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神舟五号探密

(2018-05-26 05:29:05)
标签:

航天服

航天食品

ccd传输性相机

神舟五号

宇航员

分类: 前沿科技

(一)神舟五号如何确保安全?

“神舟五号载人飞船已经进入总装总测阶段,搭载的科研设备大多已通过验收,整装待发。中国的载人航天梦想即将实现,时间大约在今年10月至12月”。日前,中国航天部门载人航天工程的一位负责人说。“至于神舟五号的确切发射日期,要看届时的天气状况和飞船整体试验的进展情况而定。另外,宇航员返回时的地面温度和太阳活动、空间辐射等空间环境状况也需要考虑。”

作为继美俄之后,世界上第三个自主发展载人航天技术的国家,我国“神舟”从起步时就力争高起点,瞄准建立运送物资和航天员安全往返天地的运输系统,而神舟五号更上了一层楼。

通过对前几次飞行和地面试验的综合分析,神舟五号飞船内的布置、装备已经完全达到了载人标准;神舟五号所有测试项目都严格按照标准、章程的要求进行,注重从细枝末节上查找缺陷,确保杜绝因技术状态失控和人为操作失误可能带来的安全质量隐患,杜绝地面设备的任何误差影响船上状态,以保证神舟五号飞船发射万无一失。

载人航天工程涉及火箭、飞船、发射场、空间应用、航天医学工程保障、航天测控、着陆场等七大组成系统。载人飞船是保障宇航员在外层空间生活和工作并返回地面的航天器,安全性和可靠性更是重中之重。在神舟四号成功返航和美国哥伦比亚号航天飞机发生事故后,不少人都想知道中国将如何保证宇航员的人身安全。

针对宇航员的安全问题,神舟五号总设计师戚发轫院士对记者说,中国有信心保证宇航员的安全。他说:“我们在设计飞船时有一个原则,就是飞船的每一个系统要做到“一次故障,正常飞行;二次故障,安全返回”。换句话说,当一个系统第一次出现故障时,要做到飞船能正常运行,出现第二次故障时,能保证宇航员安全返回”。

戚总说,神舟五号飞船认真汲取前四艘飞船的研制经验,在诸多关键技术方面又进了一步,安全性、可靠性万无一失。比如,轨道舱和返回舱连接处需要多个螺栓来加固,但当两舱在太空分离时,螺栓需要立即“松绑”,也就是“连要连得可靠,断要断得干脆”。这就是舱段之间的连锁技术。通过前几次上天测试,这项技术在神舟五号得到了升华。此外,像飞船如何进行空中姿态调整,穿过稠密大气层时如何不被烧蚀,如何利用空气作用安全着陆技术,在总结以往经验的基础上也都进行了完善。

运载火箭作为搭乘载人飞船的工具,既不能中途停下来检查,更不能返回到地面修理,可靠性也十分重要。为将神舟五号飞船安全送入太空,火箭研制者们一丝不苟,精益求精。首先是重新“解剖”。据火箭总指挥长介绍,每次发射前,他们都要将事先已装配并测试过的长征2F火箭上的仪器全部拆下来,返回生产厂方重新开盖复查,并将研制载人火箭中更加严格的条件提前到这枚火箭上来实现。例如,火箭上有很多依靠信号来控制的开关-继电器,神舟五号对火箭系统关键设备中使用的继电器线路,进行了全面的冗余设计复核和修改,实现了双继电器组成的冗余,提高保险系数。其次是坚持异常情况不过夜。在神舟五号测试过程中,火箭某设备出现异常,如不及时更换,将直接影响整个测试进度。试验队当即与生产车间取得联系,连续奋战20小时,更换好设备重新测试,直到各项技术指标全部过关为止。

长征2F火箭是我国独立研制的第一种载人运载火箭,设计的可靠性指标由不载人0.91提高到0.97,即发射100次,至少成功97次;航天员安全性指标为0.997,即发射1000,997次成功。据戚总设计师介绍,世界航天技术发展的历史证明,威胁航天员安全的故障大多发生在火箭飞行段。解决火箭故障检测技术和逃逸技术,是世界性难题。比如,联盟号飞船逃逸系统曾两次成功救出航天员的宝贵生命,挑战号航天飞机和哥伦比亚号航天飞机由于缺乏逃逸系统,航天员都被活活烧死,酿成世界航天史上的惨剧。

在此次载人飞船神舟五号的发射中,长征2F火箭的逃逸系统将首次为宇航员的安全提供保护。在发射前15分钟,火箭上的自动故障检测处理系统可以自动进行故障检测,一旦有问题它会自动报警。例如,故障检测系统“传递”信号由一路增加到三路,关键部位或重要信号采用“双岗制”或“多岗制”,只有两个或两个以上信号“赞成”,才能正常工作。假如航天员正在塔架上尚未进舱就发生故障,可以就近跳进塔架上的逃逸布袋,布袋是用一种弹力很强的特殊帆布做成,航天员跳进去后用四肢的阻力来控制下降的速度,像乘软滑梯一样从上面一直滑到地下室的安全地带。在以往见到的神舟系列发射图片上,可以看到火箭顶端有一个像旗杆那样的尖子,这个尖子就是载人的标志,没有这个尖子就不能载人。而这个尖子就是逃逸塔。如果航天员进舱后火箭发生问题,这套系统还可以指挥火箭顶部的逃逸塔自动点火,逃逸塔将拽着轨道舱和返回舱与火箭分离,逃逸塔上的栅格翼,犹如风筝的尾巴让风筝

不会折个儿,保证了救助时飞行器的稳定性,从而帮助飞船里的航天员脱离险境,并降落在安全地带。火箭整流罩里的灭火装置,则能保证逃逸时飞船的安全,将自动喷发灭火气体灭火。如果火箭发射没有问题,则火箭点火160秒后,飞行到110千米处将逃逸塔抛掉,以减轻飞船载重量。所有这些措施为长征2F火箭高可靠、高安全、高质量地发送航天员升空,加上了一道又一道保险。

与不载人飞船相比,载人飞船还必须具有适合宇航员生活、工作的环境和保障安全的方法、手段,如仪表盘离航天员多远,照明灯如何配置,航天员如何与地面对话,如何不带病菌进舱,在太空中怎样关舱门,进食时怎样才能没有飘浮物,以及一旦程序失灵,怎样手动操作飞船安全返回地面等课题,都在我国航天科技工作者的不断探索中得以圆满解决。

(二)宇航员如何训练?

神舟四号发射成功后,有关中国太空人训练的报道占据了国内外媒体的重要位置,成为中国老百姓的热门话题。我们通过努力,了解到中国首批宇航员的许多鲜为人知的“秘密”,在这里与广大读者朋友共同分享。

据有关专家介绍,中国目前有宇航员14位,其中2人是教官。他们全是男性,是从空军飞行员中挑选出来的,平均年龄30岁,都有10年以上的驾龄,1000小时的高空飞行经验。他们的身高都在170厘米左右,体重65千克左右,大学以上学历,身体和心理素质一流。目前,中国宇航员正在北京西郊的航天城训练,准备在不久的将来乘坐神舟五号飞船升空。

据中国载人航天应用系统总指挥张厚英透露,神舟五号飞船上有三个座位,但这次肯定不会上三名宇航员。根据张总的意思推测,神舟五号只上一人的几率较大,有可能上去当天就返回。因为神舟五号主要是证明中国有能力把人送上天,航天飞行风险极高,首次上一人足矣,没有必要上多人去冒险。被光荣选中的14位宇航员,经过5年多来的培训,人人都渴望获得“第一宇航员”的荣誉。而首飞宇航员的心理素质是关键,要敢于牺牲,敢冒风险。苏联的加加林本来是当年的三号人选,但一号、二号人选在最后的心理测试中没有过关,终于让加加林成就了千古英名。

目前,宇航员的培训工作正在按计划进行。然而他们的训练到底怎样?宇航员在太空中的吃、穿、住、睡将如何解决?都成了外界极为关注的新闻。

北京,航天城一这个培养中国首批宇航员的摇篮,凝聚着世界和中国多少人的目光。

据到过训练基地的有关人士介绍,宇航员的训练远比我们想象的艰苦,有些训练甚至让人难以忍受。当初苏联宇航员在一年内,要骑自行车1000公里,滑雪3000公里,越野跑步200多公里。当年美国的宇航员登月前要穿几十千克重的宇航服,在炎热的佛罗里达沙漠中,每天行走二三十千米。而今我国的宇航员也在进行高强度的训练。

进入航天城,首先映入眼帘的是一间不大的房子,四面封闭,除了靠墙一台控制仪器外,地中央的一张转椅格外引人注目。这张转椅不但可以做360度顺时针和逆时针的快速运转,而且可以同时上下前后摆动。转椅主要是用于检查宇航候选者的前庭神经功能,以了解他对震动及眩晕的耐受能力。从转椅室出来进入的是电动秋千室,在高达数十米钢架的护卫下,一台貌似汽车的厢式秋千被四条钢臂凌空提起。电动秋千荡起时,前后能甩出15米,它主要是用于适应空间运动和开展对空间运动病的研究。

航天城里还有一个“冲击塔室”,内有一座约4层楼高的绿色铁塔。它的作用是模拟飞船返回地球的冲击环境,从而加强人的抗冲击耐力,研究各种方式的防护措施。

3层楼高的离心机室里装备着亚洲规模最大的国产载人离心机。人体离心机是一种巨大的旋转装置,既可以上下伸缩,也可以左右转动。顶上有一条长达16米的旋转手臂,它用结实的钢架紧紧托住了位于手臂前方的一只椭圆形不锈钢封闭吊舱,这只吊舱也可以呈一定的角度转动,因此可以建立同方向作用于宇航员的超重条件。当整个离心机开起来时,有些像游乐场中的“飞碟”,无论是“房子’’、“手臂”还是吊舱,都在不停地加剧转动摇摆,但其转动的速度和摇摆角度则是“飞碟”无法比拟的。

宇航员的安全和健康的研究是空间技术发展的一个重点,宇航员训练中心里有各种各样为使宇航员适应太空生活而设置的模拟舱。低压舱是一座淡绿色的T形舱,内有工作舱、休息舱和卫生舱3部分。当宇航员穿上特制的航天服走进低压舱之后,舱内的空气都被抽掉,宇航员此时就开始进入“太空”。狭小的舱内既没有电视也没有音响,就连做一些摇摆幅度较大的健身活动也很受限制,没有电话,不准通信,与社会完全隔绝。学会如何适应这种环境,是走进太空之前必须攻克的课题。

天象仪室是宇航员模拟训练中的最后一个关卡,宇航员升空执行任务之前必须在这里熟悉星空图,找出自己将要走过的路线,一旦载人飞船的自动导航系统出现故障,宇航员就不得不启动手动装置来寻找回家的路了。

宇航员需要学习的专业知识很多,包括飞行动力学、空气动力学、地球物理学、气象学、天文学和宇宙航行学,以及火箭和飞船的设计原理、结构、导航控制、通信、设备检测、航天医学知识等;需要学习的太空操作技术也很多,还要进行各种安全脱险训练,如发射塔和飞机的跳伞训练,迫降在海上或陆地时的求援训练、正常降落在海洋时从飞船出来的训练。特别是紧急情况的处理,瞬间的要求非常高,也许只有一两秒钟,需要平时扎实的训练功底和快捷熟练的高超技艺。据说他们个个能文能武,素质不凡,神舟五号一旦发射成功,他们的飞天本领将会展露在人们面前。

(三)神舟五号为何定在白天发射?

神舟五号将定于白天发射。以往神舟飞船的发射时间一般在凌晨和子夜。据有关专家介绍,航天发射需要确定一天中的某一个时间段作为飞船发射的时机,这个时间段被称为“发射窗口”。神舟飞船的发射窗口选择在夜晚而不是白天,最重要的原因是便于飞船发射升空时,地面的光学跟踪测量仪易于捕捉到目标。而神舟五号选择白天发射,主要是考虑到白天温度将有利于发射人员工作,也易于在意外情况发生时,充分保障宇航员的人身安全。

神舟五号将用长征2F火箭送上天,它的起飞重量是479.8吨,高58.343米,有334千牛的推力。目前,神舟飞船的测控点为12个,陆上是北京、西安、渭南、青岛、厦门、喀什、卡拉奇和纳米比亚,海上是日本海、南美南端海域、大西洋和澳大利亚海域,分别由四艘“远望号”测控船承担,总部在北京。神舟五号返回的指令由远望三号测控船发出。神舟五号将在酒泉发射中心发射,返回舱的主着陆场在内蒙古八王旗的一片戈壁,副着陆场在酒泉,这些安排都与神舟四号一样。

神舟五号与神舟四号基本相似,由推进舱、轨道舱、返回舱和附加段组成。所不同的是神舟五号的头部是圆柱体,而神舟四号的头部是半球体。此外,神舟五号还留有将来与空间实验室对接的接口。神舟四号里面装满了实验仪器和物品,而神舟五号舱内只有宇航员,几乎是空荡荡的,为的是尽可能给宇航员留出空间,其空间的平面大约为2.2米×2.5米,不足6平方米,可容纳3名宇航员。据说,如果神舟五号飞船搭载宇航员,将专门为他们配备手枪、匕首等自卫性武器,供返回着陆时应急之用,如对付野兽或鲨鱼等危险动物的袭击等。如果飞船返回舱未降落到指定着陆区域,返回舱的供电系统仍能继续工作24小时以上,并会向指挥通讯中心发出求援信号。神舟五号发射后,能和地面之间建立畅通无阻的宽带通道,以保证宇航员和地面实现图像和话音联络,宇航员可以同家人取得联系,以缓解遨游太空的心理压力。

神舟五号舱外挂有一个相机,叫CCD传输性相机,地面分辨率为1.6米,主要用于军事侦察,除美国外,中国是第二个拥有该设备的国家。

(四)宇航员在太空如何工作生活?

航天员们从周一到周五都住在航天城最神秘的“禁区”-“红房子”里,犹如被真空隔离起来一样。在那里,他们不受任何外界干扰,接受宇航所需要的各种训练。宇航员训练强度大,消耗能量多,每天的伙食标准自然要高些,为人均每天90元。“红房子”外有士兵把守,如果有人想在楼外瞅瞅或是留个影,都会被士兵很有礼貌地请开,更不用说让外界媒介采访拍摄了。“所有宇航员正在进行正常集训,他们的所有情况我们不能向外界透露一丝一毫。”记者的采访请求总是被航天城对外宣传部门的官员这样婉言拒绝。然而封闭式的训练并没有侵占这些宇航员们的周未生活。周六周日,他们照常可以回家与妻儿团聚。虽然很多人与他们共同生活在一座“城中城”里,但也无缘见识这些航天员的“庐山真面目”。即使航天员走出“红房子”,在航天城里活动,也有专车把他们送到需要去的地方,外人很难接触到他们,他们随时都被很好地保护起来。如果外出执行任务,一般情况都有警车开道,护送他们到指定地点。

航天食品要求非常高。为了节省飞船的空间和发射时的有效载荷,航天员携带的航天食品尽可以重量轻、体积小、营养好,而且不含残渣,如骨、刺、皮、核等。食品必须符合失重条件下航天员生理改变的要求。航天飞行导致航天员骨钙丢失,肌肉萎缩,红细胞数量减少,食品要针对航天员生理改变指数对膳食的营养素作适当调整,例如:肌肉萎缩要求食品提供充足的优质蛋白质,骨质丢失要求食品提供充足的钙,以及适宜的钙磷比例和维生素D;飞行初期,食品的脂肪量不宜太高,以免加重空间运动病;为防止心血管系统功能失调,要限制食品中钠的分量,保证钾的足量供给。

我国的航天食品富有中国特色。航天集团专门有一个机构负责研究太空食品。早、中、晚餐每顿吃什么,如何搭配,都设计得非常科学。太空生活中,我们的航天员可以吃到中式菜品,如鱼香肉丝、宫爆鸡丁等,航天员饭后还需用一杯茗香清爽的绿茶来提神,这种绿茶是我国自行研制的。

航天食品通常制成一口大小的长方形、球形和方形等,如肉块、鱼块、点心块,食品表面涂有一层可食的保护膜,航天员进食时一口一块,既方便简洁,又不会掉屑,可以避免食物碎屑撒落在舱内飘浮。苏联和美国的早期航天飞行中,航天员采用“嘴对嘴”的进食方式,将经过特殊加工的液体或半固体食品装在类似牙膏管的容器内,进食时通过一根导管将食品直接挤入口内,随着包装新材料和新技术的应用,航天员的进食方法越来越接近地面。如今航天员可将一餐所要吃的食物装在一个餐盘上,然后用与普通餐具外型无异的餐具,以类似于在家中进餐的方式进食。

航天食品的供给方式分为两种:一是将地面食品带上天;二是在飞船上用原料自己加工。由于载人飞船发射费用昂贵,约1万美元/千克,而一个航天员每天需要消耗食品1.5千克,1.5万美元。迄今为止,美国和俄罗斯都采用第一种方式,这样更加方便安全食用。我们也不例外。

航天服按功能分为舱内用应急航天服和舱外用航天服。舱内航天服用于飞船座舱发生泄漏,压力突然降低时,航天员及时穿上它,接通舱内与之配套的供氧、供气系统,服装内就会立即充压供气,并能提供一定的温度保障和通信功能,让航天员在飞船发生故障时能安全返回。飞船轨道飞行时,航天员一般不穿航天服。

目前,我国自行研制的舱内航天服由3部分组成:一是限制层。它由耐高温、抗磨损材料制成,用来保护服装内层结构,并使航天服按预定形态膨胀,保证航天员穿着舒适合体。二是气密层,这部分用涂有丁基或氯丁橡胶的锦纶织物制成,有良好的气密性,防止服装加压后气体泄漏。三是散温层。这部分与内衣裤边接在一起,有许多管道,采用抽风或通风,将气流送往头部,然后向四肢躯干流动,经肢体排风口汇集到总出口排出,带走人体新陈代谢产生的热量。

航天员穿戴的头盔、手套和靴子更加特殊。头盔的盔壳由聚碳酸酯制成,不仅能隔音、隔热和防碰撞,而且还具有减震好、重量轻的特点。为防止航天员呼吸造成水气凝结以及低温环境下头盔面窗上结雾、结霜,航天服专家设计了特殊的气流或防雾涂层。手套与航天服相配套,充气加压后具有良好的活动功能和保暖性能。

舱外航天服更加复杂,它是航天员出舱进入宇宙空间活动的保障和支持系统。它可以看成是一个可以操作活动的最小载人航天器。一套舱外航天服系统重量约120千克,虽然有些笨重,但在太空中却轻松自如,穿好它只需15分钟,就能保证航天员在舱外独立工作8小时。目前,研制生产一件舱外航天服需要上千万美元。

在太空中,宇航员想怎么睡就怎么睡。美苏载人航天初期,航天器内空间狭小,航天员只能在座椅上睡觉。为防止无意中触及开关,睡觉时必须把双手束在胸前。宇宙空间最特殊的就是睡觉姿势,失重时,身体完全放松会自然成弓状,专家认为,在太空中睡觉,身体稍为弯曲成弓状,比完全伸直平躺着舒服得多。在太空中飞行,睡袋一般固定在飞船内的舱壁上,这样就像睡在床上一样舒服。失重时分不清上下,站着躺着都一样,所以,航天员既可以靠着天花板睡,也可以笔直地站着靠墙壁睡,总之你想怎么睡都可以。航天员生活在太空中,同样离不开体育锻炼。多锻炼可以提高对失重及其他航天环境的适应能力。长期航天的空间站内,都设有专门为航天员准备的“小型体育场”,里面放着自行车功量计、微型跑道、弹簧拉力器及负压筒等。

航天员还要洗澡。原苏联的载人空间站,就配有航天浴室。航天员洗澡时,要将耳朵塞起,带上护目镜,像潜水员一样。一切准备就绪,才可以打开水龙头,一阵阵细细的水流喷在身上,形成一层夹着无数气泡的水膜,必须用毛巾或吸水刷将水吸走。失重时水不会自动流出,水箱中有气加压,水才会源源不断流出来。航天员吃用的水,不是带上去的,而是通过化学反应产生出来的水,这样既卫生又能减轻负荷。

载人航天是空间技术的集大成者,它对世界格局和一个国家的国际地位有着极其重要的影响。1961年,当苏联宇航员加加林乘坐“东方”1号宇宙飞船安全返回,成为世界上第一个完成太空轨道飞行的宇航员时,美国大惊失色,觉得他们一夜之间就从世界第一强国的位置上掉了下来,于是立即集中力量搞“登月计划”,直到1969年“阿波罗”11号登月成功,他们才重新找回优越感和自信心。中国一号至四号“神舟”无人飞船的成功返回,神舟五号的即将升空,使我们跨入了航天开发大国的行列,这也是中国发扬国威军威的重要标志。21世纪无疑将成为中国在世界载人航天史上崛起的世纪!

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