航天科技集团攻克交会对接机构系统重重难关

文章来源:中国航天科技集团公司  发布时间:2012-06-20

  神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器在太空“相吻”的瞬间,是首次载人交会对接任务中最受人们关注的一刻,中国载人航天发展史必定会铭刻这一辉煌瞬间。为了让那一瞬完美无缺,航天科技工作者花费了16年的时间。16年筚路蓝缕,航天人从零开始,以坚忍不拔的精神攻坚克难,以无私奉献的精神甘于寂寞、执著向前。

  技术难——只有3个国家掌握的技术

  前苏联与美国是最早掌握交会对接技术的国家。由于这项技术难度非常大,这两个国家在实施交会对接过程中都曾出现过故障。

  上世纪60年代末,美国在太空最早实现了交会对接。但当时的对接只在两个飞行器之间进行,并没有形成安全通道。联盟号飞船在与礼炮一号空间站完成空间对接后,由于对接机构出现问题,还出现过航天员没能进入空间站的情况。

  直到前苏联在太空建立和平号空间站时,交会对接技术才日臻成熟。至今,俄罗斯已在太空完成了数百次的交会对接。美国虽已掌握该项技术,但航天飞机的对接机构都是向俄罗斯采购的,而欧空局的对接机构也都是由俄罗斯生产的。

  2011年11月3日,随着神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器在太空中成功实现交会对接,我国成为继俄、美之后第三个完全独立掌握交会对接技术的国家,并阔步迈向空间站时代。这一成就的取得非常不易,航天科技工作者为此付出了大量的心血。

  加工难——不为人知的攻关岁月

  “解决了动力学参数设计问题只是解决了设计方案可不可行的问题。当时,我们对项目后续进展还是很乐观的,却不知真正的考验才刚刚开始。”回忆起当时的情景,张崇峰介绍说,“要把几百个齿轮装配好,协调匹配的工作难度非常大,大量的机构设计工作又开始了。”

  交会对接时,要在一两秒钟之内,完成几百个齿轮与轴承一连串的捕获动作,还要在十几秒内完成缓冲等动作,对接机构必须非常灵活。为了一气呵成完成交会对接动作,研制人员下了极大的工夫,并攻克了10个关键技术,其中包括接触、捕获、缓冲、拉紧、密封连接及分离等机构。研制人员从小部件、小单机开始做起,再串成整体系统,进行试验验证。 

  当时,805所一批从事传动设计的老设计人员起到了关键作用。一位叫杨耀明的老设计师曾做过一项统计,设计交会对接机构半年所画的图纸是其过去20年的总和,可见这些传动设计领域老专家们的工作量之大、付出的心血之多。

  刚开始时,研制人员希望把对接机构做得非常精确,但在试验过程中却发现,机构的灵活性以及能够顺利完成对接才是最重要的,零部件的精度要求反而是第二位的。从理论设计到试验,再根据试验结果调整设计方案,这样的循环过程经历了不知多少次,在实践过程中,设计思路、设计规范也在不断调整。

  由于参与对接机构研制的厂家众多,研制人员需要把航天严格的质量控制要求传递给合作单位。一家航空企业生产的传感器产品,其质量满足国军标要求。但在测试过程中,细心的测试人员却发现,一个信号有跳动的现象。为此,航天技术人员与这家航空企业共同查找原因,并修改了操作工艺,经过反复测试,终于满足了设计要求。那家航空企业表示,与航天企业合作,也促进了其自身技术水平的提高。

  论证难——从一张白纸开始

  交会对接机构由捕获缓冲、连接分离、控制和控温四个子系统组成,包括118个传感器、5个控制器、上千个齿轮轴承、18个电机和电磁拖动机构、数以万计的零件和紧固件,在其内部,更是有数百条导线纵横密布。要使这么多零部件协调一致,这么多导线不出现任何差错,真是难上加难。

  回忆起研制交会对接机构最初的攻关历程,载人航天工程空间实验室系统副总设计师张崇峰有很多感慨。他介绍,我国载人航天工程获得国家立项后,上级有关领导希望中国航天科技集团公司及早开展交会对接机构的立项与研究工作。

  当时,张崇峰还是哈尔滨工业大学的一名教师,在俄罗斯进修时,他曾专门进行过交会对接项目的研究。不久,八院与哈工大联手合作,共同开展研制工作。受这项工程的吸引,张崇峰调入805所,组建了一支7人研制团队,正式开始了交会对接方案的论证工作。最初的研制资金都是由研究所自筹的,如果方案不能通过,前期的努力与付出将付之东流。

  “方案论证是从一张白纸开始的。当时,交会对接的核心技术在国外是被封锁的。我们仅仅靠很少的信息,以及到俄罗斯参观获得的感性了解,还有克服困难的信心与决心,开始了方案论证工作。”张崇峰介绍。

  在方案论证阶段,张崇峰主笔完成了方案第一稿。时任八院副院长施金苗多次召集大家进行方案讨论。他一页一页地进行讲解,耐心地向研制人员阐述怎样考虑问题、怎样修改方案。结合他的修改意见,研制人员又花费了几个月的时间,重新修改了方案。功夫不负有心人,经过不断修改与完善,最终,交会对接研制方案顺利通过了评审与复审。

  设计难——16年的寂寞与平凡

  都说十年磨一剑。研制初期,研制人员经过测算,计划用10年的时间完成交会对接系统的研制工作,但受方案多次更改等原因的影响,最终完成这一任务用了16年。在这16年里,神舟飞船发射了7次。当载人航天工程其他分系统的研制人员已多次为成功而庆贺,不少人喜获嘉奖并获得职位提升时,交会对接系统的研制团队却仍然默默无闻地攀登着一座座技术高峰。 

  交会对接研制过程中,首先遇到的难题是动力学设计。别看神舟飞船与天宫一号实施交会对接时只是瞬间的一碰,但其技术难度之大却超乎想象。如果用力过大就会“追尾”,用力过小就会对接不上。为此,研制团队首先要建立动力学模型,完成整套动力学参数设计;之后,再根据动力学参数,生产出由齿轮、弹簧等零部件组成的庞大的传动系统;同时,还要做各种试验,验证这套系统在高低温、辐射等模拟太空条件下,能否正常而可靠地工作。虽然困难重重,但大家都怀着乐观的心态攻坚克难。

  动力学设计一开始就遇到不少困难,比如,零部件该选用什么样的材料、什么样的强度才能满足要求等等。研制初期,很多零部件在国内连标准都没有,也没有相关资料可供借鉴,完全靠研制团队自己去摸索并制定标准,再通过计算和大量的地面试验,从不同方案中对比验证。那些年,研制人员真是吃了不少的苦。

  设计方案完成后,首先需要进行仿真验证,而新的困难又来了。上世纪90年代,我国的仿真技术刚刚起步,研制人员曾花费大量精力进行数学仿真,并建立了虚拟样机,反复修改模型与参数,模拟交会对接的全过程。

  为确保数据的可靠性,研制团队还与哈工大、上海交大等高校及一些科研单位分别进行计算仿真模拟,并相互进行对比。可喜的是,多家单位得出的仿真结果高度一致,这使大家对后续工作的开展充满了信心。

  对接机构之所以在太空表现出色,最初的高质量设计为后续工作奠定了坚实的基础。研制初期,已是80岁高龄的陆元九院士亲自为动力学设计把脉,还多次从北京赶赴上海,与技术人员共同讨论设计方案。像他这样关心并协助对接机构研制的老专家还有很多。

  试验难——用泰山石打造的试验平台

  有这么一组数据,为了验证对接机构的可靠性,研制人员在地面上开展了1101次对接试验和647次分离试验。天宫一号与神舟飞船能够顺利完成交会对接,为对接机构配套服务的大型地面试验同样功不可没。

  在805所大型试验场内,有多种试验手段来验证对接机构的各项性能指标,而设计各项试验的难度绝不亚于设计对接机构产品的难度。由于难以同时模拟失重、六自由度、高低温变化、真空等空间环境,研制人员把试验分成几部分进行,包括模拟失重状态再加上高低温变化的对接与分离试验以及热真空试验等,之后再把各项试验数据进行综合对比分析,验证对接机构的整体性能。

  空间模拟飞行器失重试验是其中的大型试验之一。走进大型试验场,可以用震撼来形容。对接缓冲试验台有两个长方形大型试验平台,每个平台重达8吨,都是用泰山的巨石做成的。

  为了研制生产出缓冲试验平台,研制人员四处奔波。经过反复比较,发现泰山石对外界的温度、湿度变化不敏感,对试验台测量数据的干扰比较小,最终选定用泰山石作为试验平台。

  采石过程非常不容易,最初从泰山上采集的原石重达200吨,用拖拉机从泰山拖下来,再运到青岛的一家加工厂加工。由于平台的加工精度要求非常高,当时的机械加工手段难以满足精度要求。最终,试验平台是靠工人师傅们用手工打磨的方式一点点磨出来了。

  第一次在试验台上做气浮试验时,大家心里都没有底,研制人员特意准备了3套参数。试验时,对接机构成功悬浮在试验台上,模仿空间失重状态,由于前期准备充足,试验进行得非常顺利,成功实施了交会对接。据介绍,俄罗斯早期试验台是悬挂式,与805所的气浮式相比,试验效果远没有该所的好。

  模拟高低温下六自由度的对接机构综合试验台也非常复杂,研制人员曾想从俄罗斯直接购买。当年,俄方认为,建成试验台需要用3年的时间,而完全建成再调试好则要花10年的时间。这么长的研制周期显然不能满足交会对接任务进度的要求。

  最终,八院下定决心,自己研制综合试验台。面对各种挑战,技术人员冒着风险开始了艰难的自行研制过程。当时,805所牵头,并联合了哈工大、浙江大学、上海交大以及华东所等一批单位一起进行攻关,设计方案非常细致。同时,大型的部件由上海重型机床厂加工完成。

  综合试验台建成后,俄罗斯专家曾专门前去参观,他们非常羡慕我方的试验能力,在现场翘起了大拇指,称赞这是当今世界上水平最高的综合试验台。

  虽然天宫一号与神舟九号自动交会对接获得了成功,但这只是刚刚走完第一步。航天的研制人员正在开展多种攻关,使对接机构更加稳定、可靠,以满足空间站的发展需要。

  如今已有人提出,研制可与卫星对接的机构,完成诸如空间卫星维修、维护、补加燃料、更换失效部件等任务,而这将是航天发展进程中又一革命性的进步。美国在NASA的一份报告中显示,未来20年~25年,交会对接技术将是其密切关注的一个技术发展方向。因此,交会对接的发展之路依然漫长,发展前景依然广阔。