清华科技助圆天宫梦 

  记者 周襄楠 吕露英 高原

  航天技术作为世界上最为“高精尖”的工程科学的技术集成,每一个细小的环节和设计都会挑战人类目前所知和所做的极限。在天宫一号的设计和研发过程中,清华人以他们特有的智慧和责任感,在轨道运行、航天员健康监测、交会对接、舱体强度与寿命、对地观测接收系统解调设备等方面做了大量的原创性科研工作,出色地完成了航天部门交给他们的科研攻关任务。

 图为天宫一号目标飞行器结构示意图。来源:新华社

清华智慧破解天宫难题

  与我国以往发射的太空飞行器不同,天宫一号需要在太空做长时间的驻留,这对舱体是一种前所未有的考验:舱体长时间暴露在太阳辐照或地球阴影之中,这种冷热循环会引起舱体材料明显的膨胀和收缩,从而引起舱体结构的“热应力疲劳”;舱体外部的压力环境为超高真空,而舱体内是适合宇航员生存的一个标准大气压的压力环境,舱体在内外压差的作用下会产生应力和应变;如果舱体有微小的表面裂纹,这些裂纹是否会在太空驻留阶段继续扩展?

  针对这些问题,对天宫一号舱体的强度和预期寿命进行测算和分析就显得尤为重要。航院的庄茁教授和由小川老师带领博士后买歌菲热提和研究生胡盈辉在这方面做了大量的力学理论建模和结构分析工作,同时配合舱体材料进行了实验。从2008年至2011年,他们与中国空间技术研究院的研发人员通力配合,在理论建模、计算分析和材料实验的研发过程中,充分考虑舱体在生产制备、运输吊装、发射入轨和在轨服役阶段所处的不同环境和工况,既要保证舱体强度满足工程需求,又要避免“应力集中”从而产生舱体的薄弱部位,模拟了几乎能够想到的各种环境因素和意外事故,为舱体的材料选择和结构设计方案提供了扎实的应用研究成果。

  天宫一号之后,计划将发射“神八”、“神九”、“神十”与之交会并对接。交会对接成功无疑是组成未来空间试验站的关键,而且这是举世公认的航天技术难题。天宫一号与神州八号对接的过程,就如同太空中两列没有铁轨的高速运行的列车实现首尾相接,交会要稳、准,对接不仅要严丝合缝,还要把两者的设备都连接上。这需要在每一个细小的环节上做好变化的预案,每一种预案的产生都要经过精密的分析计算。

  航院副教授宝音贺西负责,龚胜平、蒋方华、李俊峰等教师以及多位博士生组成的团队承担起这套分析计算软件的开发。从2006年到2008年,经过与航天部门研究人员的通力合作和调试,他们成功地开发了一套分析计算软件,能够有力地协助中国航天空间技术研究院设计这些预案,从而确保天宫一号和神舟八号飞船的顺利交会。

  天宫一号的对接机构共有118个传感器进行测量,5个控制器接发指令,上千个齿轮轴承进行力和运动的传递,数以万计的零件和紧固件组成复杂的、机电一体化的周边式对接机构。对接难度之高难以想象。故交会对接需要在陆地上做各种模拟实验,以确保升空之后对接机构和交会对接过程的正常运行。任革学教授和陆秋海教授等人带领的课题组参与了空间交会对接技术的研发。他们参与了对接机构动力学仿真与复核,对接机构非线性动力学参数实验方案设计,对接机构非线性动力学实验模型,开发并交付了相应的实验分析软件,协助完成了我国第一个对接机构样机的地面非线性动特性实验,这些都是确保飞行器升空之后实现成功交会对接的基础。

“清华创造”装备天宫一号

  在天宫一号目标飞行器内部以及地面接收系统中,也有清华人研发的高科技产品——航天员健康监测系列产品和地面接收系统的解调设备。

  为了探索航天员长期驻留太空的医学变化规律,并对各种健康问题采取防护,同时满足他们作业训练的需求,从2006年起,经过历时5年的研发,通过几百次的实验和测试,我校研发了国内首创的航天员健康监测产品——质量测量仪、神经肌肉刺激仪和动态心电数据读取装置。根据中国航天员中心的医学需求,组成了由航院李路明教授领衔,航院教师郝红伟、胡春华、杨岱强、陆秋海、任革学、马伯志、刘方军,精仪系教师刘莹、高志、肖丽英,基础工业训练中心教师李双寿,还有多位研究生,美术学院工业设计系等院系、部门组成的,拥有50余名成员、充分利用我校多学科资源的、跨院系的攻关团队。

  航天员质量测量仪能在失重条件下“称量”人体质量,反映航天员飞行期间体重的变化。体重是表征人体健康的重要指标,这个在地面上并不复杂的问题,到了天上却因为失重而变得困难重重。李路明带领团队迎难而上,提出了一整套解决方案,战胜了飞船内部安装和使用空间狭小、测量设备重量要求苛刻、真空环境、高测量精度和重复精度、地面模拟试验、空间测量标定等一系列挑战,最终研制成功一套可以在轨精确测量航天员体重的设备,实现了从科学想法到上天产品的飞跃。

  神经肌肉刺激仪由郝红伟副研究员负责,是在太空对航天员的下肢肌肉施加电脉冲刺激,帮助航天员对抗骨丢失和肌肉萎缩。如何能够有效对抗失重效应,并尽量少影响航天员正常工作操作?项目组提出了电刺激的解决方案,研制出一种便携式的神经肌肉刺激仪。今后,航天员有望在身上贴好电极,刺激仪放置在工作服口袋内,在工作、生活的同时就能实现治疗。项目组还根据中医针灸的理论,证实刺激部位选择在某些穴位,电刺激还有缓解疲劳、调节精神状态的功效。

  动态心电数据读取装置项目由胡春华负责,其主要作用是将航天员的心电数据读取出来,传递到飞船主控计算机,再由主控计算机通过天地链路下传到地面。准确、可靠的心电数据是航天员健康情况的重要判据。项目组以高度的责任心和不惧艰辛的精神,加班加点,严格按照飞船总体的新接口规范和工程要求进行分析、设计和制造,最终按时保质保量完成了动态心电数据读取装置的研制。

  升空的天宫一号具有“对地观测”的功能,即在地面发生海啸、地震等地质灾害的时候,天宫一号等飞行器可以对地面进行高分辨率光谱观测。从2008年起,电子系卫星遥感技术研究室承担了“对地观测”这个任务中地面接收系统中解调设备的研制,他们研发的解调器作为前端数据接收与后端数据处理中的关键环节,为天宫一号探测数据的正确接收处理提供了重要保障。目前他们研制的解调器已经配备三亚和喀什两个接收站中。

  自2008年开展天宫一号解调器的研制以来,在副教授陈金树的带领下,研究室徐璐、江维、樊小明等师生十余人在研究室已经取得的调制解调理论与技术、信道编译码、软件无线电等方面的一系列前沿技术成果的基础上,克服重重困难,实现了从理论创新、技术创新到工程创新的跨越。解调器针对对地观测数据传输的超高速率,研究室提出了基于简单神经网络的盲均衡算法,很好地补偿了传输信道的幅相不平坦及非线性失真等不理想特性,将全信道的解调损失从系统总师原定的4dB降低到1dB,大大提高了系统在恶劣环境下的接收能力。研制过程中,清华国家重大科技专项管理办公室以其建立的科研和质量管理体系严格控制研制全过程,保证向天宫一号地面系统提供运行稳定可靠的型号设备。目前,研究室一方面开展新技术攻关,进行产品完善和工程化,为我国下一代对地观测的数据传输提供技术储备。

以清华精神践行航天精神

  与天宫一号相关的科技攻关,时间紧任务重,只能成功不能失败,并且它们都有工程应用的需求,这些对于参与攻关的师生都是巨大的挑战。

  在舱体强度与寿命的研究课题中,参加项目研究的2008级硕士研究生胡盈辉的工作受到了航天部门合作单位以及导师庄茁的充分肯定。由于项目本身的要求,胡盈辉在相当长的一段时间内每天都到中国空间技术研究院上班,与工程师们共同讨论制定设计方案。有时候为了一个设计方案或是一组实验数据,在实验室“连轴转”也是常有的事情。

  在与上海航天技术研究院共同完成首次对接机构样机的地面非线性动特性实验后,陆秋海把海量的实验数据拿回实验室,带着研究生闵建琴、曹学奇每天分析数据到深夜,连着干了一个多月,终于把数据分析完毕,并且得到了令人满意的结果。

  在交会对接分析计算软件的开发过程中,航院博士生龚胜平(2010年博士后出站留校任教)迎难而上,与导师和同学通力合作解决了基本的计算模型问题。但是要将一个雏形的计算模型转化为能够应用的软件,只有短暂的4个月时间。龚胜平与蒋方华(2011年博士后出站留校任教)、汤波(2008年毕业后到中国运载火箭技术研究院工作)三位博士生充分发挥各自特长,组成“铁三角”,分工合作,连续奋战,终于在航天部门要求的时间节点之前完成了软件的开发工作。

  在上天产品的研制过程中,实现技术演示只是万里长征走完第一步。为了精确选择材料器件和工艺路线,博士生严辉等项目组成员曾累计几个月住在湖北的相关生产单位,一起参加生产和试验。在项目实施过程中,团队还建立了极强的质量观念,这在航天员健康监测领域中是全国高校的独一份。

  在质量测量仪项目进度最紧张的时候,项目组的老师、研究生、工人们在一起没日没夜地攻关,边分析测试结果曲线,边进行设计优化,车间立即进行产品修改,刘莹老师发高烧40度还坚持在车间测试分析,最终在春节前几天完成了阶段验收。在航院动力学与振动研究所进行质量测量仪的气浮台地面试验持续了数月,陆秋海教授给予了大力的支持。每天空气压缩机的噪声震耳欲聋,但师生们知道是为载人航天服务,没有任何怨言。在地面上通过气浮抵消重力,同时要求被测对象要保持尽可能的刚度、稳定,才能验证测试方法的可行性和精度,为此陈荣敏等多名研究生承担起试验者的角色,每次试验下来,头昏脑胀恶心,当得知质测仪上天的消息时,他们每个人都激动万分。

  在与航天航空部门合力攻关的同时,清华学子也对航天精神和航天人的作风感同深受。参与对接动力学研究项目的3位研究生汤家力、余磊、洪迪峰在研发过程中多次和我国著名航天科学家陆元九、梁思礼院士等进行深入探讨,难得亲近大师的机会让年轻的学子领会到中国第一代航天人朴素的爱国情怀、严谨的科学态度和工作作风。

  据统计,近几年,航院90%以上的毕业生选择到国家重点行业和领域工作,其中绝大部分选择了航天、航空、航海和国防单位。毕业生中,形成了“人人立志上大舞台、成大事业、有大作为”的可喜局面。

来源:新清华 第1855期

2011年10月17日 10:40:50  清华新闻网

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