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星海微萤(文摘版)

为天文研究工作者、天文爱好者和大众提供有用的信息

 
 
 

日志

 
 

航天(2016 年 11 月 B)  

2016-11-06 10:51:41|  分类: 航天 |  标签: |举报 |字号 订阅

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长征五号首飞成功(2016 11 4 日科技日报)

推举长征五号的“绿巨人”(2016 11 4 日科技日报)

半程中国航天史,奠基长征火箭路(2016 11 4 日科技日报)

日本发射“向日葵9号”气象卫星(2016 11 4 日科技日报)

中国电科助力长征五号智慧腾飞(2016 11 4 日科技日报)

为了“胖五”轻装飞天(2016 11 4 日科技日报)

航天科工护航长征五号首飞(2016 11 4 日科技日报)

长征五号低温加注系统创“亚洲之最”(2016 11 4 日科技日报)

“天方一号”新概念航天结构随长征五号升空(2016 11 4 日科技日报)

图片新闻:航空航天博览会上的长征系列火箭模型2016 11 4 日科技日报)

三大“出街利器”,“胖五”秒变“高冷男神”(2016 11 4 日科技日报)

“胖五”守护神:“定格”保驾护航的幕后英雄(2016 11 4 日科技日报)

“胖五”首创盘点(2016 11 4 日科技日报)

长征五号首飞成功(2016 11 4 日中国科学报)

“胖五”威武(2016 11 4 日中国科学报)

长征五号的助推“神技”(2016 11 4 日中国科学报)

想上天必须先“入地”(2016 11 4 日中国科学报)

“太空180”试验:为长时间驻留太空“铺路”(2016 11 4 日中国科学报)

医疗如何为航天员“保驾护航”(2016 11 4 日中国科学报)

国外航天员是怎样“炼”成的(2016 11 4 日中国科学报)

 


科技日报 2016 11 4

长征五号首飞成功

我国运载火箭实现升级换代

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

1132043分,我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。

新华社记者李刚摄

 

科技日报文昌113日电 (记者付毅飞  江东洲)伴随着响彻长空的一声长啸,长征五号腾空而起,拖曳着一束耀眼夺目的橘红色火焰,在天际之间一飞冲天……32043分,我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,火箭首飞任务圆满成功。

这是长征系列运载火箭的第238次发射。国防科工局、国家航天局表示,此次发射成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是由航天大国迈向航天强国的关键一步。据国家国防科工局、国家航天局介绍,长征五号运载火箭实现了我国液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越,采用5米直径芯级,捆绑43.35米直径助推器,全长约57米,起飞重量约870吨;具备近地轨道25吨级、地球同步转移轨道14吨级的运载能力,比现役火箭地球同步转移轨道运载能力提升了2.5倍以上。

长征五号代表了我国运载火箭科技创新的最高水平,填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白,首次采用芯一级250吨级氢氧发动机与4枚助推器各2120吨级液氧煤油发动机的组合起飞方案,10台发动机同时点火,起飞推力达1060吨,实现了我国异型发动机起飞技术的重大突破。

长征五号是实现未来探月工程三期、载人空间站、首次火星探测任务等国家重大科技专项和重大工程的重要基础和前提保障。按计划,2017年嫦娥五号落月采样返回、2018年发射空间站核心舱、2020年发射火星探测器等任务都将依靠长征五号来实现。

长征五号运载火箭工程于2006年经国务院批准立项研制,由国防科工局牵头组织实施,中国航天科技集团公司一院抓总研制。遵循“运载发展、动力先行”理念,2000年,我国先行启动了120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机研制攻关,其科研成果直接转化支撑了长征六号、长征七号等新型运载火箭研制并首飞成功。

此次长征五号运载火箭搭载了由远征二号上面级和实践十七号卫星组成的载荷组合体。远征二号上面级是我国目前规模最大、变轨能力最强的液体动力上面级,与长征五号运载火箭组合使用后,可有效提升一箭多星发射并直接入轨的能力,进一步提高长征五号运载火箭发射任务适用性和使用灵活性。实践十七号卫星由航天科技集团五院抓总研制,是地球同步轨道新技术验证卫星。卫星入轨后,中国卫通集团有限公司将开展地球同步轨道通信广播业务,并择机开展空间碎片观测、新型电源、电推进等多项新技术验证工作。

当日长征五号发射时间几经推迟。国防科工局系统工程司副司长赵坚解释说:发射前发现一级助推器氧排气的管道出现问题,经过判断不影响发射;另外,一级芯级的氢氧发动机在预冷过程中出现意外,温度降不下来。窗口时间有限,但科技人员非常镇定,最终解决问题,目前有关专家正在积极寻找问题原因。

 


科技日报 2016 11 4

推举长征五号的“绿巨人”

八台液氧煤油发动机承载火箭起飞九成质量

   本报记者    付毅飞

113日,我国目前运载能力最大的火箭长征五号一飞冲天。托举它的8120吨级高压补燃循环液氧煤油发动机,承载了火箭起飞质量的90%,居功至伟。

这型绿色环保又力大无穷的发动机,如同我国新一代宇航动力中的“绿巨人”。在它横空出世的背后,既有中国航天科技集团六院科研人员20多年来的风雨兼程、不弃不离,更衍生出火箭发动机研究、设计、生产、制造和试验手段的巨大变迁,让我国航天动力设计研制迈入全新时代。

设计:从手绘图纸到三维仿真

1992年,六院开始了对液氧煤油发动机的初步探索。那时电脑和互联网还没有普及,遇到技术难题,设计人员只能去图书馆和高校查阅和抄写资料。设计人员回忆,由于液氧煤油发动机的研制难度大、相关资料稀缺,从北京带回的技术资料,比土特产更让人牵肠挂肚。

当时,每个研究室只有一台电脑,大家只能使用丁字尺、三角板等一步一步在图纸上勾勒。用上简易的计算机绘图后,科研人员乐坏了,第一幅涡轮泵设计思路经计算机拟合CAD成图后,大家怎么也看不够,干脆把图挂在了办公室墙壁上,几乎每个人都细细抚摸过。

2010年,该院建立了数字化设计平台,发动机设计从小编程和一维成图,演变为二维设计、三维成形和三维仿真。借助三维成形技术,科研人员从电脑上就能看到零部件之间是否存在空间和位置冲突,不用步入实物产品阶段,就能及时更新设计方案;通过三维仿真,可真实模拟发动机运行状态,实现性能和关键参数的摸索,大大减少了试验次数和生产成本,缩短了交付周期。

理念:呼唤产品制造新技术

好的理念需要通过生产制造出发动机实物产品来实现。六院7103厂作为我国唯一的火箭发动机生产制造厂,挑起了打造“绿巨人”的重担。

推力室是液体火箭发动机的重要组件,其内壁是其结构最复杂、加工难度最大的零件,也是发动机上最大的“细活”。在直径近2米、厚度仅数毫米的大型薄壁件上,分布着数百条筋宽和槽底剩余壁厚都仅有1毫米的槽。槽的深度、宽度与内部流过的燃料换热息息相关,筋宽决定着推力室的承压能力。直至上世纪80年代末,铣槽技术及设备在全国还是一片空白。

科研人员从零起步,开展了长期艰苦摸索,不断引进新的生产设备,创新加工制造手段,逐步迈向了智能制造。近年来,7103厂引进3D打印技术,开展了钛合金、高温合金、高强不锈钢等难加工材料的制粉、激光烧结、产品表面后处理等核心工艺技术研究,自主掌握整套SLM(激光选区熔化)成型工艺,大大加快了发动机研制速度。

技术:从单机、双机到四机并联的跨越

点火试验是火箭发动机研制过程中必不可少的关键环节。

液氧煤油闭式循环高压补燃发动机技术,代表了当今世界航天发动机的发展方向。发动机系统结构设计、涡轮泵动密封技术、高强度材料、启动技术等关键技术众多,研制难度很大。

19997月到2002年底,六院先后组织了10多次试车,其中包括半系统试车和整机试车,多次遭遇失败。尤其是2001年连续4次发动机试车,两次起动爆炸,两次燃气系统烧毁,让研制团队备受打击。2003年初,研制工作走出了阴霾,同年6月,液氧煤油发动机成功完成了整机100秒试车。

从最初的单机整机试车,到120吨双机并联试车、再到18吨四机并联试车,六院在发动机试验技术上不断突破:其自主研发的故障诊断关机系统可对发动机4个关键参数实时监控,一旦发动机连续3次出现同类问题,该系统可在30毫秒内实现紧急关机;低温液氧流量测量技术可消除低温介质对液氧管路系统的影响,实现真实介质环境下涡轮流量的现场原位校准……

随着试验任务加重,科研人员将原来的单次试车时间从1012天,缩短为67天。并逐步实现了发动机试验状态和工装设计等关键参数的仿真模拟。

记者了解到,仅针对120吨液氧煤油发动机的研制,六院突破了设计、生产、试验等领域近80余项关键技术,带动了我国50余种新材料研制,促进了相关基础技术的发展,建立了较为完备的高压补燃循环发动机研发体系,掌握了高压补燃循环发动机核心和关键技术,为今后液氧煤油发动机的系列化发展奠定了坚实的基础。

(科技日报文昌113日电)

 


科技日报 2016 11 4

半程中国航天史,奠基长征火箭路

——长征五号三十年腾飞纪实

本报记者 付毅飞

113日,我国推力最大的新一代运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场腾空而起,势如破竹地飞向太空。

航天人常说“火箭运载能力有多大,航天的舞台就有多大”。长征五号实现了我国液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越,能够将我国进入空间能力提升2.5倍以上,可实现近地轨道运载能力25吨级、地球同步转移轨道运载能力14吨级。未来,包括嫦娥五号月球取样返回、载人空间站、首次火星探测等多项航天重大工程发射任务,都将由长征五号承担。

“它既是跨越式的,又是奠基性的。”中国工程院院士、运载火箭技术专家龙乐豪评价说。长征五号工程创新难点多、技术跨度大、复杂程度高,代表了我国运载火箭科技创新的最高水平;填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白,并使我国航天运载能力进入国际先进之列。

航天一甲子,“长五”三十年。从提出设想到实现首飞,长征五号的发展历程覆盖了半个中国航天史。

系列化设计:奠基新一代长征火箭

“这三十年,我是看着长征五号从无到有一路走来的。”龙乐豪说。

1985年,时任航天科技集团一院总体设计部主任的龙乐豪,对我国运载火箭的发展进行了思考。他带领团队提出了新一代“大火箭”的构想,其后来被命名为“长征五号”。

一年后,“大型运载火箭和天地往返运输系统”被列入863计划,并于1988年开始论证。通过对比国外新一代火箭,结合自身需求,专家们认为当时的长征系列火箭存在运载能力低、芯级直径小、所用偏二甲肼和四氧化二氮推进剂毒性大且价格昂贵等问题,希望通过新型火箭来解决。

然而,当时我国载人航天工程尚未立项;即使该工程立项后,对于载人飞船方案,长征五号的运载能力也颇为“浪费”。有航天器专家问:“搞那么大的火箭干嘛?我们没有那样的需求……”火箭专家们无言以对。

长征五号用什么推进剂,各方意见不一。所谓新一代运载火箭,最大特点就是推进剂绿色环保,常规推进剂显然不符合要求。但有专家认为,液氢液氧燃料不太好“伺候”,会带来很多麻烦;研制液氧煤油发动机,也需要攻克许多难点。一来二去,围绕长征五号的讨论延续到新世纪。

2002年,原国防科工委确定了新一代火箭“一个系列、两种发动机、三个模块”总体发展思路,以及“通用化、系列化、组合化”设计思想。2006年,长征五号立项研制得到了国务院的正式批准。

龙乐豪认为,长征五号将成为我国新一代长征系列运载火箭的奠基性型号。

其方案中的“三个模块”,指使用液氧液氢燃料的5米直径模块,用液氧煤油燃料的3.35米直径模块和2.25米直径模块;“两种发动机”指地面推力50吨“液发-77”氢氧发动机,和地面推力120吨的“液发-100”液氧煤油发动机。在三个模块基础上,第一步组合制造出5米直径芯级的大型火箭长征五号,再进一步组合制造出3.35米直径芯级的中型火箭长征七号,以及2.25米直径的小型火箭长征六号。最终形成近地轨道运力覆盖1.525吨,地球同步转移轨道运力覆盖1.514吨的“系列”。

“未来,长征五号的5米直径芯级,还能作为我国重型运载火箭长征九号的助推器,助其实现约140吨的近地轨道运载能力。”龙乐豪说。

动力先行:交着学费实现跨越

“从正式立项到首飞,长征五号可谓‘十年磨一箭’。但它的核心——发动机已经提前一步开始研制。”中国工程院院士、原国防科工委副主任栾恩杰说。

长征五号拥有强大且绿色环保的“中国芯”:50吨级氢氧发动机,9吨级膨胀循环氢氧发动机和120吨级液氧煤油发动机。航天科技集团六院院长刘志让介绍,上世纪90年代中期,该院已开始了对新一代火箭发动机的研究。

2000年,120吨级液氧煤油发动机项目立项,其研制历程一波三折。2001年进行的四次整机试车中,两次起动不正常,另外两次燃气系统烧毁。连续的失败,使研制队伍情绪受挫,背负了沉重的压力。“液氧煤油推进剂我们第一次接触,补燃循环方案是第一次用,自身起动方式是第一次研究。这么多新技术,哪能不交学费?”中国工程院院士、液体火箭发动机专家张贵田鼓励大家。

20025月,该发动机整机试车取得圆满成功,首次获得了我国液体火箭发动机补燃循环自身起动特性参数;20067月,该发动机进行首次600秒试车并获成功,为长征五号正式立项奠定了基础。其研制突破了高压补燃关键技术80余项,填补了我国补燃循环发动机的技术空白,实现了从常规有毒推进剂开式循环液体推进技术,到绿色无毒推进剂闭式循环液体推进技术的巨大跨越。

200112月,原国防科工委、财政部联合批准“50吨级液氢液氧发动机专项工程”立项。氢氧发动机是典型的低温发动机,工作前要利用液氢和液氧,将发动机各类部件的温度预冷至零下180摄氏度到零下250余摄氏度,同时要保证液氢液氧在发动机内部的稳定输送。为此,科技人员先后解决了低温发动机起动及关机时序、超高转速高压高效多级泵、大尺寸多孔面板发汗冷却、大口径超低温气动球阀等百余项关键技术。

记者了解到,该发动机具有长时间点火能力,可以持续工作500秒,用于火箭芯级,能实现仅用芯一级火箭就将有效载荷送入近地轨道。

首战告捷:三大战役的胜利

长征五号首飞前夕,龙乐豪坦然表达了内心的忐忑。“我们看起来笑容满面,其实内心一个劲翻腾。”他说,“要到确定星箭分离、卫星入轨,那颗心才能从嗓子眼落回去。”

动力系统已初具雏形,但长征五号火箭总体研制依然艰辛。“当时我国火箭技术储备和工业基础还无法对长征五号研制提供支撑。别的不说,仅五米级直径的箭体设计、制造以及试验技术,就是很大的跨越。”龙乐豪说。

至今,长征五号研制共突破大直径箭体结构、大型低温捆绑火箭耦合振动抑制等12大类247项新技术,累计开展千余项、7000余次地面试验,创造了我国液体运载火箭研制规模之最。

尽管技术攻关全部完成,龙乐豪最担心的却是设备可靠性。他曾因此经历过惨痛的失败。

1996215日,由龙乐豪任总设计师兼总指挥的长征三号乙火箭首飞失利,起飞22秒后撞上山头。“我的头发这么白,跟那一夜有很大关系。”他说。

长三乙失利的原因令人唏嘘——起飞前三秒,一根只有头发几十分之一细的金属导丝脱焊,导致相关器件失灵、火箭姿态失控。“成功与失败就在一线间。哪怕故障概率只有百分之零点几,遇上了就是百分之百的失败。”龙乐豪叹道。

为此,长征五号研制过程中严格执行质量控制管理,并采取了电气系统三冗余措施,即三台相同设备互为备份。但这只能让成功率尽可能提高,谁也没法打保票。龙乐豪说,以长征三号乙为例,其仪器设备近千台,电子元器件超过十万支,电缆总长足够围北京五环绕一圈,而长征五号的规模远大于此。“这么庞大的系统,稍不注意就有可能出差错。”他说,“目前我们还没发现隐患,但仍在冥思苦想。”

此外,航天科技集团一院长征五号运载火箭副总设计师娄路亮表示,该火箭飞行时,液氧煤油、液氢液氧两种发动机将同时工作,这在我国是首次,国际上也只有前苏联的能源号运载火箭实现过。“风险在于,两种发动机的特性、‘脾气’各不相同,一起工作会出现什么情况,我们缺乏认知,在地面也无法真实模拟,只能靠实际飞行得到完全验证。”他说。

113日,长征五号首飞成功的消息传回,人们的心放下了。栾恩杰将此总结为“三大战役的胜利”。“从上世纪90年代中期至今,头十年是发动机战役,后十年是火箭战役,同时我们还完成了海南发射场等配套设施的建设。”他说,“这三大战役构成了长征五号的首飞成功。”

放眼深空:提供更大的航天舞台

1978年,美国总统卡特的安全事务顾问访华,为了显示两国友好并展示科技实力,他带来了不寻常的礼物——1克月壤。“不久后,中国人将从月球取回2000克月壤样品。”龙乐豪充满期待。

记者了解到,我国计划于2017年发射嫦娥五号探测器,登陆月球并采样返回。长征五号将成为此次任务的运载工具。

娄路亮介绍,长征五号的整流罩直径达5.2米,一次能将20多吨重的空间站舱段送入太空。我国将用长征五号B发射空间站,已经计划了五次发射任务。

2020年,我国还将用长征五号发射火星探测器。后续一些地球同步轨道发射任务也在规划中。

长征五号是我国运载火箭升级换代的里程碑,也是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。它为我国新一代运载火箭系列化、型谱化发展奠定了坚实基础,将为后续探月、载人航天、火星探测等国家重大工程提供有力保障。其投入应用后,必将为我国未来航天活动提供广阔的空间。

(科技日报文昌113日电)

 


科技日报 2016 11 4

日本发射“向日葵9号”气象卫星

新华社东京112日电 (记者华义)日本宇宙航空研究开发机构和三菱重工业公司2日下午利用H2A运载火箭成功发射了“向日葵9号”气象卫星。这也是H2A火箭第31次发射。

东京时间1520分(北京时间1420分),H2A火箭从位于日本南部鹿儿岛县的种子岛宇宙中心发射升空,约30分钟后,卫星与火箭成功分离进入预定轨道。卫星将于约一周后进入高度约3.6万公里的地球同步轨道。

“向日葵9号”和2014年发射的“向日葵8号”属于同一类型,后者是世界首颗拍摄彩色图像的地球同步轨道气象卫星。它们的图像分辨率较此前的“向日葵7号”气象卫星提高一倍,观测间隔也大幅缩短,对台风等具有非常强的观测能力。

“向日葵9号”目前将作为“向日葵8号”的备用卫星使用,2022年起将代替“向日葵8号”进行气象观测。

 


科技日报 2016 11 4

中国电科助力长征五号智慧腾飞

王雪姣本报记者 唐 婷 付毅飞

“直径5米”“近地轨道运载能力突破20吨”“无毒无污染”“高性能低成本”……这一项项“亮瞎眼”的特色,让长征五号成为继长征七号之后我国又一型明星火箭。

113日,随着长征五号华丽升空,幕后的技术支撑单位也进入大众视野。中国电子科技集团公司作为我国探月工程、载人航天副总指挥单位,在这次任务中发挥测控通信系统和元器件研制的核心作用,承担了大量关键器件的研制和保障任务。

布下测控 “风筝线”

如果用风筝来比喻航天器,测控系统就是控制航天器的风筝线。

在长征五号火箭入轨过程中,中国电科通过陆上测控站、海上测量船以及中继卫星系统,从不同维度编织了一条覆盖海、陆、空的通信测控网,对长征五号实现全面覆盖的测控通信,为火箭顺利发射、卫星在轨测控及正常运转提供了坚实保证。

火箭点火升空的背后,中国电科的测控系统不断接收和发送指令,接收遥测、数传信息,测速、测距和跟踪测角……这条看不见的“风筝线”,精准地控制火箭按照预定飞行轨迹进入太空。

打造数据传输“搬运工”

从点火起飞到飞行器入轨全过程,对运载火箭进行姿态及轨道信息监测,这是火箭发射任务成功的关键。此次任务中,完成监测并将相关数据准确传递给指挥中心的“关键先生”,是由中国电科研制生产的天基测量设备。

“执行此次任务的是新一代箭载测量设备,在长征五号上首次应用。它装在火箭二级仪器舱,能接收火箭平台发送的姿态及轨道信息,具有测控覆盖范围广、数据传输实时性强等一系列优点。”中国电科总师柴霖说。

记者了解到,箭载遥测数据可通过中继卫星传送给指挥控制中心,为指挥控制中心对火箭飞行情况进行研判决策提供科学依据,大大增加火箭飞行测量数据获取的时间长度和可靠性。

自主可控的安全“大脑”

发射画面需要经过全程全时数据传输和处理,最终发送到显示终端,为工作人员的指挥判定提供依据。这一切要依靠中国电科研发的测控中心计算机系统。

测控中心计算机系统如同大脑,掌控着整个任务周期数据的发送、接收和处理工作。在长征五号任务中,中国电科主要承担了文昌发射场指控中心计算机、显示系统和发射场场区图像通信系统建设。

同时,中国电科使用国产化软硬件设备替代以往的进口设备,包括服务器、交换机、桌面终端、存储等。尤其是用自主可控的麒麟操作系统替代了微软Windows操作系统,随之改变的还有用户的系统和应用软件。国产化设备和软件组成的系统在后台强有力地保障任务执行。

布满火箭全身的“血管”与“神经”

在长征五号任务中,中国电科承担了数千只元器件科研任务。作为电子系统的基本组成部分,这些元器件就像“神经”一样,布满火箭全身。同时,中国电科研制的各类线缆如同“血管”,连接着各个电子设备,确保各种信息在设备之间可靠、稳定地传输。

“中国电科提供的导线系列产品用于发动机主电缆供电系统中,为发动机的稳定工作提供了保障。”中国电科元器件总师葛雄浩说。中国电科还针对航天器、空间飞行器的高温区域,特别研制了可承受800℃高温的导线。该导线在满足火箭发射空间环境要求的同时,消除了传统高温导线防护工艺带来的空间和重量问题。

(科技日报文昌113日电)

 


科技日报 2016 11 4

为了“胖五”轻装飞天

——大连理工大学团队科研攻关纪实

通讯员 龙海波  本报记者 马爱平

113日,我国运载能力最大的长征五号运载火箭在海南文昌发射中心首飞成功,使我国运载火箭的规模实现了从中型向大型的跨越,运载能力达到或超过国外主流大型火箭。

在这背后,凝聚着许多科研人员的心血,大连理工大学科研人员就是他们其中的代表。 长征五号运载火箭发射圆满成功后,西安航天发动机厂向大连理工大学发来感谢信,感谢大连理工大学创新研发的“液体火箭发动机喷管冷却通道数字化加工技术与成套装备”等,解决了大推力液体火箭发动机喷管加工的瓶颈难题。

解燃眉之急  补短板软肋

长征五号运载火箭是我国目前研制成功的体型最大、运载能力最大的火箭。与现役的长征三号等其他火箭相比,长征五号运载火箭的起飞推力更大,需要上千吨,原有的发动机型号难以胜任。

为此,我国启动了新一代大推力液体火箭发动机的研制计划。

从上个世纪九十年代开始,受西安航天发动机厂委托,大连理工大学机械学科教授卢杰持带领乔显力、王永青、胡力耘、范金等科研人员,应用自有的“数控仿形”技术,研发出了相应技术和系统,解决了喷管零件单件小批量制造的燃眉之急。

2008年,大连理工大学教授贾振元,针对高性能复杂曲面零件精密加工难题,提出了多源约束面形再设计类复杂曲面零件“测量—再设计—数字加工”一体化的新思想,提出了性能驱动的面形再设计原理,突破了关键技术,形成了多源约束面形再设计类复杂曲面零件精密加工的新原理、新方法与新技术。

同年,贾振元、王永青开始基于独有的面形再设计思想,提出了大型火箭喷管“激光在机测量—槽底曲面再设计—数字化铣槽”一体化的加工方法,发明了立式加工装备,开发了基于商用开放式数控平台的专用加工控制系统。

目前,大连理工大学已为西安航天发动机厂交付了8台套的喷管铣槽加工装备和2种类型零件加工程序自动编程系统,弥补了我国高性能液体火箭发动机研制中喷管铣槽加工这一技术“短板”。

迎挑战瓶颈  减重量负担

长征五号火箭运载能力比现役运载火箭提升两倍多,跨越式提升的运载能力需求和起飞推力为5m大直径箭体结构系统的设计造成了空前挑战。

为保证火箭的运载能力,2009年开始,在中国科学院程耿东院士的指导下,王博、亢战、李刚带领一支以青年教师和学生为主的科研团队,与中国运载火箭技术研究院的火箭工程师们一起工作,针对20多个部段和部件开展了优化减重设计工作,为火箭成功减重645公斤,单发火箭节约发射成本2000万元。

为了破解火箭结构轻量化设计系列难题,王博牵头建立的方法,解决了航天弹箭体结构轻量化设计瓶颈问题,已写入我国航天行业标准;建立的预测方法,避免了承力结构的过度冗余,挖掘并提升了轻量化空间;面向复杂航天关键部件创新结构设计,提出的方法,解决了有限空间下大集中力扩散连接结构创新构型设计难题。迄今,这些关键技术都应用于长征五号运载火箭的结构研制。

长征五号大尺寸柔性整流罩分离系统是火箭飞行中一个关键的系统,决定着火箭能够顺利地将有效载荷送入预定轨道。李刚、郝鹏建立的方法,成功预示迄今为止我国试验规模和难度最大的整流罩分离试验,能够准确预测分离过程中各项技术指标,与实测值的误差在10%以内,对长征五号整流罩设计意义重大。

长征五号运载火箭采用无毒、无污染的液氢液氧作为推进剂,在其800吨的身体里90%是超低温的推进剂,是名副其实的“冰箭”。王博和任明法带领团队建立的技术,为火箭贮箱生产和设计提供了重要参考价值的设计依据。

大连理工大学的亢战与航天八院合作,对长征五号运载火箭助推器斜头锥结构进行优化,解决了技术难题,其结构优化设计方案被长征五号火箭助推器设计中采纳。

 


科技日报 2016 11 4

航天科工护航长征五号首飞

且看三十六万件产品如何打造“火眼金睛”“钢筋铁骨”

本报记者    付毅飞

113日,我国新一代运载火箭长征五号从中国文昌航天发射场成功首飞。中国航天科工集团公司所属8家单位承担了长征五号火箭以及地面系统的配套任务和发射场的建设任务,共提供相关参试产品36万多件,圆满完成了此次保障任务。

此次任务中,航天科工一院测控公司为长征五号配套了多种地面设备,在火箭测试、转场和发射过程中发挥着不可替代的作用。其中,动力测控系统PXI测试组合是指挥中心获得动力测控系统数据的关键环节,它将动力系统的健康状态实时反馈给指挥人员,为火箭发射提供完整的支撑数据。

二院23所两部固定式脉冲测量雷达,在火箭发射上升段首段和末段进行测量,成为护送长征五号入轨的“火眼金睛”。这两部雷达能对目标进行数百秒跟踪测量,为发射场指控中心实时提供火箭的精确坐标信息。从火箭离开塔架,到进入轨道,助推器分离,一二级分离,抛整流罩等,火箭飞行中各个关键点,都依靠该雷达来观测。

三院306所研制的高性能纳米气凝胶隔热毡产品,为火箭燃气管路系统提供了有效的隔热保温手段,保证发动机正常运转。

遍布在箭体内的各类金属管路,堪称为火箭打通“任督二脉”的关键“血管”,小小的管路件产品则是每条“血管”的重要部位。河南航天工业总公司695厂承担了长征五号9种规格31000余件复合管路连接件产品的研制生产工作,肩负保障火箭“血脉畅通”的关键任务。同时,该厂自2012年起开始参与海南火箭发射基地建设任务,承担了移动发射平台空气气源库供气系统、基地2个发射工位、3大库区和1个火箭总装测试厂房的管路搭建工程,累计安装管道约32000米。

航天精工有限公司数以万计的高性能紧固件在任务中连结机构、紧扣系统,以其可靠的质量和技术保障能力,将各零(部)件连接成一个有机的整体,筑就了长征五号一身“钢筋铁骨”。

航天发展长屏公司承担了海南文昌航天发射场电磁防护项目。该项目主要用于解决信息系统的电磁干扰和泄露问题。由于项目地处海南,具有高温高湿高盐,强台风强降雨强雷暴的气候环境特点,信息系统需要较高要求的温湿度、洁净度、控制精度和防静电、防火、防雷性条件。技术人员通过使用自主研发的线路防护装置、加固滤波器等专利产品,有效解决了众多难题,被授予“海南文昌航天发射场建设贡献奖”。

(科技日报文昌113日电)

 


科技日报 2016 11 4

长征五号低温加注系统创“亚洲之最”

科技日报文昌113日电 (记者李艳 付毅飞)3日,长征五号运载火箭成功首飞,其低温加注系统也经历了考验。“长征五号是目前亚洲直径最大、发动机数量最多的低温火箭,为其配套的低温加注系统具有规模最大、技术最先进、流程最复杂的特点,被誉为‘亚洲之最’。”中国航天科技集团公司一院15所长征五号型号副总师、项目指挥贺建华透露。

低温加注系统是向火箭加注、补加低温介质,并实现低温介质安全、合理排放的系统。贺建华介绍,长征五号的低温加注系统拥有低温阀门200多个、气动阀门1000多个,低温管路达1万多米、供气管路3万多米,电缆100多公里,规模是以往系统的数倍。同时由于加注流量大,密封、绝热难度大,安全性和环境适应性要求高,该系统在技术上实现了质的跨越。

文昌发射场为长征五号、长征七号两型火箭设置了两个发射塔。一院15所长征五号项目组副指挥吕岩介绍,长征七号采用液氧煤油发动机,需要输送液氧;长征五号除了液氧煤油发动机,还采用氢氧发动机,需要用两套系统分别输送液氢和液氧。为了节约成本、节省占地,发射场将液氧加注库区,建在了两个发射塔之间,用一个低温加注系统给两个发射工位输送液氧,这在国内发射场低温加注系统中尚属首次。

吕岩同时介绍,过去为火箭加注燃料都是分级进行,一级加注完了加注二级,以此类推。为了缩短加注时间,项目团队为这套低温加注系统增加了独立管路,可以实现对助推器、一级和二级同时加注。

此外,该系统虽然庞大,操作起来却更为安全便捷。“该系统实现了全自动化,操作人员可以在距离控制间四五公里远的指挥大厅发号施令。”吕岩说。

 


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“天方一号”新概念航天结构随长征五号升空

科技日报文昌113日电 (记者张强 特约记者王握文)由国防科技大学自主研制的“天方一号”新概念航天结构,今天在中国文昌航天发射场搭载“实践十七号”卫星,由我国首个大推力运载火箭“长征五号”发射升空。遥测数据表明,“天方一号”在火箭起飞、级箭分离、星级分离、卫星太阳翼展开等过程中,呈现出优异的减振性能和电磁兼容特性。

据了解,“天方一号”采用多功能一体化设计,主要由轻型复合承载结构、高分子多功能支撑结构群、聚合物固态锂离子电池模块、振动与温度监管装置等组成。它集高强度承载、反共振控制、结构化能源等功能为一体,在承载、减振、能源、热控等一体化设计,电磁兼容、锂电池异构成型等方面取得多项原创性关键技术突破。有关专家指出,“天方一号”研制成功并通过发射技术验证,对于提高航天器有效载荷比、延长航天器工作寿命、缩短航天器研制周期、拓展航天器功能等具有重要意义,标志着我国在新概念航天结构技术领域实现原创性突破。

据介绍,“天方一号”完成发射阶段技术验证后,后续将伴随“实践十七号”卫星进行新型结构化能源模块的在轨技术验证。

 


科技日报 2016 11 4

图片新闻:航空航天博览会上的长征系列火箭模型

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

113日,在广东珠海举行的第十一届中国国际航空航天博览会进入第三天。图为观众在参观长征系列火箭模型。

    新华社记者 贾宇辰摄 

 


科技日报 2016 11 4

三大“出街利器”,“胖五”秒变“高冷男神”

——揭秘我国首枚大型运载火箭长征五号

张娟娟  本报记者 张盖伦 付毅飞

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

孙浩摄

 

113日,长征五号在椰风海韵中发射。

它是我国目前运载能力最大的新一代运载火箭,也是我国迄今为止研制的最大推力运载火箭。在一众火箭兄弟中,长征五号“块头”突——它大约有20层楼高、600多吨重,而且,它中间的主体部分直径达5米,是一般的火箭主体直径的1.5倍。

因此,长征五号得了个昵——“胖五”。

名字“萌萌哒”,但实际上,“胖五”也是个“高冷男神”。其从头到脚,从外到内,都经过火箭研制团队的“精心打磨”。

燃料“透心凉”? 不怕,它有防寒服

“胖五”也叫冰箭。它的肚子里,装满了深低温液氢液氧燃料,其中液氢温度达-253℃、液氧达-183℃,几乎达到低温的极限。

“胖五”体内90%以上都是这种深低温燃料,可谓“透心凉”。但“胖五”外表面温度依然可以一直保持在0℃以上,火箭内部的仪器、设备、电缆等可以正常工作。

这是因为,“胖五”的火箭贮箱上,穿着一层不到30毫米的“防寒服”。

“防寒服”中的“棉花层”是低密度材料,厚1020毫米。“防寒服”的“里”是一层胶粘剂,不到1毫米厚,比“棉花”层更适应金属材料的热胀冷缩,且摩擦力大,能同时与金属材料的贮箱和“棉花”完美贴合,设计人员又叫它“缓冲层”。“防寒服”的“面”是一层蘸胶玻璃纤维织物,0.9毫米厚,它也叫保护层,可以保护“棉花”不吸收外界水汽、不被损坏,更好地发挥隔温性能。

“棉花层”使用的“棉花”也大有讲究,它由近10种原材料按照配比高速撞击混合反应而成。中国航天科技集团703所防隔热材料设计师申雄刚介绍,这近10种材料分成两组,都是液体,就像“哥俩好”胶水一样,一旦混合,会在10秒钟之内发生发泡反应、固化成形。

“长五”火箭“棉花”层与其他火箭不同,因为选用了新型发泡材料,其他材料的比例等也变了,申雄刚说,材料研制人员做了千余次试验,研究新型“棉花”层的性能。

防寒服怎么严丝合缝地穿上身呢?火箭贮箱表面有一些螺钉、口盖等,按设计要求,这些突起等部位的绝热材料要与其他部位同等厚度。703所专门为此打造了特殊的“试衣间”。

火箭贮箱进入“试衣间”后,激光传感器先给贮箱做一次型面测量,再通过计算机造型,给贮箱拍一张“3D照片”。据此,研究人员再在电脑中输入喷涂路径等参数,让材料被喷涂在贮箱胶粘剂表面固化成型。这还不够。此时的绝热材料只是毛坯,还要修成厚度一致的平整外观,才能在外面铺蘸胶玻璃纤维织物。这个难度,如同在大气球的表面雕刻花纹。

给男神做件衣服,可是真不容易。

“蒙皮”薄如纸? 不怕,它坚不可摧

“胖五”如此高大威猛,它的外壳得特别厚重,才能足够坚固吧?其实并非如此。常用的火箭壳体“蒙皮”的厚度都在1.2毫米至2毫米之间,这次“胖五”整流罩的“蒙皮”最薄的地方仅有0.3毫米,可以说是“薄如蝉翼”。

其实,“蒙皮”的主要材料为铝合金,这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低,在长征三号甲系列、长征二号F等火箭飞行过程中表现出的综合性能最好,是做“蒙皮”的最佳选择。而且,铝合金材料轻,可以为火箭减轻重量。火箭最好是“薄皮大馅”,“蒙皮”薄了,就能装更多的燃料,“举”起更重的卫星。

要兼顾“薄”和“牢固”,就得费更多心思。中国航天科技集团一院的设计人员在设计时,会在“蒙皮”内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱形的框架,把框架与蒙皮铆接在一起,组成火箭的一个壳段。设计人员要计算出蒙皮和框环、桁条的最佳配比,用最少的材料,保证箭体坚固、可靠。他们会把火箭壳段的重量作为目标函数,其承受的载荷作为约束条件,把蒙皮厚度、桁条截面、数量和分布等作为优化参数,从中寻找到最优化的壳段结构形式。

一院火箭箭体结构设计师邵英翠介绍说:“火箭‘蒙皮’很薄、很软,要根据受力分析进行科学计算、结构优化后,用铆钉把‘蒙皮’和框架固定,每一壳段有上千个铆钉,这样就保证了整体结构的强度和刚度。”在发射过程中,无论受到哪个方向的外力,火箭的飞行都不会受影响。

体积太大? 不怕,它有专属座驾

和“胖五”一起亮相的,还有它的座驾——活动发射平台。平台也是大有来头,它是我国目前规模最大、承载能力最强、系统最复杂、技术最先进的发射平台。

活动发射平台高近700米,相当于24层楼高,台体的上表面面积达600多平方米,相当于一个半篮球场,整个平台自重近2000吨。

平台的上表面,有12 根像柱子一样的支撑装置,这是火箭在发射台上的“座椅”,研制人员用了3年多的时间开发出了“十二点调平技术”,让火箭可以“坐”得又直又稳,这不仅让火箭受力较好,而且有利于火箭的瞄准、发射。

由于“胖五”是在海南文昌发射场发射,这里高温、高湿、多盐雾。在出厂前,技术人员就特别为活动发射平台的螺栓进行了防腐工艺处理。在安装螺栓时,他们还采用了一种特殊技术,可以防止在发射平台运行、工作过程中螺栓发生松动,保证螺栓的可靠性。

活动平台不仅大,功能还全。发射平台上集机械、电控、液压、供配电、驱动控制、空调、环境保障、环境监测、视频监视、照明、加注、供气等系统于一体,而且首次设置了脐带塔、摆杆、前置设备工作间、尾端服务塔、加注管路、供气管路、喷水管路等多项设备,是机、电、液、气一体化大型综合性发射平台。

以前,更多的测试、连接工作,都在固定塔上完成。现在,火箭的总装、测试、跟地面设备的接口关系,都可以在技术厂房完成。这样一来,在火箭运输过程中就能够保持接口不变、状态不变,火箭在发射塔的准备流程可以成倍缩短。

其实,从总体到分系统,在长征五号火箭上,共有247项技术创新。中国航天科技集团一院长五火箭副总指挥曲以广表示,长征五号将直接服务于我国探月三期、载人空间站、火星探测等任务,也可用不同地球轨道大型载荷及其他深空探测任务载荷的发射。

打造“胖五”的创新性工作,还成功“共享”给了长征系列火箭家族的其他成员:全寿命、全要素的研制策划,为长七火箭提供了借鉴,也为新型运载火箭研制这类复杂的系统工程管理开创了新的工作模式。突破大量新型运载火箭的核心关键技术,确保了长五的成功研制,还牵引出我国新一代运载火箭的若干构型,目前这些构型火箭已成功立项,正在开展工程研制。

 


科技日报 2016 11 4

“胖五”守护神:“定格”保驾护航的幕后英雄

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

 

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

 

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

(中国运载火箭技术研究院供图于翔 孙浩摄)

 

长征五号是我国研制的第一款重型火箭,1132043分成功首飞,为下一步的深空探测打下了坚实的基础。在欣喜之余,让我们把镜头对准日日夜夜奋战在发射场的科研人员,记录下他们忙忙碌碌的身影。

 


科技日报 2016 11 4

“胖五”首创盘点

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

CFP供图

 

活动发射平台定位精度达到毫米级

中国航天科技集团一院“长五”发射平台设计人员李道平,在控制室按下“前进”键,“长五”活动发射平台以4/分的速度驶向发射区,到达发射工位时,发射台前端“限位传感器”触发,活动发射平台停下来,完成一次定位。

这时,驾驶室内的李道平发现活动发射平台与定位点之间有10毫米的距离,他启动“二次定位”功能,先前进15毫米,再后退10毫米,定位点分毫不差。

怎样实现如此精准的定位呢?“长五”活动发射平台由16台电机控制对应的8对轮组,承载“大吨位”的平台实现平行轨道匀速运行、圆弧形轨道上差速运行。要让定位精准到毫米级,主要靠两个功能。活动发射平台设计人员吴孟强介绍:“一个是一次定位,另一个是二次定位。一次定位能让平台行走到发射工位时,触发‘前端限位传感器’,使速度由4/分降为0。当一次定位精度不够时,二次定位能让活动发射平台在轨道上,按照10152025毫米4个档前后微动,实现毫米级定位。”

3D打印芯级主承力件减重30%

中国航天科技集团一院利用激光同步送粉3D打印技术成功实现了长征五号钛合金芯级捆绑支座试验件的快速研制,这是激光同步送粉3D打印技术首次在大型主承力部段关键构件上的应用。

捆绑支座为运载火箭主承力构件,综合力学性能要求高,目前主要采用加工性能较好的高强钢,用锻造再机加的方式成形。不过,这一传统加工方式材料去除量大、加工周期长。

面对新型号减重的迫切需求,一院211厂提出采用具有更高比强度的钛合金材料,利用激光同步送粉3D打印工艺,实现捆绑支座的整体成形。

经过系统工艺研究,试制的产品顺利通过了成分、组织性能、表面质量及内部质量等各类检测,整体综合性能达到锻件水平,且较原设计减重30%

激光同步送粉3D打印技术,不仅实现了难加工金属材料的快速成形,同时还为箭体主承力部段的轻量化结构设计与制造,提供了强有力的技术支撑。产品的试制成功,对拓展3D打印技术在箭体结构制造领域的应用、丰富大型难加工金属结构件研制技术手段,具有重要意义。(周庆军)

整流罩给卫星信号开“全景式天窗”

在役火箭的整流罩都是金属铝结构,卫星装在里面无法与外界通讯,必须在整流罩上开个口,用其他透波材料打个“补丁”,保持卫星与地面通讯畅通。

不过,长征五号火箭整流罩创新性采用全透波结构,原来的“小补丁”变成了整个整流罩,就像给卫星信号开了“全景式天窗”。

一院长征五号火箭结构设计副主任设计师戴政介绍,长征五号火箭整流罩直径5.2米,透波材料的泡沫层厚度只有近30毫米,全整流罩厚度必须控制精准,才能保证结构稳定性和可靠性。

这给生产带来了大难题,戴政比喻说,泡沫结构要在两个模具中填充成型,生产时,就好比要在两个摞起来的大勺子中填充奶油,要保证奶油厚度一致,两个勺子间间距控制必须精准,否则成型后的产品就不合格,为此,生产车间进行了几个月的攻关才完成生产,这也换来了卫星的高质量通讯。(张娟娟)

 


中国科学报 2016 11 4

长征五号首飞成功

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

   1132043分,我国首枚大型运载火箭长征五号在中国文昌航天发射场点火升空。

李刚摄

 

新华社电 1132043分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国文昌航天发射场点火升空,约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。

此次发射成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是中国由航天大国迈向航天强国的重要标志。

据国家国防科工局、国家航天局介绍,长征五号运载火箭实现了我国液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越,采用5米直径芯级,捆绑4枚3.35米直径助推器,全长约57米,起飞重量约870吨;具备近地轨道25吨级、地球同步转移轨道14吨级的运载能力,比现役火箭地球同步转移轨道运载能力提升了2.5倍以上。

长征五号代表了我国运载火箭科技创新的最高水平,填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白,首次采用芯一级250吨级氢氧发动机与4枚助推器各2120吨级液氧煤油发动机的组合起飞方案,10台发动机同时点火,起飞推力达1060吨,实现了我国异型发动机起飞技术的重大突破。

长征五号是实现未来探月工程三期、载人空间站、首次火星探测任务等国家重大科技专项和重大工程的重要基础和前提保障。按计划,2017年嫦娥五号落月采样返回、2018年发射空间站核心舱、2020年发射火星探测器等任务都将依靠长征五号来实现。

据介绍,长征五号运载火箭工程于2006年经国务院批准立项研制,由国家国防科技工业局牵头组织实施,中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制。遵循“发展航天、运载先行”“运载发展、动力先行”的理念,2000年,我国先行启动了120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机研制攻关,其科研成果直接转化支撑了长征六号、长征七号等新型运载火箭研制并首飞成功。

此次长征五号运载火箭搭载的是由远征二号上面级和实践十七号卫星组成的载荷组合体。这是长征系列运载火箭的第238次发射(白国龙 周慧敏)

 


中国科学报 2016 11 4

“胖五”威武

——长征五号运载火箭关键技术揭秘

本报记者 陆琦

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

113日,我国新一代大运力运载火箭长征五号在海南文昌卫星发射中心的首秀,吸引了各界关注的目光。今天,《中国科学报》记者就来为您揭秘这个长征火箭家族的“大力士”——长征五号运载火箭(昵称“胖五”,以下简称“长五”)有何“过人之处”。

大体格

“长五”的体重接近900吨,相当于15架波音737客机的重量总和,所以很多人都称它为“胖五”。

与现役火箭相比,“长五”的“腰身”更粗。其直径比现役火箭多出近一半,它的芯级直径达5米,助推器直径达3.35米,而我国现役火箭芯级直径为3.35米,助推器直径为2.25米。

“腰围”史无前例,“身高”同样令人仰视。“长五”高约57米,仅次于长征二号F运载火箭。此外,“长五”的级数少,在执行同一高度的轨道任务时,如果现役火箭需要三级,那么“长五”只用二级即可。

“长五”个头大,力气也大。“大体格”的“长五”有12颗“大心脏”。充足的燃料,强劲的动力,让“长五”的运载能力一跃达到国际一流水平。长五系列运载火箭低轨运载能力可达25吨级,高轨运载能力可达14吨级,越过了国际上大型运载火箭近地轨道运载能力20吨、高轨运载能力10吨的门槛,可与美国宇宙神5、德尔塔4,欧洲阿里安5等世界主力大型火箭比肩。

低体温

“大体格”让“长五”可容纳更多的推进剂。“长五”推进剂总加注量远超我国现役火箭。其芯级全部采用低温推进剂,这在我国运载火箭的研制历史上还是头一次。这个“庞然大物”90%以上的重量为深低温液氢液氧燃料。它周身冰冷,由此得名“冰箭”。

为何要把“长五”打造成“冰箭”呢?一来绿色环保,二来运载能力大。现役火箭采用的多是偏二甲肼和四氧化二氮推进剂,有剧毒,而液氢液氧燃烧后产生的是水,无毒无污染。此外,液氢液氧燃烧产生的运载能力堪称巨大。也因此,“长五”被称为“大力士”,它能“举”起的重量是现役火箭最大运载能力的2.5倍左右。

为了使火箭在燃料加注以及飞行过程中,外表面温度保持在0℃以上,从而避免火箭仪器、电缆等受极低温影响产生功能异常,研究人员为“冰箭”度身定制了“防寒服”。“防寒服”有“里”有“面”,虽然一共只有十几毫米厚,却是让箭体保持体温的“利器”。

“防寒服”里最主要的材料叫作“低密度全闭孔聚氨酯泡沫塑料”,由近10种原材料按照一定的配比高速撞击混合反应而成,这些液体材料分成两组,就像“哥俩好”胶水一样,一旦混合,就会在几秒钟之内发生发泡反应并快速固化成型。

大心脏

大火箭离不开大推力。“长五”立起来有20层楼高,起飞质量约878吨,要托举这么重的大家伙,需要大推力的发动机。而目前,我国现役火箭发动机单台推力最大只有70吨左右,要想发射超大型航天器就远远不够。

经过15年不懈攻关,8台全新研制的120吨液氧煤油发动机被装配在“长五”的4个助推器上,4台全新研制的氢氧发动机在一级和二级火箭上各装配了两台。

120吨液氧煤油发动机的威力到底有多大?专家打了个形象的比喻,120吨液氧煤油发动机产生的最高压强达500个大气压,相当于把上海黄浦江的水抽到5000米高度的青藏高原。

发动机与分系统之间的匹配也是一个难题。长征二号F5火箭产生的8Hz振动(又名POGO振动),曾给首位航天员杨利伟带来极大的痛苦。这种共振就像人的心脏不停地抖动一样,严重威胁生命,同样在火箭上,共振会造成箭体结构损坏,后果不堪设想。

由于“大火箭”体积比普通火箭更大,在飞行过程中,就可能产生比长征二号F5火箭更强烈的振动。要保证火箭可靠飞行,就必须抑制这一振动。经过多年的努力,研究人员成功突破了复杂动力学建模、大型管路动态特性试验、大型低温蓄压器设计研制等关键技术,最终攻克了“长五”芯一级、芯二级和助推器的POGO 稳定性设计难关,有效抑制共振给大火箭带来的损害。

薄脸皮

别看“胖五”身高数十米,体重几十吨,你一定想不到,它的火箭壳体“蒙皮”的厚度不足2毫米,而整流罩的“蒙皮”厚度仅有0.3毫米,真可谓“薄如蝉翼”。

火箭的外壳专业术语称为“蒙皮”,“蒙皮”的主要材料为铝合金,这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低。而且,最重要的一点,铝合金材料轻,可以为火箭减轻重量,人们形容火箭是“薄皮大馅”,“蒙皮”薄了,就可以装更多的燃料,“举”起更重的卫星。

除了保证火箭外壳轻薄,更要保证它坚不可摧。为此,设计人员在设计时,会在“蒙皮”内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱型的框架,把框架与“蒙皮”铆接在一起,这就组成了火箭的一个壳段。在发射过程中,无论受到哪个方向的外力,都不会影响火箭的飞行。

在满足箭体刚度和强度的前提下,火箭壳体薄了,整个火箭的重量就减轻了,既能保证有效承载,也让火箭飞行得更完美。

大眼睛

“长五”有个大“眼睛”。“长五”是国内首个采用大型“全透波结构”整流罩的火箭。相对于传统火箭整流罩的“小天窗”,“长五”的整流罩可谓是一个“全景式天窗”,可满足任何卫星的通信要求。

火箭在发射的过程中,地面要随时与卫星“联络”,以确认卫星处于正常状态。整流罩虽能保护卫星不受冲击,但也“屏蔽”了通信信号。因此,要根据卫星的通信要求在整流罩上开个小口,用可透过电磁波(以下简称“透波”)的材料做一个“天窗”,并对其他部分进行加强。

“长五”的整流罩采用了一种新型的透波材料。研究人员用了几个月的时间,攻克了该透波材料成型模具的设计难题,确保材料精准成型。这不仅大大缩短了火箭的生产周期,更使我国成为国际上少数几个能研制出大型“全透波结构”整流罩的国家之一。

 


中国科学报 2016 11 4

长征五号的助推“神技”

本报记者 王佳雯

被昵称为“胖五”的长征五号因体格大、力气足而闻名。而把这个“大个子”安全平稳地托举上太空,背后可谓凝聚了不少“小伙伴”的支持。

地面设备:“零失误”交出满意答卷

火箭测试、转场、发射……为配合“长五”首飞任务,配套的地面设备在前期做了很多准备工作,动力测控系统PXI测试组合就是其中一个重要组成部分。

PXI测试组合是指挥中心获得动力测控系统数据的关键环节,它可以通过采集箭体内芯级/助推发动机上各类压力、温度传感器传来的数据,为发射提供完整的支撑数据。指挥人员就是靠它来获取火箭动力系统的健康状态的。

相较于其他系统,在火箭状态准备的过程中,PXI测试组合的任务还是很繁重的。因为,为了确保火箭状态检测有据可循、火箭发射稳妥可靠,它常常需要连续“加班”几十个小时,以配合其他系统。

要知道,如果在测量过程中出现任何故障,整个试验就可能前功尽弃,PXI测试组合身上的“压力”可想而知。

与此同时,PXI测试组合还是首次在文昌发射场应用、首次在我国自主研制的移动发射平台上使用、应用于首个大型运载火箭型号发射——要求高不说,还集“三个第一次”于一身,正因如此,中国航天科工一院动力测控系统PXI测试设备负责人李洁把它看作一块难啃的“硬骨头”就不难理解了。

不过,值得欣喜的是,测量系统PXI自动测控组合以“零失误”的状态为“长五”首飞任务交上一份满意的答卷。

发射场:直面气候挑战

看似普通的航天发射场,其建设难度远不是普通园区建设可以类比。在确保长征五号首飞任务顺利完成的过程中,海南文昌发射场的建设就因当地特殊的气候特征而遭遇了不小的挑战。

据了解,为解决文昌航天发射场信息系统的电磁干扰和泄漏问题,发射场需要进行电磁防护保障才可投入使用。然而,高温、高湿、高盐,强台风、强降雨、强雷暴——文昌发射场特殊的气候特征,对电磁防护的温湿度、洁净度、控制精度和防静电、防火、防雷性等条件提出了更高的要求。

科研人员依据实际问题潜心研究,通过自主研发线路防护装置、加固滤波器等技术手段,最终逐一击破上述难题,成功为文昌发射场“穿”上电磁防护“外衣”。

升空:关键材料化解温度危机

托得起大吨位,也扛得住“高热量”,长征五号火箭此次使用的发动机是目前我国最新一代的大推力液体发动机。这种发动机“力气大”,也让燃气管路饱受高温考验。

工作温度高、空间狭小,发动机的燃气管路不仅工作环境“恶劣”,而且自身的结构也很复杂。如果发动机工作时,燃气管路中产生的大量余热无法加以控制,将有可能直接伤及周边电子电器,造成不可逆转的损坏,带来“大麻烦”。

科研人员通过研制出的高性能纳米气凝胶隔热毡,便有效地将管路多余的热能限制在了管路内部,成功化解掉了这一因工作温度影响火箭发动机的潜在危机。

记者了解到,气凝胶是当今世界已知的最轻的固体材料,具有超高比表面积和极低的导热系数。而我国科研人员研发的系列化气凝胶材料产品的使用温域,已覆盖-100℃至2500℃,不仅在我国航天任务中解决了多个型号装备的关键材料问题,也将在建筑、电子电器、石油化工的民用领域“发光发热”。

入轨:火眼金睛保驾护航

火箭飞到哪儿,“眼睛”就看到哪儿——这“火眼金睛”的本领,说的便是长征五号上安装的两部固定式脉冲测量雷达。

脉冲体制的雷达相比一般雷达测量精度更高,长征五号上安装的这两部雷达能对目标进行数百秒跟踪测量,为发射场指控中心实时提供火箭的精确坐标信息。

可以说,从火箭离开塔架,到入轨,再到助推器分离、一二级分离、抛整流罩等火箭飞行的各个关键点,都要靠这两部雷达来观测。

不仅如此,它们在火箭起飞初段还担负着提供重要的安控数据支持的重任。不过,今年6月“长五”的兄弟“长七”发射时,这两部雷达曾圆满完成火箭飞行的保驾护航任务,这次“长五”任务的执行想来也算驾轻就熟了。

 


中国科学报 2016 11 4

想上天必须先“入地”

本报记者 甘晓

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版) 

编者按

1019331分,神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接,随后,两名航天员景海鹏、陈冬也成功从神舟十一号飞船进入天宫二号实验舱。那么,一名航天员需要经过哪些训练才能“升空”?需要哪些医疗保障?对此,本报记者特采访相关领域专家逐一进行解析阐释。

今年6月底,中国载人航天工程航天员系统副总设计师黄伟芬的一条个人微博让广大航天迷炸开了锅——不仅首次披露了我国第二批航天员,还揭秘了航天员“上天”必修课洞穴训练的诸多细节。

洞穴训练,是一种评估和锻炼人的行为绩效技能而进行的合作探险训练任务,是当下航天员训练中的热门项目之一。

面对未知

今年71日,中国航天员叶光富远赴意大利参加了洞穴训练。这是中国航天员首次参与国际性极具挑战的航天员训练任务。

叶光富在总结其亲身经历时用“黑暗、阴冷、潮湿”“狭小、陌生、隔离”及“高负荷、高风险”等词语来描述,这正与陌生的太空环境类似。

黄伟芬介绍,在66夜的时间里,国际航天员组成的小组在一个与外界隔离的深邃黑洞中居住并合作完成任务。“一些没有地图或未被勘察过的复杂洞穴系统,可以为参训航天员提供类似执行航天任务的状况。”

尽管洞穴训练不能模拟微重力条件,但崎岖不平的表面、有限的光照,使用洞穴装备进行垂直攀爬,在路线寻找和定位中则可以提供三维空间感的训练。持续黑暗的情况下使用人造灯光,能够改变对时间和色彩的感知,缺少自然时间参数会造成生理节律紊乱并导致睡眠模式改变,安全方案和程序也类似于航天飞行。

教会航天员面对并适应类似太空环境的未知,正是洞穴训练的目标之一。

科学探索

黄伟芬指出,增强航天员进行科学考察和探险任务的能力也将是洞穴训练带来的收获。

人类航天活动从来就和探索宇宙的奥秘密不可分。在实际载人航天任务中,航天员也需要承担相应的空间科学实验。例如,在神舟十一号任务中,航天员景海鹏和陈冬将参与多项应用载荷技术实验,更换空间材料制备样品,进行太空植物栽培试验等,还将开展在轨维修操作,进行人机协同验证。这些科学实验、技术验证都对航天员执行科学任务的能力提出了要求。

洞穴训练中的多项科学实验,就是为了锻炼和提升航天员的这一能力。

据悉,叶光富在此次洞穴训练中,和队友一起完成了多项科学考察任务。包括对洞穴未知区域进行探索和勘测,将测量数据生成3D图像,实时对环境参数进行监测,开展生物与微生物研究,对地质和水质进行采样研究等项目。

叶光富表示:“我们完成了对两个洞穴分支勘察任务,勘察总距离六百多米,发现了令人震撼的杰里科大厅,并发现了新的洞穴分支,收集到了所有勘测数据,并在后期通过与教员的合作,我们对所有数据进行下载、整理、分析,并生成了一个3D洞穴地图。”

交流合作

载人航天飞行环境中存在诸如密闭、限制、高工作负荷、高风险等应激因素,可能会导致航天员操作失误、动机下降、工作绩效降低,影响乘组的团队气氛、凝聚力、人际关系等,甚至最终影响载人航天的安全和航天任务的顺利完成。

团队合作在任务执行中是关键环节之一,洞穴训练是提高团队的协作配合能力的有效训练手段。

叶光富回忆道:“刚和队友组成团队时,大家的交流并不多,尤其是我,因为除了我一个中国航天员,其他的航天员都在一个系统工作训练。”他深知,团队多元文化的融合与沟通交流对这次国际合作任务至关重要,所以他积极与每个人沟通交流,很好地融入了团队,为后来出色完成洞穴任务奠定了基础。

此次训练中,叶光富也感受到来自队友的信任。通过前期培训准备和实地训练后,在洞穴勘探、环境监测与内部定向任务中,队友一致认可叶光富是胜任这一角色的不二人选。“让叶去执行这个角色我放心,因为我还想活着出洞,我可不想被困死在里面。”一名美国航天员说。

洞穴训练结束后,叶光富的表现受到了国际同仁的高度称赞,这也正反映了我国航天员选拔与训练的技术水平。

航天(2016 年 11 月 B) - wangjj586 - 星海微萤(文摘版)

 

 


中国科学报 2016 11 4

“太空180”试验:为长时间驻留太空“铺路”

本报记者 甘晓

人类自从迈出进入太空的第一步后,就在太空探索中不断取得进展。不过,想要在太空长期驻留,还需要做出艰苦的努力。

今年6月,“太空180”试验正式起航,精心挑选的4名志愿者进入试验密封舱内,开始了为期180天的受控生态生保技术试验验证,这也标志着我国自主掌握的受控生态生保技术达到国际先进水平。

航天员隔绝训练

“他要在这个狭小密闭的小空间,一个人足足待上5天时间,陪伴他的只有生硬的设备和内心的孤寂。”这就是传说中的航天员隔绝训练,在“太空180”试验中,这种“关禁闭”的时间被延长到180天,完成生存环境与生命保障的诸多任务。

20155月起,这项试验开始面向全社会招募志愿者。经过了资格审查、临床医学、心理及神经测评、心理会谈共4轮选拔,最终从2110人中选拔出主备份共8名志愿者。此次“太空180”进舱的志愿者为31女,唐永康、仝飞舟为中国航天员中心科研人员,罗杰、吴世云为社会公开招募。

研究项目包括长期密闭隔离状态下人类心理生理变化及相互作用、长期密闭环境对人体节律与睡眠规律影响、长期密闭环境下睡眠与情绪调节干预等。

封闭受控的生态系统

试验中,4名志愿者将在占地为370平方米、总容积为1049立方米的“太空舱”中生活180天。它由4个植物舱、2个乘员舱、1个生保舱和1个资源舱组成,是目前我国最大的空间生命保障系统集成试验装置,核心技术为第三代环控生保技术。

据中国载人航天工程航天员系统副总师、“太空180”试验负责人李莹辉介绍:“这个系统最大的挑战在于系统的复杂性,水、气、食物是要提供的,重要的是在提供过程中要达到平衡。从食物的生产量到水的处理,一直到废物的循环利用,它们之间是一个循环再利用的关系。要把这关系摸透了,将来我们的工程设计才有用。”

其中,气的循环中,通过舱内植物光合作用和人类呼吸,保证舱内氧气满足人的基本需求。当氧气不足时,电解质氧装置将水分解为氧气。当植物吸收不了的过多二氧化碳和舱内的有害气体时,则通过舱内的去除装置去掉。

水的循环中,除了试验开始前,科研人员提前储存的水以外,在180天中,志愿者的饮用水大部分来自于植物蒸腾产生的冷凝水。人产生的生活废水和尿液等,将通过废水处理系统,进行净化处理,供给植物。

固废循环中,植物除去可以食用的部分,剩余的部分将与人类的粪便一起注入固废生态化处理系统,处理后作为有机肥料供给植物。

精心挑选的植物

经过3个多月的试验,在4名志愿者的辛劳工作下,种植面积195平方米的植物舱里,植物经过人工光照、播种、洒水、松土,已经进入了收获的季节。

关于植物的选拔,科学家认为,入选的植物必须能很好地在太空环境下提供碳水化合物、脂肪、蛋白质、维生素和矿物元素。本次试验种植的主要粮食作物之一就是小麦,既保障了连续不断的食物供给,也能保障氧气的稳定供给。

舱内种植的大豆、花生两种油料作物不仅可以为舱内的志愿者提供人体必需的营养元素——脂肪,豆类中富含的植物蛋白也是人体所需蛋白质的一个重要来源。

此外,还有生菜、油麦菜、胡萝卜等在内的16种蔬菜,这些满足4名志愿者每日新鲜蔬果的需求,提供人体所需的维生素和纤维素。而舱内种植的草莓和樱桃番茄酸甜适口,则是舱内志愿者食谱中的一项重要调剂。

此外,舱内还种植了2种功能性植物铁皮石斛和辣木,以丰富志愿者的食谱,并具有一定保健作用。

 


中国科学报 2016 11 4

医疗如何为航天员“保驾护航”

朱纯清

保证航天员在太空中的安全和健康,几乎是全世界所有开展太空探索的国家最为重视的一点。随着我国载人航天技术不断成熟,航天员医监医保的水平也在不断提高。

以航天医学为基础

航天医学是开展医监医保的科学基础。1995年,我国第一批航天员的选拔工作正式启动,同时,组织载人航天工程实施的国防科工委专门招纳了多名医学专业的人才。

近十年间,中国航天员医监医保团队借鉴国外的先进技术和方法,结合国内实际,将医监医保体系从无到有地建立了起来,并将中医理论与航天员的选拔、医学检查以及日常保健工作有机地结合了起来。

如今,中国航天员中心的医监医保团队不断壮大,这些航天员医生的专业背景涵盖基础医学、临床医学、心理学、护理学、药学和中医学等学科。

载人航天工程的一名管理者认为:“作为航天员的医生,必须基于临床而高于临床。他们要以促进航天员健康为目的,主要研究内容包括健康监测、健康鉴定、健康维护、医学救援等。” 最近,科学家对“失重性骨丢失”生物学机制的破解,也将对航天员常驻空间站奠定基础。中国航天员中心研究员李英贤带领团队研究发现,破骨细胞通过一种外泌体将受重力影响的小核酸分子(microRNA-214)转移至成骨细胞,抑制了成骨细胞的功能,导致骨质疏松的发生。

训练中的“切肤之感”

航天员医监医保在国内刚刚起步时,我国医监医保人员曾到俄罗斯加加林宇航员训练中心,进行乘组医生资格培训。他们和俄罗斯宇航员一起参加了所有的训练,并作为乘组医生参与了俄罗斯联盟TM26乘组航天飞行任务前、中、后期的医监医保工作。

3个月培训的经历,最令他们印象深刻的便是亲自体验航天环境训练项目。“有了切肤之感,才会知道在这个过程中到底是什么感觉,与航天员交流才更顺畅。”

比如,在一项类似游乐场海盗船的失重飞机训练科目,人坐在失重飞机上呈抛物线运动,失重和超重交替进行。一名参与到此项目的医监医保人员就真切体会到,在这个环节如果没有准备好从超重状态立刻转换到失重状态,航天员便可能发生危险。

出色完成任务

从神舟五号飞行任务到神舟十一号与天宫二号交会对接任务的6次载人飞行中,我国的医监医保工作取得了较大进展。

“神五”“神六”任务中,航天心电监护技术和陆海空天一体医学研究体系分别构建起来。“神七”则主要针对出舱活动的特点,建立了出舱活动医学问题防护的综合技术体系,有效地解决了出舱活动空间运动病、减压病、过度疲劳的一些问题。同时,适合空间应用的系列医学保障产品也被研制出来,比如“太空养心丸”、电解质补充饮料等。其中,太空养心丸,是由中国航天员中心自主研制的中药方剂,可提高航天员心肺储备和心脑血管功能,维护航天员失重环境下心脑血管功能,供航天员在轨期间服用。

“神九”任务则将重点集中在女航天员首次飞天和从短期向中长期过渡飞行的医学风险上。这次任务中,一个适合中期驻留的航天员健康保障体系被建立起来。

不久前,开展的“神十一”任务中,航天员通过天地远程医疗会诊系统,成功实现了航天员和航天员支持室、远程医疗会诊中心、地面支持医院四方联动,这标志着我国航天员中长期在轨飞行医学保障能力提升到新的高度。

 


中国科学报 2016 11 4

国外航天员是怎样“炼”成的

登上宇宙飞船遨游太空,看起来十分梦幻。可在这之前,航天员们要经受各种各样常人难以忍受的残酷考验。各国的航天员莫不如此。

早期航天员训练

世界上最早的航天员培训要追溯到世界首位航天员加加林。据加加林后来的回忆,他那时经常被带到一个具备良好隔音系统的绝音室里,里面只有一张办公桌,桌子上放着一个仪表盘,桌子旁放着一张沙发床、一个装有食品的冰箱,一块帘布后边就是厕所。加加林需要在里面生活10天甚至更长,并且不止一次。这就是独自生活的考验。

除此之外,加加林还接受了很多艰苦的训练。比如,他会进入滚筒中,坐在固定的一张座椅上进行失重训练。训练时,滚筒飞速旋转。从最初的头晕目眩、内脏翻滚、全身肌肉紧缩、大汗淋漓,到能在滚筒中保持平衡,他才算达到了训练的目标。此外,加加林还要经受高温环境的考验,他要到被称为“蒸箱”的人工控温室里进行训练和测试。短时间内,温度会从常温开始上升,一直到80℃。加加林经过训练,在其中坚持超过100分钟。

现代航天员训练

此后,随着人类航天活动经验的不断积累,现代航天员训练和准备也越来越科学和规范。各国航天员培训的内容,除了航天理论和基础知识培训,也要进行增强体质的体育锻炼、航天特殊技能训练,并进行适应特殊环境的训练和飞行模拟。

体质训练的主要目标是提高航天员神经系统的灵活性、前庭器官平衡机能的稳定性、心脏和心血管系统的舒缩机能、人体对低压缺氧环境的适应能力等。常见的项目包括伏虎、秋千、体操、球类、蹦床、游泳、滑冰、滑雪、长跑、爬山、骑自行车和跳伞等。美国为训练“阿波罗”计划中登月航天员的月面行走能力,让他们穿着几十公斤重的登月航天服每天在沙漠中步行20~30千米。苏联则曾让航天员在一年半中越野跑步200多千米、骑自行车1000多千米、滑雪3000多千米。

环境模拟训练也是航天员训练中的重要一项。项目包括利用飞机飞行进行失重训练、利用大型离心机进行超重训练、利用隔离舱进行生活工作的训练等。在美国约翰逊航天中心的索尼卡特训练中心,就有一个中性浮力实验室用于航天员失重状态的训练。所谓中性浮力,是指物体受到的浮力大小等于所排开的水的重量,相当于处于失重状态。中性浮力实验室的长度超过60米,部分区域的深度达到12米。在实验室中,身穿航天服的航天员可以演练未来将在太空中执行的各种任务,比如太空行走。

俄罗斯的航天员在加加林训练中心接受训练,那里有11的航天器模型装置、大型训练水池、天文馆训练楼等。2001年,俄罗斯首次启用了能高度模拟航天器内部环境的新型实验设施。俄罗斯科学院医学和生物学研究所运用这种新型载人航天模拟设施,首次将失重和寂寞适应性实验合二为一地进行。该设施为全封闭结构,内部温度和湿度等指标均与载人航天器中相差无几,16小时的照明和8小时的关闭光源则模拟了航天器上所感受到的昼夜交替变化。在其中进行的载人航天模拟研究有助于提高航天员机体耐力,对完善载人航天器内部设施也具有重要价值。

200212月起,俄罗斯医学和生物学课题研究所开始测试3种宇航训练、防护装置——失重训练薄膜、气垫鞋和多功能健身器。失重训练薄膜是一种特制的防水膜,科研人员将把它敷设在蓄水池的水面上,之后两名志愿人员将躺在薄膜上。失重训练薄膜具有很好的弹性,可使志愿人员陷入水平面以下,但是陷入的程度并不妨碍人的活动。在这种状态下,肌肉和骨骼所受到的支撑力与失重状态下十分相似。

航天员上天后要操作飞船,进行大量的工作。所以,航天员在执行任务前必须集中半年以上的时间针对任务作具体训练。美国国家航空航天训练和培训中心曾出过一份航天员训练说明,列举了相关的训练项目,也可用于民用。这些项目包括空间基础训练,急救和安全程序训练,在空间飞行期间策划、设计和实施科学实验的知识和技术训练,如何穿、脱宇航服训练,如何使用和操作生命防护和维持装备的训练,发射和返回的高重力训练,姿态感知训练,空间定向障碍(飞行错觉)训练,防止飞船破坏及进行修复的训练,缺氧和快速减压训练,逃生训练等(艾林整理)

 

 

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