為中國空間站打造防護“鎧甲”

(資料圖)

——記航天科技集團五院總體設計部空間碎片防護設計團隊

光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 鄭世貴 范晶巖

如今，中國空間站已在軌安全運行一年多，經(jīng)受住惡劣空間環(huán)境的嚴峻考驗，保障了航天員安全順利出艙，成功完成多項空間科學任務——這些，都離不開航天科技集團五院總體設計部空間碎片防護設計團隊。20年來，該團隊通過不懈探索與努力，打造出固若金湯的防護“鎧甲”，為中國空間站長期在軌安全運行提供了強大的空間碎片防護能力。

“空間碎片行動計劃”的源起

宇宙無垠，空間軌道資源卻并非無限。最具應用價值的地球軌道主要集中在2000公里以下的軌道區(qū)域，而這里也成為空間碎片的“集散地”。

空間碎片是指人類空間活動的產(chǎn)物，包括完成任務的火箭箭體和衛(wèi)星本體、火箭的噴射物、在執(zhí)行航天任務過程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎塊等，是空間環(huán)境的主要污染源。

“載人飛船是典型的低軌道航天器，其軌道所處區(qū)域空間碎片密度較大，碎片的撞擊對飛船運行的可靠性和安全性構(gòu)成嚴重威脅。特別是當航天員進行艙外活動時，由于失去了艙壁的保護，碎片撞擊的危害會更加嚴重，甚至直接威脅到航天員的生命安全。”航天科技集團五院動力學專家曲廣吉介紹。

1993年，全世界主要航天國家發(fā)起成立了機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC），空間碎片問題正式進入世界航天領域的研究范疇。2000年，在國家財政的支持下，國防科工委組織實施了“空間碎片技術研究”專項，并制定了“空間碎片行動計劃”。

從無到有，天宮一號經(jīng)受住考驗

從2002年起，航天科技集團五院總體設計部曲廣吉、楊雷、閆軍等專家敏銳地察覺到空間碎片領域?qū)ξ磥磔d人航天的重要性，迅速開始組建團隊，逐漸形成以航天科技集團五院動力學專業(yè)研發(fā)副總師閆軍研究員為帶頭人、老中青技術骨干為主的技術力量，全面啟動了空間碎片領域的技術儲備進程。

當時，國內(nèi)有空間碎片防護概念的人寥寥無幾，相關技術資料也屈指可數(shù)。于是，在每周一次的技術討論會上，大家暢所欲言，分享最新獲得的信息，表達自己的感悟和困惑，讓思想的火花在交流碰撞中盡情迸發(fā)。短短幾年，團隊完成一系列相關課題項目，突破數(shù)學建模、編程語言開發(fā)、編程算法推演等多項關鍵技術，成功開發(fā)出“空間碎片風險評估與防護設計軟件”，相關成果得到國際同行的認可。

2005年，在天宮一號初樣設計之際，團隊多次匯報空間碎片的危害及對策。型號總指揮、總設計師經(jīng)過慎重考慮，決定在天宮一號上率先開展空間碎片防護設計，并指定由他們來承擔天宮一號空間碎片評估及防護設計的全部工作。

面對空間碎片防護技術的首次工程應用，團隊成員們?nèi)缏谋”啻蜗蚩傮w設計師、結(jié)構(gòu)設計師、熱控設計師們請教與溝通，深入了解總體和分系統(tǒng)設計需求。為了盡量減少重量，他們通過大量試驗，大膽提出利用輻射器擔當部分防護功能的思路，充分利用艙外原有的輻射器作為防護板，在只增加支撐柱重量的情況下，把艙體防護能力提高了3倍多。同時，通過把輻射器管路更改為內(nèi)藏式設計，顯著減小了輻射器管路的單點失效概率。在航天科技集團五院新飛船試驗船技術負責人楊雷看來，天宮一號的防護設計，“完美結(jié)合了超高速撞擊防護理念與工程中簡單、經(jīng)濟、可靠等原則”。

2011年9月29日，天宮一號發(fā)射成功。作為我國首個使用空間碎片防護設計的航天器，天宮一號于在軌四年半的時間里經(jīng)受住空間碎片環(huán)境的考驗，表明我國空間碎片防護技術取得重大突破。

防護設計新進程全面啟動

在天宮一號防護工程實踐快要收官時，該團隊又開始著眼我國載人航天三期工程，針對空間站更長的在軌時間、更大的組裝規(guī)模、更苛刻的防護需求，全面啟動了防護設計新進程。

他們以自主可控和可持續(xù)發(fā)展為宗旨，提出“材料立足國內(nèi)、指標對標國際”的研發(fā)原則，決定開發(fā)性能更先進的復合材料填充式防護結(jié)構(gòu)。

第一關要攻克材料問題。“我們獨辟蹊徑提出了‘基于沖擊壓力的防護材料評估方法’，定量評估材料防護性能，從國內(nèi)幾十種復合材料中篩選出具有防護潛力的兩種材料，后續(xù)撞擊試驗與前期評估結(jié)果完全吻合。”閆軍說。

關鍵的第一關突破后，他們又通過數(shù)百次數(shù)值仿真計算和試驗，掌握了復合材料的重量和位置等參數(shù)對防護性能的影響規(guī)律。后續(xù)，設計師就可以根據(jù)需求輕松設計出擁有最優(yōu)性能的防護結(jié)構(gòu)。“目前，先進防護結(jié)構(gòu)已成功應用于天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙的防護，我國空間站防護結(jié)構(gòu)的性能指標達到國際先進水平。”閆軍表示。

（光明日報北京9月18日電）

《光明日報》（ 2022年09月19日?08版）