夢天實驗艙成功升空，要經(jīng)歷三項“大考”

2022-10-31 17:40:13來源：新京報

10月31日，長征五號B遙四運載火箭在文昌航天發(fā)射場成功將夢天實驗艙送入預定軌道。記者從航天科技(000901)集團五院獲悉，為保證空間站在軌運行及航天員生命安全，在發(fā)射之前，夢天實驗艙要在地面環(huán)境模擬容器中經(jīng)歷“大考”——真空熱試驗。此外，在發(fā)射過程中，夢天實驗艙還會經(jīng)受嚴酷的振動和噪聲環(huán)境考驗。

【資料圖】

為克服三項“大考”，航天科技集團五院總裝與環(huán)境工程部建成了容積世界第三大的空間環(huán)境模擬器KM8、世界最大推力的140噸電動振動臺、容積世界第二大的4000立方米高聲強混響室，在地面對夢天實驗艙發(fā)射過程中的環(huán)境進行有效復現(xiàn)。

考驗一：真空熱試驗

天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙“身材”高大，大型空間環(huán)境模擬設(shè)備KM6、KM7和KM7A等空間環(huán)境模擬器的尺寸不夠，為滿足以空間站工程為代表的大型航天器總裝集成測試需求，航天科技集團五院總裝與環(huán)境工程部在天津AIT中心建成了容積世界第三大的空間環(huán)境模擬器KM8。

據(jù)介紹，KM8擁有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)，設(shè)計直徑17米、高度達32米，不僅個子大，很多設(shè)計理念也是國內(nèi)外首創(chuàng)。2022年6月，在試驗團隊的操作下，KM8對空間環(huán)境進行了有效復現(xiàn)。

中國空間站運行在距地面約400公里高度的軌道上，將長期處于高真空、冷黑的環(huán)境中。為了能在巨大容積內(nèi)有效模擬太空中的高真空環(huán)境，KM8真空系統(tǒng)配備30多臺真空泵，可保證容器內(nèi)部6000多立方米空間真空度達到要求。

為了模擬冷黑空間，KM8內(nèi)壁裝有一層近2200平方米可充氣充液的密閉“內(nèi)殼”——熱沉。熱沉通入液氮可持續(xù)進行冷卻從而模擬出“冷”；同時，在熱沉表面刷一層吸收率很高的黑漆模擬出“黑”。KM8擁有強大的低溫系統(tǒng)，維持液氮在熱沉內(nèi)長時間穩(wěn)定循環(huán)，來保證將近2200平方米的熱沉表面的平均溫度指標低于-180℃。

空間站在軌飛行過程中，由于沒有大氣層的保護，空間站艙體表面處于陽照陰影交變狀態(tài)。在太陽光直射下，空間站表面溫度最高可達150℃以上，在背陽面，溫度最低可達-100℃以下。為真實模擬“冷熱交替”的環(huán)境考驗，試驗團隊通過嚴密的熱仿真分析，為夢天實驗艙量身定制了一套專用“外衣”，即紅外加熱籠。

紅外加熱籠是一種以電阻片做輻射源的紅外模擬器，通過控制所加電流改變電阻片的溫度，從而實現(xiàn)“外衣”溫度的交替變化。夢天實驗艙尺寸龐大、外形復雜、表面凸出結(jié)構(gòu)多，要在KM8容器狹小的作業(yè)空間下用最短的時間完成近百余片紅外籠的吊裝工作，猶如在洞穴內(nèi)給“刺猬”穿衣服，還要保證不能與“刺猬”的身體發(fā)生接觸。

未來在軌運行期間，航天員需要多次出艙執(zhí)行任務，同時，空間站時刻面臨著空間微流星以及空間碎片撞擊的威脅，因此，夢天實驗艙的壓力維持系統(tǒng)必須具備在規(guī)定時間內(nèi)有效維持空間站內(nèi)部壓力狀態(tài)的能力。KM8通過自身的壓力控制系統(tǒng)模擬艙內(nèi)壓力異常變化的情況，在地面提前對夢天實驗艙進行嚴格考驗，為航天員的生命安全保駕護航。

考驗二：振動

空間站艙段在進行地面振動環(huán)境考核時所需的最大推力約120噸，而此前世界上最大的單個激振器推力只能達到35噸。基于現(xiàn)有能力、圍繞技術(shù)指標，航天科技集團五院研制團隊經(jīng)過深入探討，確定了四臺激振器并聯(lián)工作的基本方案，就像為振動臺裝上了四只手，通過互相配合來實現(xiàn)140噸的最大推力。

力學試驗人員把140噸電動振動臺稱為“動地”。“動地”的“手勁兒”已經(jīng)可以滿足技術(shù)要求，為了精準控制四只“手”能夠通過并聯(lián)方式同步施力、避免效果相互抵消，研制團隊為其裝上足夠聰明的“大腦”，通過差異化一次性幅值相位同步補償技術(shù)，有效保證了四個激振器能“勁往一處使”。

此外，為使激振器的推力有效地傳遞給空間站艙體，放置航天器的臺面需要重量輕且基頻盡量高。針對臺面剛度、質(zhì)量和尺寸之間存在相互制約的難題，研制團隊在“夾縫中”找到了問題的解決方案，提出了網(wǎng)格狀封閉式擴展臺面構(gòu)型和分區(qū)優(yōu)化設(shè)計等方法，成功研制了國內(nèi)單體最大的鎂鋁合金臺面，保證模擬效果盡可能貼近實際發(fā)射環(huán)境。

考驗三：噪聲

綽號“胖五”的長征五號運載火箭采用新型的大推力火箭發(fā)動機，發(fā)射時產(chǎn)生的噪聲比其他火箭更高，其高音部（4000~10000赫茲）特別高亢嘹亮（是其他火箭聲壓的4倍），受高音影響，空間站如何保證結(jié)構(gòu)和功能完好？

據(jù)介紹，由航天科技集團五院總裝與環(huán)境工程部自主研制的“驚天”——4000立方米高聲強混響室，有效空間長14.5米、寬11.5米、高24米，容積是國內(nèi)原有最大混響室的兩倍，專門用于考核大型航天器承受高聲強噪聲環(huán)境的能力。

模仿起飛時的聲音，既要學好“腔調(diào)”，又要控制好“嗓門”。此前，國內(nèi)外還沒有滿足這種“腔調(diào)”和“嗓門”的聲源，給“演奏”帶來極大難度。由此，研制團隊提出了20個“歌唱家”齊上陣的設(shè)計方案，在混響室墻面布置了不同頻率的喇叭，研制過程中，團隊成員不僅對每個喇叭的發(fā)聲性能進行嚴格把關(guān)，還為整個“合唱隊”精心分配聲部、排布站位，實現(xiàn)了最大聲壓級158分貝的混響聲場。

此外，優(yōu)秀的合唱團離不開專業(yè)的指揮家——噪聲試驗控制系統(tǒng)。研制團隊對聲源的發(fā)聲機理進行深入研究，揭示了聲源輸出與氣源壓力、驅(qū)動電流、控制頻率帶寬等參數(shù)的規(guī)律，通過這套系統(tǒng)，實現(xiàn)了試驗聲場全頻段、長時間精準穩(wěn)定控制。

4000立方米混響室的大門達到10米寬、24米高、0.7米厚，保證夢天實驗艙等大型航天器輕松出入。如果按傳統(tǒng)的鋼筋混凝土隔聲門工藝，整個大門的重量將超過600噸，這將給地基處理、大門施工帶來巨大的難度和成本投入。為此，團隊進行大膽創(chuàng)新，采用具有完全知識產(chǎn)權(quán)的混響室鋼結(jié)構(gòu)大門專利，通過優(yōu)化設(shè)計使大門重量減輕到180噸。結(jié)合增加外部輕質(zhì)卷簾門的雙層結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的隔聲量超過70分貝，不會影響到混響室附近工作區(qū)員工的身心健康。

新京報記者張建林

編輯白爽校對盧茜

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