10月31日，長(zhǎng)征五號(hào)B遙四運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功將夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙送入預(yù)定軌道。記者從航天科技(000901)集團(tuán)五院獲悉，為保證空間站在軌運(yùn)行及航天員生命安全，在發(fā)射之前，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙要在地面環(huán)境模擬容器中經(jīng)歷“大考”——真空熱試驗(yàn)。此外，在發(fā)射過程中，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙還會(huì)經(jīng)受嚴(yán)酷的振動(dòng)和噪聲環(huán)境考驗(yàn)。
為克服三項(xiàng)“大考”，航天科技集團(tuán)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(dòng)振動(dòng)臺(tái)、容積世界第二大的4000立方米高聲強(qiáng)混響室，在地面對(duì)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射過程中的環(huán)境進(jìn)行有效復(fù)現(xiàn)。
考驗(yàn)一：真空熱試驗(yàn)
【資料圖】
天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)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(cè)試需求，航天科技集團(tuán)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(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，設(shè)計(jì)直徑17米、高度達(dá)32米，不僅個(gè)子大，很多設(shè)計(jì)理念也是國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。2022年6月，在試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的操作下，KM8對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行了有效復(fù)現(xiàn)。
中國(guó)空間站運(yùn)行在距地面約400公里高度的軌道上，將長(zhǎng)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(tái)真空泵，可保證容器內(nèi)部6000多立方米空間真空度達(dá)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(jìn)行冷卻從而模擬出“冷”；同時(shí)，在熱沉表面刷一層吸收率很高的黑漆模擬出“黑”。KM8擁有強(qiáng)大的低溫系統(tǒng)，維持液氮在熱沉內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定循環(huán)，來(lái)保證將近2200平方米的熱沉表面的平均溫度指標(biāo)低于-180℃。
空間站在軌飛行過程中，由于沒有大氣層的保護(hù)，空間站艙體表面處于陽(yáng)照陰影交變狀態(tài)。在太陽(yáng)光直射下，空間站表面溫度最高可達(dá)150℃以上，在背陽(yáng)面，溫度最低可達(dá)-100℃以下。為真實(shí)模擬“冷熱交替”的環(huán)境考驗(yàn)，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)通過嚴(yán)密的熱仿真分析，為夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)“外衣”溫度的交替變化。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙尺寸龐大、外形復(fù)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(shí)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(lái)在軌運(yùn)行期間，航天員需要多次出艙執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)，空間站時(shí)刻面臨著空間微流星以及空間碎片撞擊的威脅，因此，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的壓力維持系統(tǒng)必須具備在規(guī)定時(shí)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(duì)夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行嚴(yán)格考驗(yàn)，為航天員的生命安全保駕護(hù)航。
考驗(yàn)二：振動(dòng)
空間站艙段在進(jìn)行地面振動(dòng)環(huán)境考核時(shí)所需的最大推力約120噸，而此前世界上最大的單個(gè)激振器推力只能達(dá)到35噸?；诂F(xiàn)有能力、圍繞技術(shù)指標(biāo)，航天科技集團(tuán)五院研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過深入探討，確定了四臺(tái)激振器并聯(lián)工作的基本方案，就像為振動(dòng)臺(tái)裝上了四只手，通過互相配合來(lái)實(shí)現(xiàn)140噸的最大推力。
力學(xué)試驗(yàn)人員把140噸電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)稱為“動(dòng)地”。“動(dòng)地”的“手勁兒”已經(jīng)可以滿足技術(shù)要求，為了精準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)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(bǔ)償技術(shù)，有效保證了四個(gè)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(tái)面需要重量輕且基頻盡量高。針對(duì)臺(tái)面剛度、質(zhì)量和尺寸之間存在相互制約的難題，研制團(tuán)隊(duì)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(kuò)展臺(tái)面構(gòu)型和分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，成功研制了國(guó)內(nèi)單體最大的鎂鋁合金臺(tái)面，保證模擬效果盡可能貼近實(shí)際發(fā)射環(huán)境。
考驗(yàn)三：噪聲
綽號(hào)“胖五”的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭采用新型的大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)射時(shí)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(tuán)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(qiáng)混響室，有效空間長(zhǎng)14.5米、寬11.5米、高24米，容積是國(guó)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(qiáng)噪聲環(huán)境的能力。
模仿起飛時(shí)的聲音，既要學(xué)好“腔調(diào)”，又要控制好“嗓門”。此前，國(guó)內(nèi)外還沒有滿足這種“腔調(diào)”和“嗓門”的聲源，給“演奏”帶來(lái)極大難度。由此，研制團(tuán)隊(duì)提出了20個(gè)“歌唱家”齊上陣的設(shè)計(jì)方案，在混響室墻面布置了不同頻率的喇叭，研制過程中，團(tuán)隊(duì)成員不僅對(duì)每個(gè)喇叭的發(fā)聲性能進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，還為整個(gè)“合唱隊(duì)”精心分配聲部、排布站位，實(shí)現(xiàn)了最大聲壓級(jí)158分貝的混響聲場(chǎng)。
此外，優(yōu)秀的合唱團(tuán)離不開專業(yè)的指揮家——噪聲試驗(yàn)控制系統(tǒng)。研制團(tuán)隊(duì)對(duì)聲源的發(fā)聲機(jī)理進(jìn)行深入研究，揭示了聲源輸出與氣源壓力、驅(qū)動(dòng)電流、控制頻率帶寬等參數(shù)的規(guī)律，通過這套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)聲場(chǎng)全頻段、長(zhǎng)時(shí)間精準(zhǔn)穩(wěn)定控制。
4000立方米混響室的大門達(dá)到10米寬、24米高、0.7米厚，保證夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)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(gè)大門的重量將超過600噸，這將給地基處理、大門施工帶來(lái)巨大的難度和成本投入。為此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行大膽創(chuàng)新，采用具有完全知識(shí)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(jì)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(huì)影響到混響室附近工作區(qū)員工的身心健康。
新京報(bào)記者 張建林
編輯 白爽 校對(duì) 盧茜
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