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费俊龙、聂海胜带你看飞船

http://www.sina.com.cn  2008年09月27日18:42   《航天员》杂志

  虽然中国人涉足太空的时间不长,中国的“神舟”号载人飞船也刚开始在世界舞台上崭露头角,但是这一自主研发的 系列载人飞船备受外国同行的关注的同时,也是中国老百姓所津津乐道的话题。“神舟”飞船是飞船系统上上下下的研制人员 精心为航天员打造的,除了设计师外,最了解飞船的要数航天员,而飞船在太空中安全、舒适与否,他们也最有体会。

  费俊龙:大家好,很高兴能应《航天员》杂志的邀请,在这里给大家说说我们的飞船。在太空飞行的5天时间里,飞 船就是我们的“家”。

  聂海胜:希望大家都能认识并了解我们国家自己研制的飞船。同时,我们也要向飞船系统的科研人员致敬。

  “神舟”飞船由轨道舱、返回舱和推进舱3个舱段组成。

  轨道舱呈圆筒状,是航天员工作、生活和休息的地方。轨道舱内安放了应用系统设备、航天食品和饮用水装置。轨道 舱的后端底部设有舱门,航天员通过这个舱门可以进入返回舱。轨道舱外部两侧装有太阳电池翼,轨道舱内所需要的电能就是 由电池翼提供。

  飞船上升、入轨及返回着陆时,航天员都呆在返回舱内。返回舱是飞船的指挥控制中心,航天员可以随时判断、了解 飞船的工作情况,还可以在必要时人工干预飞船的系统和设备的工作。

  推进舱内安装了推进系统发动机和推进剂,专门为飞船提供姿态调整和进行轨道维持所需的动力,另外,这里还安装 了飞船电源、环境控制和通信等系统。

  舒适的“港湾”

  (此部分以费俊龙口吻介绍,配其个人照片)我们在轨道舱和推进舱里工作、生活,为了在飞船里给我们营造一个舒 适的氛围,设计师们花了大力气,很多设备他们都要先亲自试用,确保它们没有任何问题之后,才会装在飞船上。虽然轨道舱 和返回舱内部的有效空间加起来不超过12立方米,但设计人员进行巧妙的“装修”,600多台设备各归其位,我们的工作 、生活也更为方便和舒适。他们考虑得十分周到,让我们航天员十分佩服。

  在失重状态下,人的脊椎和四肢自然弯曲,体姿介于坐姿和站立之间,所以飞船上所有抽屉、柜子、扶手、操作台等 都不是按照地面上人的坐姿或站姿的高度来计算,而以太空中人体姿势为依据制造的。

  仪表板

  位于我们座椅对面的是仪表板,在其中的3块液晶显示屏和6块机电仪表上,我们可以看到飞船飞行的各种重要数据 ,比如飞船的姿态、速度、飞行时间和圈数,飞船上各台设备处于何种工作状态,舱内的温、湿度,以及我们的心跳、体温、 生理参数等。

  显示屏的背景颜色是淡灰色,不会对我们的视觉神经产生刺激,当然我们也可以根据自己的喜好调节显示屏和仪表上 灯光的亮度,保证各种图形、符号、数字清楚地显示,确保各种开关、按钮、阀门等标记清晰。提示灯、注意灯和警告灯的颜 色分别采用类似交通指示灯的绿、黄、红3种醒目的颜色。只要看上一眼,我们就知道有什么情况。

  飞船发射和返回时,我们被安全带紧紧地束缚在座椅上,因此,一些常用的按钮安放在一伸手就能够到的地方。如果 手够不着,用座椅扶手处放置了“指挥棒”一点就可以控制仪表板上的开关。

  飞船上需要监测和显示的参数多达上千个,我们并不需要一一查看,因为设计师采用了人工智能技术。我们需要哪方 面的数据,只要按下相应的按钮,它们就会立即显示出来。比如,想了解地理情况,只要按下“地图”键,显示屏上就会出现 一幅世界地图,并标出了相对地球而言飞船当前的位置以及飞行轨迹。至于那些我们工作中较少涉及的数据,只要它在正常范 围内,就由计算机进行后台监视,不需要显示出来。一旦某一个数据出现异常情况,将会有语音报警,告诉我们哪里出了问题 。

  我们在飞船上的工作计划、起居生活都在仪表系统的管理范围之内。飞船里有一个体贴的智能小“秘书”,它用声音 清晰、吐字标准、声调柔润的女中音提示我们:“该进行科学试验了,别忘存储数据”“正经过测控站(点),快与地面通话 !”“该锻炼身体了!”“起床!”“午饭时间到了!”等,我们每天都按照这些提示工作和生活。

  舷窗

  返回舱侧壁上开设了两个圆形的窗口,其中一个用来观察窗外的情景,我们坐在座椅上能够很方便地看到舱外的景色 。“神舟”五号飞船上,杨利伟通过舷窗看舱外环境的时候感觉不是很舒服。在“神舟”六号飞船上,飞船工程师针对这个问 题进行了改进,这才让我和聂海胜能在座椅上舒适地进行观察。另一个舷窗专门供我们操作光学瞄准镜观察地面。

  舱壁

  我们的工作和生活都在轨道舱里进行,所以舱内的设备多而且十分复杂,设计人员就采用“货架”方案进行摆放。6 块设备板均匀地分布在过道两边,设备分别按照功能安装在板上,不需要使用的时候就用浅色的帘子遮挡起来,舱内就显得整 洁多了。

  在失重状态下,无所谓上下之分。不过,为了照顾我们长期生活在地面所养成的习惯,轨道舱的舱壁涂上了不同的颜 色——代表“天”或者“上”的部分涂成了米黄色,代表“地”或“下”的部分涂成深棕色,中间则是过渡颜色。

  按钮

  因为我们戴着手套进行各项操作,为了避免我们触摸按钮不方便,飞船上各种按钮和开关的尺寸做得都比地面上的大 ,之间的间隙也比较大。按钮的表面比较粗糙,这是考虑到要防止手套接触按钮时打滑而设计的。功能迥异的按钮一般相距较 远,防止误操作的情况出现。其中一些重要的按钮、开关还设置了安全锁,即使误碰,它们也不会起作用。

  照明灯

  舱内使用冷光源荧光灯,明亮而不刺眼,灯管的外面配置了有机玻璃灯罩,上面有一些深度不一、有规则的花纹。据 设计人员介绍,这些花纹可以帮助收集灯管破裂后的碎片,同时也可以使亮度分布均匀,保证舱内物品的颜色不失真。一般情 况下,光源不会出现在我们的视野里,也不会因为设备或我们身体的遮挡,在仪表上留下阴影。灯的开关和调节器使用的都是 同一个旋钮,安装在我们伸手可及的地方,即使穿着航天服,我们也能方便地操作。

  空气质量

  执行“神舟”六号任务时,飞船带的氧气约50千克。能满足我们的生活需要,还能满足应急状态时的使用需要。飞 船采用供气体调压系统,氧气、氮气都装在高压钢瓶带上飞船,通过控制阀进行释放。舱内的气体成分大致和地面一致。飞船 内部还采用了先进的通风净化系统,可以及时清除空气中各种灰尘杂质,使空气质量始终保持在优良等级以上。

  温湿度

  每当我们飞到向阳面的时候,太阳会照进舷窗,飞船里的温度也会随之受到影响;再加上飞船设备工作产生的热量和 我们人体产生热量,舱内的温度将难以想象。

  飞船应用了回路流体技术。在泵的驱动下,液体在闭合的管路里循环流动,流经某个设备时就将它的热量收集起来带 走,之后传热器会把这些热量经传递到外回路,把热量辐射到茫茫太空中。负责吸收舱内空气热量的是冷凝干燥器,它跟我们 生活中使用的空调类似,能根据我们的活动量、飞船受太阳照射程度的变化而自动进行调整。推进舱后面有个白色的辐射器, 空气中的热量就靠它排放出去,使舱内温度一直控制在17~25摄氏度之间。

  大多数时候,温度感应计会获取数据,然后实现自动控制。如果需要,我们也可以手动控制阀门来改变温度。

  相比于温度的控制,湿度控制要困难得多。在太空中,我们每一个人每天通过呼吸、排汗等正常代谢,大约产生1. 8千克左右的水汽。飞船采用了一种吸附孔隔膜,通过施加一定的压力让空气通过,而水则被吸附下来。将这种隔膜应用于空 气循环系统之中,就可以将空气中的水汽有效过滤,使飞船内的相对湿度控制在30~70%之间。

  安全的太空之“家”

  (此部分以聂海胜口吻介绍,配其个人照片)介绍了飞船的舒适性,我还要给大家说说飞船的安全性,这对任何一个 在太空飞行的航天器来说都是至关重要的。“神舟”飞船上的安全性措施遍布飞船的各个角落,它们为我们5天的飞行提供了 必不可少的保障。

  舱面防热材料

  在太空飞行时,向阳面舱外温度能超过100摄氏度,背阳面舱外温度则下降为零下100摄氏度。当返回舱以数千 米每秒的速度穿越地球的稠密大气层时,舱面会与大气发生剧烈摩擦,表面温度会达到1000~2000摄氏度。我们航天 员在飞船里可以忍受的温度为40摄氏度左右,温度的快速、剧烈变化和强大反差会影响到我们的生命安全和一些仪器设备的 正常运转。如何给飞船降温,这曾经是飞船研制的一大技术难点。科研人员给飞船穿上了几层“隔热衣”,很好地解决了这个 问题。

  轨道舱舱壁采用的是由一种镀铝的聚酯薄膜组成的多层隔热材料。这种聚酯薄膜只有1厘米厚,但是其中分成了很多 层,层与层之间用尼龙网隔开,重量轻、密度低,达到世界先进水平。返回舱舱壁最外面一层,是由聚四氟乙烯和玻璃纤维布 组合起来的防护层,紧接着是隔热层,然后才是金属壳体。在返回舱上分布着一种特殊的金属吸热材料,它导热性能好、熔点 高、热容量大,能吸收大量的气动热量;同时舱面上的高分子材料经受高温加热时,其表面的部分材料融化、蒸发、升华或分 解汽化,也会带走大量热量。返回舱底部有一个直径约2.5米、像锅盖一样的防热大底,它是由具有辐射性能的钛合金、陶 瓷等复合材料构成的防热层,能将热量辐射出去,有效抵抗因大气层剧烈摩擦而产生的高温。

  因为飞船重量有限制,所以我们飞船的防热材料采用了蜂窝格的设计,

  (返回舱落地后图片)

  发动机

  飞船上共装有56台发动机,它们的推力大小不同,分布在推进舱、轨道舱和返回舱的不同部位,既可控制飞船的轨 道、姿态,也可控制飞船的速度。与“长征”2F火箭的推力比起来,这些发动机的推力小多了,有的发动机的推力就跟我们 普通人轻轻伸手一推的力量差不多。不过在太空中,轻轻一推的力量就足以让飞船改变姿态。

  为了确保飞船的安全,飞船上的发动机有一半是用来作为备份的。如果出现应急状况,不同种类和性能的发动机可以 互相替代。更令人振奋的是,这56台发动机全都是我国科研人员自己独立研制的。

  密封

  飞船要装舷窗、舱盖、发动机喷口、穿舱电缆等许多部件,所以在制作时舱体上要预先给它们留出位置,开出小孔。 在太空中,舱外的大气压力为零,而舱内必须为我们航天员保证有类似地面的压力环境,如果舱门密封性能不好,导致舱内气 体泄漏,就会危及我们的生命安全。可以说,飞船密封效果的好坏能直接影响到飞行任务的成败。

  飞船上较大的开口有近40个,仅轨道舱就有20个左右。飞船系统的设计师们通过论证、计算,研制出了短到8毫 米,长到8米多的各类密封圈,整个船体采用了235个这样的密封圈。像舷窗这样的重要部件都采用了两道密封方式。舷窗 上安装的仍然是玻璃,这能保证舷窗的透光性。但是,玻璃和周围部位的材质不一样,不能用采用同一种防热技术。技术人员 采用3层玻璃设计,并且突破了异质材料部位的局部防热技术、热密封技术、舷窗玻璃空间污染与防热、密封结构的地面鉴定 检验技术等4项技术难点,这才使舷窗既能高度密封又能防热。返回舱返回时与大气摩擦产生数千摄氏度的高温,这些密封部 件也能承受,我们的飞行也再一次证实了这些密封部件和技术的安全可靠。

  舱门

  在执行“神舟”六号飞行任务的过程中,我和费俊龙进行了穿舱试验,即从返回舱进出轨道舱。开关舱门,这在地面 上是一件非常简单的事情,到了太空却要面临很多困难和危险。这可能是“神舟”六号飞行中大家最为关心的,也是最让科研 人员花心思的问题。俄罗斯曾有3名航天员因舱门关闭不严导致舱内失压而牺牲。很多人把它比喻为“生命之门”,一点都不 为过。

  为了防止在飞船发射或返回过程中,舱门被振开或者被我们航天员误打开,科研人员在舱门上设计了一把特殊的锁— —防误开锁,它不仅安全而且操作简单。只有把拉手转到一个固定位置上,形成解锁状态,门才能被打开。

  失重状态下人处于飘浮状态中,有力也使不上来,所以舱门上还有助力点,帮助我们在太空中关上厚重的舱门。之后 ,检漏设备快速启动,在关闭舱门10分钟左右的时间内就能完成舱门的密封检测。当然,所谓密闭都是相对的,快速检测的 目的是判断出单位时间内的气体泄漏量,如果这个量在可以忽略不计的范围内,我们就认定舱门已经关好。因为舱门有两道密 封,只要一道没关好设备就会报警,我们也能及时采取应对措施。舱门上有很多导线通向返回舱的电脑,我们从仪表板上能看 到舱门的密封和开启状态。

  这扇小小的舱门上包括70多个机械零件,200多个电子配件以及我国首创的一种密封圈,是名副其实的高科技产 品。

  舱门清洁布

  准备返回之前,我们必须关闭舱门。大家通过实况转播可以看到,我们曾经用一块清洁布擦舱门。这是设计师们花了 3个月时间才研制出一种特殊的清洁布。

  舱门的密封性要求很高,如果密封面上粘有一个多余物,比如我们的头发、手上的油污、身上的各种细屑等,都会影 响密封性能。这种清洁布对人体无毒害、没有挥发物、不会掉小纤维等多余物、不产生静电、不会在舱门残留水迹等。

  降落伞

  飞船返回大气层后就会面临减速问题。由于受到大气摩擦,飞船进入大气层,速度就开始急剧下降。当飞船下降到距 离地球表面约15千米处时,飞船受到的空气阻力大体与飞船自身的重力相当,此时飞船的速度大约为200米/秒。要想让 飞船的速度进一步降下来就得依靠降落伞。

  在同等大气压力和同等载荷的情况下,降落伞面积越大,减速的效果也越好。我们的飞船上配备了一个目前世界上最 大的降落伞。它的面积为1200平方米,伞衣长达20多米,加上46.2米长的伞绳和几米长的吊带,降落伞全长达70 多米。

  这种降落伞跟我们当飞行员时用过的伞大有不同。它完全依靠工人一针一针地缝起来,一名缝纫女工一年也只能缝纫 出一副这样的降落伞。远远看上去它好像是一块整布,实际上它由1900多块小布像鱼鳞一样连接而成,布与布之间留有一 定的缝隙。这种降落伞结实,能耐高温,开伞可靠性高,下降时的稳定性好。伞绳的材料也很特别,别看一根伞绳的直径只有 2.5毫米,比鞋带还细,但是能承受300千克的重物。近百根伞绳合在一起,拉住重达3吨多的返回舱没有一点问题。除 了能保证飞船有很好的减速效果外,这个巨大的降落伞还能方便空中和地面搜救人员及时发现正在降落的飞船,从而能够迅速 组织和展开救援行动。

  飞船返回时,降落伞工作的过程大致是这样的:当飞船距地面大约10千米时,返回舱上的静压高度控制器会通过测 量大气压力来判定高度,自动打开伞舱盖,迅速带出引导伞,接着引导伞再拉出减速伞,此时返回舱的速度大约为180米/ 秒。减速伞工作16秒后,与返回舱分离,同时拉出主伞,飞船的下降速度将会进一步减至8米~10米/秒。

  为了使降落伞的载荷分布均匀,研制人员做了大量的分析计算工作,对降落伞的原材料也作了广泛调研。1994年 飞船系统的科研人员开始在茫茫的戈壁滩上做各种试验,系统地考核伞的性能。他们在“伊尔-76”飞机里装上一个模拟返 回舱,当飞机飞行到飞船应当打开降落伞的高度时,把模拟返回舱推下飞机,观察返回舱上的伞舱盖能不能弹开,降落伞开伞 的程序是否正常,伞衣、伞绳结实与否,确保了我们飞船上降落伞的安全可靠,

  (降落伞图片)

  反推火箭

  返回舱的底部还装有4台反推火箭,为返回舱落地提供最后一道安全保障。

  当返回舱离地面1.2米左右时,反推火箭点火工作,使返回舱速度降到1米/秒。确保飞船安全着陆。从“神舟” 五号和六号两艘飞船来看,反推火箭的设计是相当成功的。

  (网上示意图)

  缓冲座椅/坐垫

  着陆前,缓冲座椅开始自动提升以缓冲降落的冲击力。

  虽然经过了降落伞、缓冲火箭发动机的作用,着陆时飞船返回舱的速度仍能够达到1米~2米/秒,这样的撞击对于 像我们这样在太空中生活了多天的航天员来说是很危险的。因为在太空失重环境中生活会导致我们身体内的钙质大量流失,如 果不采取应对措施,着陆时的冲击很可能使我们出现骨折等危险现象。为了让返回舱着陆时对我们的冲击降至最小,我们的座 椅上首次安装了赋形减震坐垫,它能最大限度地吸收冲击的能量。赋形减震坐垫是根据我们形体的不同特征而量体定制的一种 吸能坐垫,我和费俊龙都有属于自己的坐垫。它能在发生撞击的瞬间有效地分散人体的应力,避免我们身体出现损伤。

  我们执行“神舟”六号飞行任务之前,赋形减震坐垫参加了多次返回舱跌落和空投试验,并且还利用力学假人进行了 试验,结果表明它可以非常有效地保护我们,而且性能已经达到了国际先进水平。


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