神七到底如何神奇

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  2008年9月25日21时33分,载人航天工程总指挥常万全宣布:“神七已经进入预定轨道,发射取得成功!”
  这一刻,举国欢腾!
  神七真的有那么神奇吗?你对它了解有多少?
  相对神六而言,神七不再有两对而只有一对“翅膀”——太阳能帆板。外观变化的同时,神七所承载的任务更让人充满期待——航天员出舱、满载三名航天员、众多第一次空间实验。
  “通过支持这三个主要活动,神七有许多新的设计和改进。”飞船系统总设计师张柏楠说。
  
  三任务:设计改进配置优化
  
  飞船系统副总指挥秦文波介绍说,飞船原来有两对“翅膀”,像蜻蜓一样,其中一对是安在轨道舱上,这是因为原先设定航天员回来以后轨道舱还要留轨半年。神七取消了轨道舱留轨功能,航天员返回以后,轨道舱不再需要动力,所以没有了太阳能帆板和相应的发动机。
  围绕航天员第一次出舱活动,轨道舱增加了可供航天员出舱的气闸舱功能。
  三名航天员同时执行任务也将考验神舟飞船的最大设计指标。尽管从神一开始飞船就是按三人设计,但尚未真正满载三人。满载情况下,必须满足三人的有效供给,包括舱内航天服、供气供氧、睡袋、座椅等,消耗品的量也要增加。满载时对飞船的空间、重量、功耗等影响比较大,这样飞船要进行很多改进。“有些重要功耗要提高效率,用更小的代价满足三人的要求。还需优化配置,使回收能力有更大余量。”张柏楠说。
  飞船的另一个重要任务是支持空间的科学应用和实验。众多第一次空间新技术实验将在飞船在轨期间完成,包括出舱航天员从飞船外部取回裸露在太空的一块固体润滑材料,在轨释放伴飞卫星并进行中继通信实验等。飞船系统副总设计师潘腾介绍说,飞船的平台设计对此都做了考虑。
  
  舱内外:完备设计人性考虑
  
  为了保证航天员安全,防止出现类似地面上晕船晕车的空间运动病,飞船内部有一个大气环境,通过对氧气和二氧化碳的控制、大气成分的控制来营造这个环境;一个温度环境,由完善的热控系统来控制;还有一些测控和控制分系统,来保证整个飞船的正常运行。
  飞船设计方面也征询了航天员的意见。比如颜色的搭配,航天员不太喜欢的颜色,或者太显眼、明亮、刺激性的颜色尽量少用。神七内部的主色调是比较柔和的米黄色。
  飞船回收系统也进行了大量可靠性实验。飞船系统副总设计师白明生说,火箭、降落伞等返回装置都是按三人状态来设计的,以前上一个人时,旁边也有两个座椅,放两个科学实验的装置,重量和两个人相当。所以返回时的安全性、可靠性没有任何问题。
  
  气闸舱:技术难关最大突破
  
  飞船在轨的第二十九圈,航天员将出舱活动。持续约30分钟的太空行走中,航天员将沿轨道舱外壁活动,取回固体润滑材料实验样品。在真空、失重、温度变化剧烈的太空环境中,如何保证出舱一系列步骤顺利实施,如何在高风险的出舱过程中保障航天员安全?
  “气闸舱的设计关系到整个出舱活动能否成功,”张柏楠说,“在轨道舱的基础上实现气闸舱功能,是考虑到目前飞船现有三舱的构型比较成熟,为了利用好现有构型,所以想到把轨道舱改成气闸舱。但这也比单独设计气闸舱增加了难度。”
  “气闸舱设计的难点是泄压和复压的控制,要在出舱活动之前把9立方米的空气放掉,执行任务之后还要把真空的气闸舱复压为1个大气压。”潘腾说。
  这个过程中,有三个重要环节:
  第一个环节是轨道舱的密封,其中关键是舱门。打得开、关得上,还要保证密封性;
  第二个环节是泄复压设备工作正常,包括泄压口要可靠关闭,可靠打开:
  第三个环节是恢复到1个大气压的速度不能太快也不能太慢。太慢会延长航天员在危险环境下暴露的时间,增加其他系统的环境压力。太快则会给航天员的身体造成伤害。
  “做了将近100项实验,突破技术难关用了2年~3年的时间。飞船最大的突破就是气闸舱。”潘腾说。
  
  比劳斯莱斯更舒适
  
  搭载神舟飞船的“长二F”火箭在神六发射成功之后,又做了36项技术改进,进一步提高了可靠性、安全性和舒适性。
  “火箭不允许轻易改,哪怕一个螺钉。非改不可的,要通过实验来论证其可行性。”火箭系统副总设计师宋征宇说。
  
  消减8赫兹:找回舒适感
  
  2003年10月,航天员杨利伟搭乘神五升空时,曾在一个短暂时间内感到非常不适。数据分析显示,火箭在上升期曾出现短暂共振现象。为此,研制人员对“长二F”火箭进行了改进。神六航天员没有产生特别的不适感。但技术人员发现,火箭从起飞126秒开始,还是出现了逐渐增大的纵向单频振动,频率约为8赫兹。
  8赫兹频率与人的心肌的固有频率相近,产生的共振会让航天员非常不适。如果这一问题不解决,神七上的航天员还有可能产生像杨利伟那样的感觉。进一步分析后,研制人员发现“8赫兹振动”现象是助推器动力输送系统产生的问题。最终,研制人员确定了使用变能量蓄压器来抑制振动的方案。“希望航天员感觉比坐在劳斯莱斯里更舒适。”宋征宇说。
  
  管路铝改钢:提高可靠性
  
  神六成功发射后,型号队伍在分析遥测结果时发现,火箭飞行至415秒附近时,一些技术参数出现异常变化。
  研制者组织国防科大、中科院等单位开展了理论研究,得出正常飞行不会产生这种异常现象的结论。但是,为了确保万无一失,火箭“两总”(总设计、总指挥)系统还是决定改进。经过真空喷流实验,发现铝制二级增压管路会产生“415秒现象”。为此,火箭“两总”系统设计了增压管路铝改钢的技术方案,进一步提高了火箭的可靠性。
  
  增加摄像头:跟踪全过程
  
  神七任务在火箭上安装了三个摄像头,比发射神六时多一个。通过这些摄像头能够清楚地看到火箭发射飞行的全过程,有助于地面进行有效调整,保证火箭飞行安全。
  “为适应第二阶段载人航天工程需要,下一发火箭将有比较大的改动。从这个角度讲,神七火箭是最后一次发射。”火箭系统总设计师荆木春说。
  “神八火箭可能看不到逃逸塔,直径、起飞重量也有变化,入轨的运载能力有所增加。助推器的推进剂增加了约20吨。”火箭系统副总工程师张智说。据悉,到了发射神八、神九时,将用“长二F”改进型火箭,之后或将用中型火箭来承担载人航天任务。
  截至2008年7月31日,世界各国航天员共进行319次出舱活动。美国有216名航天员进行出舱活动,俄罗斯有126名航天员进行出舱活动,其他国家有11名航天员进行出舱活动。
  国际空间站建造计划共完成114次出舱活动,由美国58名航天员、俄罗斯17名航天员和法国1名航天员、德国2名航天员、瑞典1名航天员、加拿大3名航天员、日本1名航天员共同完成。
  美国航天员共进行74次出舱活动;“天空实验室”空间站计划进行10次出舱活动;“阿波罗”飞船计划进行20次出舱活动:“双子座”飞船计划进行9次出舱活动。
  俄罗斯航天员在“和平”号空间站上进行75次出舱活动;“礼炮”号空间站计划进行16次出舱活动;“上升”号飞船计划进行1次出舱活动。
  1965年3月18日,苏联航天员列昂诺夫乘坐“上升2”号飞船完成世界上首次出舱活动,持续24分钟。
  1965年6月3日,美国航天员怀特乘坐“双子座4”号飞船完成美国首次出舱活动,持续20分钟。
  1969年7月20日,美国航天员阿姆斯特朗和奥尔德林乘坐“阿波罗11”号飞船完成世界上首次月面出舱活动,持续2小时32分钟。
  1984年2月7日,美国航天员乘坐“挑战者”号航天飞机完成首次不系绳出舱活动。
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