揭秘中國空間站系統總體設計
光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 潘晨
11月1日凌晨,隨著(zhù)夢(mèng)天實(shí)驗艙與天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗艙在太空緊緊相擁,中國空間站在軌建造階段的最后一個(gè)艙段,配齊。
獨具特色、渾然天成的中國空間站系統總體設計,是對我國航天器系統設計的又一次創(chuàng )新跨越,閃耀著(zhù)中國智慧,昭顯了匠心之美。下面,就讓記者帶您走進(jìn)抓總設計研制空間站系統的中國航天科技集團有限公司第五研究院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“航天科技集團五院”),一探究竟。
“立足當下、著(zhù)眼長(cháng)遠”的戰略觀(guān)
“結果源自開(kāi)頭,起點(diǎn)通往終點(diǎn)”,航天科技集團五院空間站系統總指揮王翔認為,對于系統工程實(shí)踐來(lái)說(shuō),科學(xué)思想先于工程實(shí)踐——而這,正反映了我國建設空間站“立足當下、著(zhù)眼長(cháng)遠”的戰略觀(guān)。
“必須獨立自主,靠中國人自己的力量建成空間站!”航天科技集團五院空間站系統總設計師楊宏堅定地表示,“要依靠自立自強打破封鎖,通過(guò)增強頂層設計,瞄準前沿系統謀劃,提出適合我國國情的組裝建造方案。”為此,他帶領(lǐng)總體設計團隊,秉持“1+N=1”的設計理念,以“規模適度、留有發(fā)展空間”為設計思路,踏上了巧思釋放、活力涌流的設計之旅。最終,他們創(chuàng )造性地提出“利用艙段交會(huì )對接和轉位機械臂進(jìn)行平面轉位、研制大型組合機械臂并與航天員協(xié)同進(jìn)行艙外大型設施構建”的方案。這一獨具特色的總體設計方案,可以使我國在沒(méi)有航天飛機等大型運輸工具的情況下,完成積木加桁架混合構型的大型空間站在軌組裝建造。
從理想走向現實(shí),需要科學(xué)、統一的技術(shù)體制有力地組織。于是,“一個(gè)系統總體、三個(gè)艙段總體加上一套專(zhuān)業(yè)分系統團隊”的工程組織架構如宏偉的建筑拔地而起,輔以“整體統一”管理(天和、問(wèn)天、夢(mèng)天三個(gè)艙段通用化率達80%),不僅促進(jìn)了空間站系統的方案優(yōu)化,還令系統設計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)驗艙組合形成L形后,夢(mèng)天實(shí)驗艙的就位,使三艙構成一個(gè)可靠的T字形組合體,成為空間站的基本部分,為后續擴展巡天光學(xué)艙等艙段奠定堅實(shí)的基礎。未來(lái),中國空間站還能夠在機械臂的輔助下繼續組裝,形成“十”字形、“干”字形等擴展構型。
在王翔看來(lái),變化的過(guò)程和結果都源自設計,“萬(wàn)變而不離其宗”。
“天-地-人”和諧共處的整體觀(guān)
中國人講求“天地人和”,把整個(gè)宇宙看作一個(gè)大系統。這樣的智慧,在空間站系統的總體設計中體現得淋漓盡致。通過(guò)在眾多約束條件下創(chuàng )造最大價(jià)值的總體設計,讓天、地、人三大要素融為相輔相成的有機整體。
先看天上。組成空間站的各個(gè)艙段和來(lái)訪(fǎng)飛船都是獨立的飛行器,交會(huì )對接后形成組合體,通過(guò)“最強大腦”統一管控。除了在結構上對接,組合體的信息和能源系統也相互連接,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重構能力,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。航天科技集團五院建設了一個(gè)與“天宮”等比例的物理空間站,并采用數字孿生技術(shù)創(chuàng )建數字空間站,共同形成“天-地-數字”三站協(xié)同的新型運行模式,用飛行數據實(shí)時(shí)驅動(dòng)、開(kāi)展在軌狀態(tài)預測、趨勢評估。此外,該院還抽調骨干力量成立飛控隊伍,從天和核心艙發(fā)射前夕開(kāi)始就堅持三班倒、連軸轉的空間站作息模式,24小時(shí)不停監控天上的狀態(tài),默默守護。“一年多來(lái),這支隊伍經(jīng)受住各種復雜在軌構型和各類(lèi)任務(wù)的考驗,身經(jīng)百戰,具備了過(guò)硬本領(lǐng),將為后續長(cháng)期在軌運營(yíng)任務(wù)提供可靠支撐。”王翔評價(jià)。
人,是空間站系統里具有決定性的要素。不論是最初設計空間站,還是每次執行任務(wù)的全過(guò)程,總體設計團隊都會(huì )和航天員進(jìn)行充分溝通,將以人為本的理念貫徹到底。干凈整潔的艙內環(huán)境、掃碼識別的物資管理系統、天地雙向視頻、智能廚房等,都蘊藏著(zhù)設計師們的精巧構思與人本情懷。“一方面,從航天員的需求出發(fā),通過(guò)設計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),在設計之初就要系統地將安全性、可靠性考慮充分。”楊宏介紹。
首次飛天前,航天英雄楊利偉對總體設計人員說(shuō),“我信任你們”。在他們看來(lái),這句話(huà)既是最重的責任,也是最棒的肯定。“人為天地客”,在中國空間站系統工程中,“天-地-人”和諧共處、相互成就。
發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢的發(fā)展觀(guān)
縱觀(guān)空間站系統的總體設計,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(xiàn)紅線(xiàn)。只是,后者被總體設計人員以發(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,楊宏便意識到,關(guān)鍵核心元器件一定是制約空間站長(cháng)期可持續發(fā)展的瓶頸。遵循“以國家重大型號引領(lǐng)基礎技術(shù)突破”的思路,他帶領(lǐng)技術(shù)團隊駐扎元器件研制一線(xiàn),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,中國空間站系統的核心元器件已全部實(shí)現國產(chǎn)化。
早在數年前,航天科技集團五院就提早布局,打造宇航智造工程空間站示范項目,打通研制過(guò)程全周期、全三維的模型數字化流程,開(kāi)辟新型數字化研制模式,將研制周期縮短了30%。同時(shí),空間站總體設計團隊執著(zhù)追求,攻克了可爬行機械臂等一系列擁有自主知識產(chǎn)權的關(guān)鍵技術(shù),在發(fā)供電、物資循環(huán)利用和運行經(jīng)濟性等關(guān)鍵性能指標上不斷超越,使一個(gè)又一個(gè)中國創(chuàng )新奇跡閃耀太空。
面對空間站系統可靠性的難題,總體設計團隊潛心鉆研、匠心獨運,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)的維修設計,能在各種約束條件下實(shí)現整體系統的優(yōu)化和功能增強。
在王翔眼中,中國空間站系統工程無(wú)疑是新時(shí)代發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢、集中力量辦大事的生動(dòng)范例。創(chuàng )新+匠心,使中國空間站成為宇宙空間一顆耀眼的“明星”。我們有理由相信,以總體設計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。
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