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            太空出差三人組安全返回地球,背后離不開這些硬核“助手”
            來源:第一財經 2022-04-16 14:46:26

            在圓滿完成各項試驗任務之后,太空出差三人組航天員翟志剛、王亞平和葉光富結束了太空生活,安全返回地球。

            4月16日10時許,神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸,航天員翟志剛、王亞平、葉光富平安返回、感覺良好。飛行乘組在空間站組合體工作生活了183天,創下了中國航天員連續在軌飛行時長新紀錄,至此中國空間站關鍵技術驗證階段任務完成,即將轉入在軌組裝建造階段。

            從半年前出差太空到如今神十三返回艙成功著陸,有哪些硬核“助手”護航航天員乘組平安“回家”?

            著陸反推發動機毫秒必爭

            著陸反推發動機是神舟十三號飛船上的重要設備,是決定航天員能否安全回家的最后一棒,也決定著飛行任務的最終成敗。著陸反推發動機能否成功點火,能否正常工作,關系到返回艙中的航天員能否安全回家。

            中國航天科技集團八院(下稱“八院”)動力所從1994年以來就致力于反推發動機的研究。“這是我們的發動機在軌時間最長的一次,我們必須確保發動機的高可靠性和高安全性,從而保證飛船返回艙走穩歸航路。”談起與前幾次任務的不同時,所項目指揮孫福合對第一財經表示,從神舟十二號的33天到神舟十三號的183天,超長時間的太空待機將給發動機帶來極大的挑戰。

            因為太空環境復雜,著陸反推發動機隨返回艙升空后將經歷長時間太空繞行、下降返回等多次復雜的環境考驗,對發動機的環境適應性要求極高。

            “雖然我們有著研制著陸反推發動機的深厚基礎,對相關的結構也都再熟悉不過了。但我們還是給發動機羅列了所有可能會遇到的環境條件,并為其策劃了全面的考核試驗,以此來確保發動機在運輸、裝卸、貯存、使用過程中的結構完整性和可靠性。”孫福合說。“針對外太空復雜嚴酷的環境條件,我們必須要考慮得再深入一點,驗證得再充分一點,這樣我們的航天員就能更多一分安全。”發動機副主任設計師何鵬說道。

            此外,返回艙的著陸過程對于航天員來說也是個不小的挑戰。在經歷灼燒、黑障、開傘減速等程序后,返回艙仍然有近每秒9米的速度。而此時航天員是背部朝下面朝天坐在返回艙里,如此高的著陸速度將損傷航天員的頸椎。為了確保他們的安全,必須進一步降低沖擊。而這一關鍵的“剎車”過程就將由4臺反推著陸發動機完成。

            返回艙的這腳“剎車”踩早了不行,踩晚了也不行,只有時機和時長分秒不差,才能確保返回艙體平穩、安全落地。為此,動力所的設計人員設計了一套精彩的“剎車”動作:在返回艙距離地面1米時,4臺反推著陸發動機必須在10毫秒內同時點火,大量燃氣的積聚將在燃燒室內形成高壓,最終從尾部的噴口中噴出,以反推力來減緩降落速度。

            這四臺發動機的個頭和重量雖然都不大,每臺都能在瞬間產生大約3噸的巨大推力,4臺一起工作,就有十多噸的推力。這股巨大的反推力有效地抑制了返回艙的下墜勢頭,大大降低了飛船的下降速度,減輕了航天員著陸過程中受到的過載沖擊,提高了返回艙降落過程中最后一個環節的安全性。

            “超長待機”的電源分系統

            自2021年10月16日發射,神舟十三號已成功運行近6個月,是在軌時間最長的載人飛船。

            八院811所研制的電源分系統,為這艘在軌時間最長、返回時間最快、在軌并網供電次數最多的神舟飛船正常運行、安全返回提供保障。

            為了確保飛船安全返回,一個多月前,神舟十三號電源分系統順利通過了一場返回前的 “模擬大考”。

            811所神舟飛船電源分系統主任設計師鐘丹華介紹,電源分系統配合總體對神舟十三號上所有的設備進行加電,對這些設備一一進行開機巡檢,“因為在與空間站成功對接后,飛船上許多設備進入關機狀態。在軌運行期間,電源分系統僅需提供1/2到1/3的額定能量。開機巡檢,是對電源分系統在額定負載下的供電能力的考核。”

            同時,配合總體開展飛船的能量平衡分析,進行故障預案的推演和發電能力的評估。結果顯示,神舟十三號在軌運行期間,電源分系統整個供電狀態非常好,“雖然已經在軌工作近6個月,太陽電池翼的發電能力和飛船入軌初期基本沒變化”,鐘丹華說道。

            在軌期間,神舟十三號與空間站成功開展了6次并網供電,驗證了空間站的智能用電模式。

            鐘丹華介紹,“神舟十三號在軌的六個月,經歷了空間站組合體對地飛行、慣性飛行,以及天舟二號轉位試驗等復雜遮擋情況。6次并網供電最短2天,最長5天,確保飛船正常運行的同時,考核了電源分系統適應全遮擋工作的能力,也驗證了空間站核心艙的徑向口最大提供載人飛船1400瓦供電能力的設計指標。”

            據介紹,神舟十三號飛船首次采用5圈快速返回的方案,分離到落地僅需10小時。從6.5小時的快速對接,到10小時的快速返回,航天員的乘坐舒適度更高了。

            鐘丹華表示,由于此次是首次在徑向復雜遮擋條件下,開展組合體分離等返回動作,電源的重點工作是保證在任何角度和工況下,飛船能夠安全地實施分離,順利進入自主飛行狀態。“電源分系統需要根據太陽入射角和遮擋情況,制定飛船實施分離期間的供電保障方案。從目前預計的返回時間來看,太陽入射角比較理想,可以說是一個比較柔和的返回過程。”

            由于近期本土疫情限制了人員流動,為確保神舟十三號在返回期間,電源分系統地面監控工作的可靠執行,811所研制人員制定了“三地聯動”飛控策略。

            “北京、酒泉、上海,三地同步神舟十三號返回電源分系統地面監控工作。其中最挑戰的在酒泉。從進入酒泉基地,到神舟十三號返回,中間僅有一天的時間。我們需要在這段時間內,啟動各種設備、打通與北京的通訊鏈路,這是一場與時間的賽跑,確保特殊時期,保障航天員成功返回。” 鐘丹華說。

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