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揭秘中國空間站系統(tǒng)總體設計

發(fā)布時間:2022-11-03 09:19:00來源: 光明網(wǎng)-《光明日報》

  光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 潘晨

  11月1日凌晨,隨著夢天實驗艙與天和核心艙、問天實驗艙在太空緊緊相擁,中國空間站在軌建造階段的最后一個艙段,配齊。

  獨具特色、渾然天成的中國空間站系統(tǒng)總體設計,是對我國航天器系統(tǒng)設計的又一次創(chuàng)新跨越,閃耀著中國智慧,昭顯了匠心之美。下面,就讓記者帶您走進抓總設計研制空間站系統(tǒng)的中國航天科技集團有限公司第五研究院(以下簡稱“航天科技集團五院”),一探究竟。

   “立足當下、著眼長遠”的戰(zhàn)略觀

  “結(jié)果源自開頭,起點通往終點”,航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔認為,對于系統(tǒng)工程實踐來說,科學思想先于工程實踐——而這,正反映了我國建設空間站“立足當下、著眼長遠”的戰(zhàn)略觀。

  “必須獨立自主,靠中國人自己的力量建成空間站!”航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總設計師楊宏堅定地表示,“要依靠自立自強打破封鎖,通過增強頂層設計,瞄準前沿系統(tǒng)謀劃,提出適合我國國情的組裝建造方案?!睘榇?,他帶領(lǐng)總體設計團隊,秉持“1+N=1”的設計理念,以“規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”為設計思路,踏上了巧思釋放、活力涌流的設計之旅。最終,他們創(chuàng)造性地提出“利用艙段交會對接和轉(zhuǎn)位機械臂進行平面轉(zhuǎn)位、研制大型組合機械臂并與航天員協(xié)同進行艙外大型設施構(gòu)建”的方案。這一獨具特色的總體設計方案,可以使我國在沒有航天飛機等大型運輸工具的情況下,完成積木加桁架混合構(gòu)型的大型空間站在軌組裝建造。

  從理想走向現(xiàn)實,需要科學、統(tǒng)一的技術(shù)體制有力地組織。于是,“一個系統(tǒng)總體、三個艙段總體加上一套專業(yè)分系統(tǒng)團隊”的工程組織架構(gòu)如宏偉的建筑拔地而起,輔以“整體統(tǒng)一”管理(天和、問天、夢天三個艙段通用化率達80%),不僅促進了空間站系統(tǒng)的方案優(yōu)化,還令系統(tǒng)設計與工程管理深度融合,相得益彰。

  在天和核心艙與問天實驗艙組合形成L形后,夢天實驗艙的就位,使三艙構(gòu)成一個可靠的T字形組合體,成為空間站的基本部分,為后續(xù)擴展巡天光學艙等艙段奠定堅實的基礎。未來,中國空間站還能夠在機械臂的輔助下繼續(xù)組裝,形成“十”字形、“干”字形等擴展構(gòu)型。

  在王翔看來,變化的過程和結(jié)果都源自設計,“萬變而不離其宗”。

   “天-地-人”和諧共處的整體觀

  中國人講求“天地人和”,把整個宇宙看作一個大系統(tǒng)。這樣的智慧,在空間站系統(tǒng)的總體設計中體現(xiàn)得淋漓盡致。通過在眾多約束條件下創(chuàng)造最大價值的總體設計,讓天、地、人三大要素融為相輔相成的有機整體。

  先看天上。組成空間站的各個艙段和來訪飛船都是獨立的飛行器,交會對接后形成組合體,通過“最強大腦”統(tǒng)一管控。除了在結(jié)構(gòu)上對接,組合體的信息和能源系統(tǒng)也相互連接,動態(tài)并網(wǎng)、能力共享,像“神經(jīng)”和“血液”一樣暢通無阻。此外,通過熱控流體回路,熱量也能實現(xiàn)跨艙傳輸、相互兼容。“如此,三艙互聯(lián)互通,且具備跨航天器的系統(tǒng)重構(gòu)能力,整體性能大幅超越各航天器功能的簡單集合?!睏詈暾f。

  再看地面。航天科技集團五院建設了一個與“天宮”等比例的物理空間站,并采用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建數(shù)字空間站,共同形成“天-地-數(shù)字”三站協(xié)同的新型運行模式,用飛行數(shù)據(jù)實時驅(qū)動、開展在軌狀態(tài)預測、趨勢評估。此外,該院還抽調(diào)骨干力量成立飛控隊伍,從天和核心艙發(fā)射前夕開始就堅持三班倒、連軸轉(zhuǎn)的空間站作息模式,24小時不停監(jiān)控天上的狀態(tài),默默守護?!耙荒甓鄟恚@支隊伍經(jīng)受住各種復雜在軌構(gòu)型和各類任務的考驗,身經(jīng)百戰(zhàn),具備了過硬本領(lǐng),將為后續(xù)長期在軌運營任務提供可靠支撐。”王翔評價。

  人,是空間站系統(tǒng)里具有決定性的要素。不論是最初設計空間站,還是每次執(zhí)行任務的全過程,總體設計團隊都會和航天員進行充分溝通,將以人為本的理念貫徹到底。干凈整潔的艙內(nèi)環(huán)境、掃碼識別的物資管理系統(tǒng)、天地雙向視頻、智能廚房等,都蘊藏著設計師們的精巧構(gòu)思與人本情懷。“一方面,從航天員的需求出發(fā),通過設計不斷提升舒適性和便利性,打造一個讓航天員身體健康、心情愉悅的太空之家;另一方面,確保航天員的安全是首要任務,在設計之初就要系統(tǒng)地將安全性、可靠性考慮充分?!睏詈杲榻B。

  首次飛天前,航天英雄楊利偉對總體設計人員說,“我信任你們”。在他們看來,這句話既是最重的責任,也是最棒的肯定?!叭藶樘斓乜汀保谥袊臻g站系統(tǒng)工程中,“天-地-人”和諧共處、相互成就。

   發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢的發(fā)展觀

  縱觀空間站系統(tǒng)的總體設計,既有胸懷宇宙萬象、馳騁天地間的酣暢寫意,也曾屢遭“大象在瓷器店里跳舞”的棘手難題,更有橫刀立馬誓要守住的底線紅線。只是,后者被總體設計人員以發(fā)展的眼光和辯證的思維極早洞見并巧妙化解了。

  早在空間站任務起步之初,楊宏便意識到,關(guān)鍵核心元器件一定是制約空間站長期可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。遵循“以國家重大型號引領(lǐng)基礎技術(shù)突破”的思路,他帶領(lǐng)技術(shù)團隊駐扎元器件研制一線,一舉突破550萬個宇航用元器件的技術(shù)瓶頸,解決了核心元器件“卡脖子”問題。目前,中國空間站系統(tǒng)的核心元器件已全部實現(xiàn)國產(chǎn)化。

  早在數(shù)年前,航天科技集團五院就提早布局,打造宇航智造工程空間站示范項目,打通研制過程全周期、全三維的模型數(shù)字化流程,開辟新型數(shù)字化研制模式,將研制周期縮短了30%。同時,空間站總體設計團隊執(zhí)著追求,攻克了可爬行機械臂等一系列擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),在發(fā)供電、物資循環(huán)利用和運行經(jīng)濟性等關(guān)鍵性能指標上不斷超越,使一個又一個中國創(chuàng)新奇跡閃耀太空。

  面對空間站系統(tǒng)可靠性的難題,總體設計團隊潛心鉆研、匠心獨運,創(chuàng)立了在軌航天器安全性、可靠性、維修性“三性融合”的綜合工作體系——這種不中斷飛行、化繁為簡的維修設計,能在各種約束條件下實現(xiàn)整體系統(tǒng)的優(yōu)化和功能增強。

  在王翔眼中,中國空間站系統(tǒng)工程無疑是新時代發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢、集中力量辦大事的生動范例。創(chuàng)新+匠心,使中國空間站成為宇宙空間一顆耀眼的“明星”。我們有理由相信,以總體設計賦能美好太空家園的圖景,將在更多的空間技術(shù)領(lǐng)域得到充分演繹和生動展現(xiàn)。

(責編:李雨潼)

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