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10月31日,长征五号B遥四运载火箭在文昌航天发射场成功将梦天实验舱送入预定轨道。记者从航天科技(000901)集团五院获悉,为保证空间站在轨运行及航天员生命安全,在发射之前,梦天实验舱要在地面环境模拟容器中经历“大考”――真空热试验。此外,在发射过程中,梦天实验舱还会经受严酷的振动和噪声环境考验。

为克服三项“大考”,航天科技集团五院总装与环境工程部建成了容积世界第三大的空间环境模拟器KM8、世界最大推力的140吨电动振动台、容积世界第二大的4000立方米高声强混响室,在地面对梦天实验舱发射过程中的环境进行有效复现。

考验一:真空热试验

天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱“身材”高大,大型空间环境模拟设备KM6、KM7和KM7A等空间环境模拟器的尺寸不够,为满足以空间站工程为代表的大型航天器总装集成测试需求,航天科技集团五院总装与环境工程部在天津AIT中心建成了容积世界第三大的空间环境模拟器KM8。

据介绍,KM8拥有独立自主知识产权,设计直径17米、高度达32米,不仅个子大,很多设计理念也是国内外首创。2022年6月,在试验团队的操作下,KM8对空间环境进行了有效复现。

中国空间站运行在距地面约400公里高度的轨道上,将长期处于高真空、冷黑的环境中。为了能在巨大容积内有效模拟太空中的高真空环境,KM8真空系统配备30多台真空泵,可保证容器内部6000多立方米空间真空度达到要求。

为了模拟冷黑空间,KM8内壁装有一层近2200平方米可充气充液的密闭“内壳”――热沉。热沉通入液氮可持续进行冷却从而模拟出“冷”;同时,在热沉表面刷一层吸收率很高的黑漆模拟出“黑”。KM8拥有强大的低温系统,维持液氮在热沉内长时间稳定循环,来保证将近2200平方米的热沉表面的平均温度指标低于-180℃。

空间站在轨飞行过程中,由于没有大气层的保护,空间站舱体表面处于阳照阴影交变状态。在太阳光直射下,空间站表面温度最高可达150℃以上,在背阳面,温度最低可达-100℃以下。为真实模拟“冷热交替”的环境考验,试验团队通过严密的热仿真分析,为梦天实验舱量身定制了一套专用“外衣”,即红外加热笼。

红外加热笼是一种以电阻片做辐射源的红外模拟器,通过控制所加电流改变电阻片的温度,从而实现“外衣”温度的交替变化。梦天实验舱尺寸庞大、外形复杂、表面凸出结构多,要在KM8容器狭小的作业空间下用最短的时间完成近百余片红外笼的吊装工作,犹如在洞穴内给“刺猬”穿衣服,还要保证不能与“刺猬”的身体发生接触。

未来在轨运行期间,航天员需要多次出舱执行任务,同时,空间站时刻面临着空间微流星以及空间碎片撞击的威胁,因此,梦天实验舱的压力维持系统必须具备在规定时间内有效维持空间站内部压力状态的能力。KM8通过自身的压力控制系统模拟舱内压力异常变化的情况,在地面提前对梦天实验舱进行严格考验,为航天员的生命安全保驾护航。

考验二:振动

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空间站舱段在进行地面振动环境考核时所需的最大推力约120吨,而此前世界上最大的单个激振器推力只能达到35吨。基于现有能力、围绕技术指标,航天科技集团五院研制团队经过深入探讨,确定了四台激振器并联工作的基本方案,就像为振动台装上了四只手,通过互相配合来实现140吨的最大推力。

力学试验人员把140吨电动振动台称为“动地”。“动地”的“手劲儿”已经可以满足技术要求,为了精准控制四只“手”能够通过并联方式同步施力、避免效果相互抵消,研制团队为其装上足够聪明的“大脑”,通过差异化一次性幅值相位同步补偿技术,有效保证了四个激振器能“劲往一处使”。

此外,为使激振器的推力有效地传递给空间站舱体,放置航天器的台面需要重量轻且基频尽量高。针对台面刚度、质量和尺寸之间存在相互制约的难题,研制团队在“夹缝中”找到了问题的解决方案,提出了网格状封闭式扩展台面构型和分区优化设计等方法,成功研制了国内单体最大的镁铝合金台面,保证模拟效果尽可能贴近实际发射环境。

考验三:噪声

绰号“胖五”的长征五号运载火箭采用新型的大推力火箭发动机,发射时产生的噪声比其他火箭更高,其高音部(4000~10000赫兹)特别高亢嘹亮(是其他火箭声压的4倍),受高音影响,空间站如何保证结构和功能完好?

据介绍,由航天科技集团五院总装与环境工程部自主研制的“惊天”――4000立方米高声强混响室,有效空间长14.5米、宽11.5米、高24米,容积是国内原有最大混响室的两倍,专门用于考核大型航天器承受高声强噪声环境的能力。

模仿起飞时的声音,既要学好“腔调”,又要控制好“嗓门”。此前,国内外还没有满足这种“腔调”和“嗓门”的声源,给“演奏”带来极大难度。由此,研制团队提出了20个“歌唱家”齐上阵的设计方案,在混响室墙面布置了不同频率的喇叭,研制过程中,团队成员不仅对每个喇叭的发声性能进行严格把关,还为整个“合唱队”精心分配声部、排布站位,实现了最大声压级158分贝的混响声场。

此外,优秀的合唱团离不开专业的指挥家――噪声试验控制系统。研制团队对声源的发声机理进行深入研究,揭示了声源输出与气源压力、驱动电流、控制频率带宽等参数的规律,通过这套系统,实现了试验声场全频段、长时间精准稳定控制。

4000立方米混响室的大门达到10米宽、24米高、0.7米厚,保证梦天实验舱等大型航天器轻松出入。如果按传统的钢筋混凝土隔声门工艺,整个大门的重量将超过600吨,这将给地基处理、大门施工带来巨大的难度和成本投入。为此,团队进行大胆创新,采用具有完全知识产权的混响室钢结构大门专利,通过优化设计使大门重量减轻到180吨。结合增加外部轻质卷帘门的双层结构,保证系统的隔声量超过70分贝,不会影响到混响室附近工作区员工的身心健康。

新京报记者 张建林

编辑 白爽 校对 卢茜

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