系統的可靠性提出了很高的要求。

  因為“零窗口”發射,火箭組成需要複雜的系統。另外,在發射前的操作、流程也是非常複雜。由於“長七”火箭採用全低溫液氧煤油動力系統,發射前流程複雜,特別是進入3分鐘流程後動力、控制、地面發射支援等系統項目多,若有一個環節出問題將會錯過發射窗口。

  科研人員開展了故障預案的再梳理,針對發射前關鍵環節分析可靠性保障措施,並制定了相關的預案,確保發射前出現故障有預案。

  相比此前的首飛火箭,首次“實戰性”的長征七號遙二火箭技術狀態作出了更改,涉及發射場操作和使用維護更改的佔30%,提升了火箭在發射場的操作方便性和安全性。比如,為了方便發射場蓄壓器充氣操作,避免發射場發射區液氧加注後人員進艙操作的風險,將蓄壓器充氣口從尾段引出至後過渡箭壁外,方便地面管路對接、充氣、氣檢、防松等工作,同時有利於低溫加注後艙內環境溫度穩定。

  除了火箭本身的原因外,海南多雨的天氣也成為影響火箭準點啟程的重要因素。設計人員在研製長征七號之初,就為它增加了“防雨防水”這項本領,使它成為我國第一款能在中雨條件下發射的運載火箭,保證了在惡劣天氣下也能實現零窗口發射的能力。