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毫秒必争,上海航天护航神舟十三号航天员乘组平安回家
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来源:上观新闻 作者:俱鹤飞 2022-04-16 11:22
摘要:为英雄铺就回家坦途

在圆满完成各项试验任务之后,航天员翟志刚、王亚平和叶光富结束了183天的太空生活,于4月16日上午9时56分,神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆。这是中国航天员在太空驻留时间最长的一次。能够安全返回地球,中国航天科技集团上海航天技术研究院功不可没。上海航天动力所研制的着陆反推发动机、811所研制的电源分系统在返回过程中护航神舟十三号航天员乘组平安回家,交上了一份完美答卷。

走稳归航路

着陆反推发动机是神舟十三号飞船上的重要设备,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。着陆反推发动机能否成功点火,能否正常工作,关系到返回舱中我们的航天员能否安全回家。自1994年加入中国载人航天工程研制队伍以来,上海航天动力所就一直致力于反推发动机的研究,拥有坚实的技术基础和丰富的研制经验。“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,所项目指挥孙福合说,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了。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。

神舟十三号载人飞船返回舱主降落伞打开 新华社照片

发动机副主任设计师何鹏说:“针对外太空复杂严酷的环境条件,我们必须要考虑得再深入一点,验证得再充分一点,这样我们的航天员就能更多一分安全。”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。热真空试验、加速度试验、振动学试验、湿热试验……顺利经历过一场场苛刻“模拟考”的发动机最终在“大考”上发挥出色,顺利完成了任务。

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,返回舱仍然有近每秒9米的速度。而此时航天员是背部朝下面朝天坐在返回舱里,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”过程就将由4台反推着陆发动机完成。失之毫厘,谬以千里。返回舱的这脚“刹车”踩早了不行,踩晚了也不行,只有时机和时长分秒不差,才能确保返回舱体平稳、安全落地。为此,动力所的设计人员设计了一套精彩的“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,以反推力来减缓降落速度。

别看这四台发动机的个头和重量都不大,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。

如同一套精彩的体操动作一样,平稳的下法是成功的标志。最终,这四台着陆反推发动机在预定时间毫秒必争、精准配合、同步点火,安稳又轻盈地着陆在预定位置。

供电系统“铆足干劲”

在保障这艘在轨时间最长、返回时间最快、在轨并网供电次数最多的神舟飞船正常运行、安全返回的工作中,上海航天811所研制的电源分系统交上了完美的答卷。

自2021年10月16日发射,神舟十三号已成功运行近6个月,是在轨时间最长的载人飞船。为了确保飞船安全返回,一个多月前,神舟十三号电源分系统顺利通过了一场返回前的 “模拟大考”。

811所神舟飞船电源分系统主任设计师钟丹华介绍,电源分系统配合总体对神舟十三号上所有的设备进行加电,对这些设备一一进行开机巡检,“因为在与空间站成功对接后,飞船上许多设备进入关机状态。在轨运行期间,电源分系统仅需提供二分之一到三分之一的额定能量。开机巡检,是对电源分系统在额定负载下的供电能力的考核。”

神舟十三号载人飞船返回舱成功着陆 新华社照片

同时,配合总体开展飞船的能量平衡分析,进行故障预案的推演和发电能力的评估。结果显示,神舟十三号在轨运行期间,电源分系统整个供电状态非常好,“虽然已经在轨工作近6个月,太阳电池翼的发电能力和飞船入轨初期基本没变化。”钟丹华说。

神舟十三号停靠在空间站核心舱的径向口,太阳帆板会被核心舱大型柔性太阳电池翼和大柱段舱体等遮挡,导致飞船在光照区供电能力受到影响。在轨期间,神舟十三号与空间站成功开展了6次并网供电,充分验证了空间站的智能用电模式。

钟丹华介绍:“神舟十三号在轨的六个月,经历了空间站组合体对地飞行、惯性飞行,以及天舟二号转位试验等复杂遮挡情况。6次并网供电最短2天,最长5天,确保飞船正常运行的同时,考核了电源分系统适应全遮挡工作的能力,也验证了空间站核心舱的径向口最大提供载人飞船1400瓦供电能力的设计指标。”

在并网供电期间,神舟飞船中的“老将”镉镍蓄电池也“铆足了干劲”。并网供电最长5天,这期间镉镍蓄电池处于不充电不放电、荷电搁置的状态。而镉镍蓄电池具有记忆效应,这种并网期间不充不放、在轨期间浅充浅放、自主飞行期间深充深放的不断变化的情况对其工作并不友好。811所研制人员经过长期的实验摸索和验证,通过调整飞船的充电曲线、增加充电倍率的变化,让镉镍蓄电池在不同工作状态转换过程中也可以保持性能稳定,确保能源供给的正常安全。

神舟十三号飞船将首次采用5圈快速返回的方案,分离到落地仅需10小时。从6.5小时的快速对接,到10小时的快速返回,航天员的乘坐舒适度更高了。

首次采用5圈快速返回的方案,对于电源来说,得益于研制团队在神舟十二号返回时制定的详细供电保障方案,电源分系统精确制定了工作模式转换调整程序、开展了能量平衡分析和预计,配合总体完成了正常返回、快速返回和应急返回等不同返回模式下电源保障方案。

同时,配合总体开展了故障预案的推演。据钟丹华介绍,由于此次是首次在径向复杂遮挡条件下,开展组合体分离等返回动作,电源的重点工作是保证在任何角度和工况下,飞船能够安全地实施分离,顺利进入自主飞行状态。“电源分系统需要根据太阳入射角和遮挡情况,制定飞船实施分离期间的供电保障方案。从目前预计的返回时间来看,太阳入射角比较理想,可以说是一个比较柔和的返回过程。”

当神舟十三号的返回,遇上上海新冠肺炎疫情“倒春寒”,对于上海航天团队来说,是一场前所未有的挑战。“从进入酒泉基地,到神舟十三号返回,中间仅有一天的时间。我们需要在这段时间内,启动各种设备、打通与北京的通讯链路,这是一场与时间的赛跑,确保特殊时期,保障航天员成功返回。”钟丹华说。

栏目主编:李晔 题图来源:新华社
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