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揭秘中國(guó)空間站系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2022-11-04 09:41:00來(lái)源: 光明網(wǎng)-《光明日?qǐng)?bào)》

  光明日?qǐng)?bào)記者 張蕾 光明日?qǐng)?bào)通訊員 潘晨

  11月1日凌晨,隨著夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙在太空緊緊相擁,中國(guó)空間站在軌建造階段的最后一個(gè)艙段,配齊。

  獨(dú)具特色、渾然天成的中國(guó)空間站系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),是對(duì)我國(guó)航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一次創(chuàng)新跨越,閃耀著中國(guó)智慧,昭顯了匠心之美。下面,就讓記者帶您走進(jìn)抓總設(shè)計(jì)研制空間站系統(tǒng)的中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第五研究院(以下簡(jiǎn)稱“航天科技集團(tuán)五院”),一探究竟。

   “立足當(dāng)下、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)”的戰(zhàn)略觀

  “結(jié)果源自開(kāi)頭,起點(diǎn)通往終點(diǎn)”,航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔認(rèn)為,對(duì)于系統(tǒng)工程實(shí)踐來(lái)說(shuō),科學(xué)思想先于工程實(shí)踐——而這,正反映了我國(guó)建設(shè)空間站“立足當(dāng)下、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)”的戰(zhàn)略觀。

  “必須獨(dú)立自主,靠中國(guó)人自己的力量建成空間站!”航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊宏堅(jiān)定地表示,“要依靠自立自強(qiáng)打破封鎖,通過(guò)增強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),瞄準(zhǔn)前沿系統(tǒng)謀劃,提出適合我國(guó)國(guó)情的組裝建造方案?!睘榇?,他帶領(lǐng)總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),秉持“1+N=1”的設(shè)計(jì)理念,以“規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”為設(shè)計(jì)思路,踏上了巧思釋放、活力涌流的設(shè)計(jì)之旅。最終,他們創(chuàng)造性地提出“利用艙段交會(huì)對(duì)接和轉(zhuǎn)位機(jī)械臂進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位、研制大型組合機(jī)械臂并與航天員協(xié)同進(jìn)行艙外大型設(shè)施構(gòu)建”的方案。這一獨(dú)具特色的總體設(shè)計(jì)方案,可以使我國(guó)在沒(méi)有航天飛機(jī)等大型運(yùn)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(shí),需要科學(xué)、統(tǒng)一的技術(shù)體制有力地組織。于是,“一個(gè)系統(tǒng)總體、三個(gè)艙段總體加上一套專業(yè)分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)”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(wèn)天、夢(mèng)天三個(gè)艙段通用化率達(dá)80%),不僅促進(jìn)了空間站系統(tǒng)的方案優(yōu)化,還令系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程管理深度融合,相得益彰。

  在天和核心艙與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙組合形成L形后,夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的就位,使三艙構(gòu)成一個(gè)可靠的T字形組合體,成為空間站的基本部分,為后續(xù)擴(kuò)展巡天光學(xué)艙等艙段奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來(lái),中國(guó)空間站還能夠在機(jī)械臂的輔助下繼續(xù)組裝,形成“十”字形、“干”字形等擴(kuò)展構(gòu)型。

  在王翔看來(lái),變化的過(guò)程和結(jié)果都源自設(shè)計(jì),“萬(wàn)變而不離其宗”。

   “天-地-人”和諧共處的整體觀

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

  先看天上。組成空間站的各個(gè)艙段和來(lái)訪飛船都是獨(dú)立的飛行器,交會(huì)對(duì)接后形成組合體,通過(guò)“最強(qiáng)大腦”統(tǒng)一管控。除了在結(jié)構(gòu)上對(duì)接,組合體的信息和能源系統(tǒng)也相互連接,動(dòng)態(tài)并網(wǎng)、能力共享,像“神經(jīng)”和“血液”一樣暢通無(wú)阻。此外,通過(guò)熱控流體回路,熱量也能實(shí)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(jiǎn)單集合。”楊宏說(shuō)。

  再看地面。航天科技集團(tuán)五院建設(shè)了一個(gè)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(yùn)行模式,用飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)、開(kāi)展在軌狀態(tài)預(yù)測(cè)、趨勢(shì)評(píng)估。此外,該院還抽調(diào)骨干力量成立飛控隊(duì)伍,從天和核心艙發(fā)射前夕開(kāi)始就堅(jiān)持三班倒、連軸轉(zhuǎn)的空間站作息模式,24小時(shí)不停監(jiān)控天上的狀態(tài),默默守護(hù)?!耙荒甓鄟?lái),這支隊(duì)伍經(jīng)受住各種復(fù)雜在軌構(gòu)型和各類任務(wù)的考驗(yàn),身經(jīng)百戰(zhàn),具備了過(guò)硬本領(lǐng),將為后續(xù)長(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)任務(wù)提供可靠支撐?!蓖跸柙u(píng)價(jià)。

  人,是空間站系統(tǒng)里具有決定性的要素。不論是最初設(shè)計(jì)空間站,還是每次執(zhí)行任務(wù)的全過(guò)程,總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都會(huì)和航天員進(jìn)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(shí)別的物資管理系統(tǒng)、天地雙向視頻、智能廚房等,都蘊(yùn)藏著設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)計(jì)不斷提升舒適性和便利性,打造一個(gè)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(wù),在設(shè)計(jì)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(duì)總體設(shè)計(jì)人員說(shuō),“我信任你們”。在他們看來(lái),這句話既是最重的責(zé)任,也是最棒的肯定?!叭藶樘斓乜汀保谥袊?guó)空間站系統(tǒng)工程中,“天-地-人”和諧共處、相互成就。

   發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)的發(fā)展觀

  縱觀空間站系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),既有胸懷宇宙萬(wàn)象、馳騁天地間的酣暢寫(xiě)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(shè)計(jì)人員以發(fā)展的眼光和辯證的思維極早洞見(jiàn)并巧妙化解了。

  早在空間站任務(wù)起步之初,楊宏便意識(shí)到,關(guān)鍵核心元器件一定是制約空間站長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。遵循“以國(guó)家重大型號(hào)引領(lǐng)基礎(chǔ)技術(shù)突破”的思路,他帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)駐扎元器件研制一線,一舉突破550萬(wàn)個(gè)宇航用元器件的技術(shù)瓶頸,解決了核心元器件“卡脖子”問(wèn)題。目前,中國(guó)空間站系統(tǒng)的核心元器件已全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

  早在數(shù)年前,航天科技集團(tuán)五院就提早布局,打造宇航智造工程空間站示范項(xiàng)目,打通研制過(guò)程全周期、全三維的模型數(shù)字化流程,開(kāi)辟新型數(shù)字化研制模式,將研制周期縮短了30%。同時(shí),空間站總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)執(zhí)著追求,攻克了可爬行機(jī)械臂等一系列擁有自主知識(shí)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵性能指標(biāo)上不斷超越,使一個(gè)又一個(gè)中國(guó)創(chuàng)新奇跡閃耀太空。

  面對(duì)空間站系統(tǒng)可靠性的難題,總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)潛心鉆研、匠心獨(dú)運(yùn),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(jiǎn)的維修設(shè)計(jì),能在各種約束條件下實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的優(yōu)化和功能增強(qiáng)。

  在王翔眼中,中國(guó)空間站系統(tǒng)工程無(wú)疑是新時(shí)代發(fā)揮新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)、集中力量辦大事的生動(dòng)范例。創(chuàng)新+匠心,使中國(guó)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(shè)計(jì)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(dòng)展現(xiàn)。

(責(zé)編:李雨潼)

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