科技創新打造“五星太空之家”

天宮二號彰顯我國綜合實力——
科技創新打造“五星太空之家”

發射時中高低溫交叉的“冰火兩重天”，劇烈震動的嚴峻挑戰，充斥著高能粒子、宇宙射線的惡劣環境……在這樣的條件下，天宮二號能否為宇航員提供一個舒適溫暖的家？《經濟日報》記者從天宮二號和神舟十一號的締造者——航天科技集團公司第五研究院獲悉，科研人員在天宮二號和神舟十一號設計研製過程中，實施盡心、放心、貼心“三心”工程，力爭為航天員打造“五星太空之家”，讓他們在遙遠的深空體會到“家”的舒心和溫暖。

穩固如“定海神針”

維修像“插拔U盤”

《西遊記》中有一個定海神針，天宮二號空間實驗室上面也有一個“定海神針”，它就是控制力矩陀螺（簡稱CMG）。CMG是空間飛行器姿態機動與姿態穩定的控制部件。“沒有CMG的話，衛星和空間站這類航天器的靈活性會差很多，調整變化的能力也會很小。有了CMG，航天器的機動性就會大大增強。”航天科技集團公司五院502所科研人員告訴記者。

CMG結構複雜，重量、體積大，力學設計、熱設計難度高，一直屬於“卡脖子”工程。502所科研人員自1998年啟動攻關，用了十幾年時間啃下了這塊硬骨頭。2011年天宮一號成功發射，各項遙測數據正常，標誌著我國自主研製的CMG首次在軌應用成功，使我國成為世界上第三個掌握該技術的國家。

“天宮二號上面的200NmsCMG輸出力矩平穩、力矩分辨率高，在天宮一號任務時首次亮相，在服役期間姿態控制精度均優於設計指標，在軌工作穩定、表現優異。”專家介紹。

天宮二號的密封結構也是保障安全性的另一法寶。航天科技集團公司五院總體部相關負責人告訴記者：“天宮二號是一個外部真空、內部有1個大氣壓的結構。評價其安全性很重要的方面，就是在2年的在軌飛行過程中，漏氣量要非常小。就像再好的籃球早晚也會漏氣，只是好的産品和設計可以讓漏氣非常緩慢。”

天宮二號由於功能需要設有觀察舷窗、開關艙門等部件，這些都容易導致漏氣。設計師根據各種結構特點設計了多種安全可靠的密封結構。密封結構中最為關鍵的就是密封圈，一般的密封圈都存在老化問題，更何況太空中溫度變化更加劇烈。設計人員就從配方開始研究，再到密封圈的結構形式、密封結構設計，終於取得成功。

電影中，當一套高級大型設備發生故障時，技術人員像插拔U盤一樣，快捷地拔下損害部件，插上新部件後，設備立刻恢復正常。這炫酷的一幕也將在“太空之家”上演。五院技術人員對“太空之家”的供配電、熱控、數據管理等系統實現了高度集成化模塊設計，打造出可快速更換的模塊單元。拿智慧配電單元來説，五院技術人員在我國航天器上首次採用了“插拔式”的結構設計，在地面的模擬試驗中，技術人員只需用幾分鐘就能完成一次維修更換。

“智慧管家”很貼心

“對接天眼”極敏銳

航天科技集團五院天宮二號總設計師朱樅鵬告訴記者，“天宮二號最初是天宮一號的備份産品，天宮一號發射時，天宮二號已經設計研製出來了，隨著天宮一號任務的圓滿成功，天宮二號被賦予了開展航天員中期駐留、在軌維修技術試驗等新使命。為此，我們本著‘好、快、省’的模式，在物盡其用的基礎上，對天宮二號進行了全面的改裝和升級，不僅解決了天宮一號在軌運行過程暴露出的設計瑕疵，更極盡所能、集智攻關用各類‘神器’武裝‘太空之家’，顯著提升了它的性能和智慧化程度”。

“太空之家”裏有一位“智慧管家”，就是控制計算機系統和自主研發的spaceOS2操作系統。這位聰明的“管家”可以自主進行航天器飛行軌道、姿態調整、運行狀態的智慧化診斷，以及遙測下傳、地面遙控指令的執行。這位“管家”還可以實現“一心多用”，能同時管理運行幾十個任務，並具備從3台互為備份的計算機中發現錯誤、下達正確指令的“三機容錯”功能，真正意義上實現了多台電腦在故障時的無縫切換，為航天員在太空的工作生活提供了有力保障。

此外，為了搭建起“太空之家”與航天員之間的智慧化溝通橋梁，五院技術人員運用數字化手段，研製出“太空高智慧APP”——儀錶控制器應用系統，它整合了航天器10多個分系統的所有數據，把複雜、晦澀的專業數據濃縮成為52組畫面，實現了在軌海量信息的圖形、文字、動畫的智慧化處理與顯示，為航天員執行任務提供了清晰、直觀、舒適的顯示界面，大大降低了在軌操作的負擔和難度。

天宮二號、神舟十一號要保持著比子彈速度快8倍的高速毫釐不差地對接在一起，一雙犀利而精準的“對接天眼”必不可少。在此次任務中，五院技術人員推出了全新升級的“對接天眼”——光學成像敏感器(CRDS)，與在天宮一號上運用的第一代産品相比，升級版的CRDS産品在太陽雜光抑制能力、識別目標敏感度上有了大幅提升。

“在太空中，太陽光的照射強度是地球上的3到5倍，飛行器的‘眼睛’在交會對接時很容易被閃壞。以往交會對接時要選擇光線合適的時機，而天宮二號和神舟十一號已經可以實現準全天候實時對接。”五院技術人員龔德鑄告訴記者，這一創新將有力支撐航天器在太空進行突發維修補給或航天員應急救生。

此外，科研人員還將敏感器首次捕獲時間由原來的約10秒提高至不到幾百毫秒。“這個時間就好比司機在開車時被強光晃到眼睛之後恢復正常視力的時間，‘眼睛’從看到目標到做出判斷的反應時間也大大縮短。”五院敏感器設計師劉啟海説，該産品在精度、重量、功耗等關鍵技術指標方面均超過了國際同類産品水平，將確保交會對接的安全性。

人性化“精裝修”

工作娛樂兩不誤

“與天宮一號‘簡單裝修’不同，由天宮二號和神舟十一號組成的‘太空之家’是‘精裝修’的。”朱樅鵬説，太空中，航天員在神舟飛船內吃飯、生活，在天宮二號內工作、娛樂及鍛鍊身體，再加上單獨的睡眠區、垃圾存放區，組合體的空間被緊湊地分成了多個功能區。其中，航天員在天宮二號工作和生活的空間大約有15立方米。佔地較大的供航天員鍛鍊身體用的“跑臺”和工作用的“多功能平臺”採用了折疊方式進行收納，最大程度節省了空間。

要舒心，噪音不能有。工作艙內一些需要日夜不停工作的設備會發出噪聲，容易使航天員感覺身心疲憊。為了攻克這個弊端，五院技術人員制定出嚴格的生活區和儀器區噪聲控制指標，並採取設備分區安裝、增設吸能裝置、優化消聲裝置等方法，把航天員工作區和生活區的噪音控制在了50分貝這一適宜的區間。

要宜居，溫度要舒服。人體最舒適的體表溫度是23℃，相對濕度在50%附近，“太空之家”攜帶的熱控系統通過有組織的對流通風與單機流體回路耦合換熱，將密封艙的空氣溫度控制在22℃至24℃，相對濕度為45%至55%，為航天員長期在軌駐留提供舒適環境。

要健康，空氣得清新。為了保障空氣質量，五院技術人員專門研製了環控檢測裝置，它可以同時完成“太空之家”內20多種有害氣體及有害微生物的濃度監測，當有害物質含量超過預警值時，立即進行報警並指示航天員按照預定方法進行處理。

為了使航天員在失重下的太空體會到在地球上的感覺，五院技術人員為“太空之家”漆上了不同的顏色，四週的墻面選擇了明亮的米白色，底部選擇了深灰色，工作臺等面板採用了天藍色，多層次的顏色劃分給航天員清爽的感覺。

航天員在太空處於失重狀態，行動需要借助踩踏內部結構的反作用力。“太空之家”在內裝飾材料上選擇了輕量化的硬體材料，有效解決了之前航天員在天宮一號工作時腳下軟質內飾“一踩一個坑”的不便。此外，“太空之家”還在多個區域增加了硬質扶手，並貼心地引入了駐留腰帶、頭戴式無線藍牙耳麥等人性化設計來解放航天員的雙手，讓航天員在艙內更輕鬆自如地開展工作。(記者 董碧娟)