神舟十八发射成功!揭秘神舟飞船背后的科技奥秘
来源:科普中国
发布时间:2024-04-28
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4月25日20时59分,我国成功发射了神舟18号载人飞船,把叶光富、李聪、李广苏3名80后航天员送到“中国”空间站内生活、工作6个月。

这是我国的神舟系列飞船的第18次发射,我国的神舟系列飞船究竟有何特别之处?接下来,让我们一同了解神舟飞船的奥秘。

(4月25日20时59分,搭载神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。图片来源:新华社)

1 高起点,神舟飞船应运而生

我国“神舟”飞船用于载人天地往返运输,于1992年开始研制。当时考虑到我国在返回式卫星等方面有坚实的技术基础和丰富的研制经验,并可借鉴国外研制载人飞船的经验,最终决定越过1舱式飞船、2舱式飞船,从当时最先进的飞船起步,直接研制3舱式载人飞船“神舟”,达到国际第三代载人飞船的水平。截至今天,“神舟”系列飞船已发射18艘,成功率100%,其中13艘是载人飞船,共把22名、35人次航天员送上了太空。

此外,“神舟”还有其它优点,例如:

能一船多用。有几艘“神舟”在返回舱返回地面后,其轨道舱又留轨利用半年,相当于免费发射了1颗卫星

智能化程度高。采用了信息技术的最新成果,从自动化控制、制导与导航到数据管理,从应对故障的冗余设计到液晶显示设备,其电子技术和智能化水平都远远领先俄罗斯的“联盟”载人飞船。其太阳电池翼能自动对准太阳。

防热技术先进。“神舟”飞船返回舱最大直径为2.5米,表面积是22.4平方米,使用的防热材料总质量约500千克。而“联盟”飞船返回舱直径约2.2米,表面积是17平方米,但它的防热材料总质量达700千克。

降落伞特大。其主伞足有1200平方米。其引导伞将减速伞拉出拉直;减速伞把速度从200米/秒减至80米/秒;主伞把速度减至6米/秒。整个伞叠起来只有一个小提包大,质量仅90多千克。

2 小而精,神舟飞船三大舱室揭秘

“神舟”由轨道舱、返回舱和推进舱组成,总长近9米,总重约8.1吨,乘员人数3人,船内航天员自由活动空间6立方米,满载3人时,上行货物能力至少300千克,下行货物能力至少100千克。它可自主飞行7天,停靠飞行180天。

(神舟飞船示意图。图片来源:中国载人航天工程办公室)

轨道舱位于飞船前部,其前端有用于试验的附加段或交会对接装置,飞船单独飞行时轨道舱用于航天员入轨后的工作、吃饭、方便和睡觉等,被称为“一厅”。

返回舱位于飞船中部,是航天员往返时的座舱,也是飞船的控制中心,被称为“一室”。它具有着陆后支持航天员陆上生存48小时、海上生存24小时的能力。

以上两个舱是供航天员活动的密封压力舱,舱压为81.0~101.3千帕;温度为21℃±4℃,返回过程不超过40℃;噪声在运行段不大于75分贝,在上升段、返回段不大于125分贝。飞行轴向过载在上升段不大于5g,返回段不大于4g。

推进舱位于飞船后部,为非密封结构,为飞船提供动力、电源、燃料等。尾部装有4台2.5千牛的变轨发动机,侧壁装有姿控发动机和24平方米主太阳电池翼,供电功率1.8千瓦。

3 五脏俱全,神舟飞船的14大分系统各司其职

“神舟”由14个分系统组成。这些分系统涉及物理、医学等数十种学科领域,所以具有技术多样性和研制复杂性。其中的环境控制与生命保障、回收着陆、仪表与照明、应急救生、乘员等分系统为载人航天器特有。另外,乘员和有效载荷分系统属于航天员和空间应用系统的装船部分。其中部分分系统如下:

结构与机构分系统由本体结构、防热结构和机构组成。

环境控制和生命保障分系统为飞船乘员创造合适的舱内环境,提供乘员用水和氧气等。

热控分系统用于保证飞船各舱仪器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件。

测控与通信分系统用于飞船轨道的跟踪测量、飞船数据和图像传输、话音通信和电视监视等。

数据管理分系统随时采集飞船工程参数和运行参数,对采集的数据进行处理。

电源分系统用太阳电池和化学电池供电。

应急救生分系统负责飞船在发射台上待发期间和发射阶段火箭或飞船出现危险故障而又不能排除时的逃生。

乘员分系统为飞船提供合格的乘员、航天服和航天食品,保证乘员的身体健康。

4 持续优化,神舟飞船的性能不断升级

为了满足空间站任务需求,从神舟12号开始,我国又进一步对神舟飞船进行了改进。例如:

对返回舱、推进发动机和贮箱等热控方案,船站并网供电方案进行了专项设计,使飞船具备了供电、热环境保障的适应性配套条件,以适应空间站复杂构型和姿态带来的复杂外热流条件。

装水的设备,从水箱换成水袋,节省了空间和重量;飞船舱壁加了热回路,从集中控制改为分路控制,实现了区域精准控温。

由于飞船在轨停留时间长,飞船使用了新型低吸收-低发射热控涂层,它具备抵抗空间中时时刻刻的高能紫外辐照、原子氧轰击以及多种高能粒子与电离辐射的攻击。

飞船使用的控制计算机、数据管理计算机完全使用国产CPU芯片。

“北斗” 导航终端也引入飞船设计中,导航计算、返回搜救落点报告等都采用了“北斗” 系统定位数据。

测控由地基测控为主全面转为天基测控为主,这样既扩大了测控覆盖率,又节约了任务成本。

改用了舱门快速检漏仪;国际救援示位标和微波重力水平开关等产品被用来快速准确地找到返回舱;舱内照明设备和交会对接照明设备采用了先进的固态照明光源,它具备耐冲击、抗振动、功耗低、稳定性高的优点,为交会对接的成功更添一份保障。

另外值得一说的是,这次发射的神舟十八号相较于以往的神舟飞船在主电源储能电池上有了新的变化——由以往的镉镍电池更改为锂离子电池,锂离子电池的能量密度更高、循环寿命更长、高倍率充电更佳,且为整船减重50公斤左右。

5 高效生产,批量生产模式让神舟飞船高质量交付

在进入空间站时代后,为了提高飞船质量、降低研制成本、缩短研制周期,“神舟”采用组批生产模式。这样可以让生产、测试过程更为标准化、规范化,更有利于人员掌握产品状态、保证产品质量,同时提高了物资采购集中度,便于供应链的管控和备货周期的把控。

神舟十二号至神舟十五号4艘载人飞船为1组。采用这种生产模式后,使“神舟”飞船出厂前的研制流程由17个月减少至14个月,发射场测发流程也由59天优化至46天。

中国空间站全面建成进入常态化运营后,“神舟”系列载人飞船也迎来了新的组批(6艘飞船,即神舟16号~21号)密集生产。这一组批生产在确保可靠性、安全性的前提下,以最短时间、最高标准完成了上百项器件更改和可靠性提升等验证工作,进一步增强了自主健康管理功能,并从分系统级、单机级、部组件级三个层次建立了数据包络分析机制,全力推进了产品数据互联信息化、线缆总装布局数字化、关键参数检测智能化,全面实现了“神舟”飞船在“空间站时代”的再升级,为“神舟”踏上新征程打下了坚实基础。

把飞船仪表的数据显示化繁为简,为航天员执行任务提供了更加清晰、直观、舒适的显示界面。另外,研制了具备集成程度更高、处理能力更强、国产化率更高三大优势的升级版中继终端,实现了飞船与地面通信的畅通无阻。

研制团队持续通过信息化、自动化、智能化等手段,进一步提升型号研制效率,确保舱体结构高质量交付。

作者:庞之浩,全国空间探测技术首席科学传播专家

出品:科普中国X中国宇航学会

监制:中国科学技术出版社有限公司、中科数创(北京)数字传媒有限公司

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