现在位置:>> 哈工大人>>20091

在中国载人航天的旗帜下

——走访哈工大参与的神七项目
 
作者:吉星 张妍 闫明星
 
 
  北京航天城,中国航天事业的圣地,一个令人向往的地方。中秋节前夕,我和同事有幸跟随材料学院特种容器设计与制造研究所所长王若维高工来到位于北京西北郊的航天城参观了神舟七号中我们哈工大参与的一些项目。走在绿树掩映的航天城,周围高楼耸立,抬头湛蓝清澈的天空,像是从哈尔滨搬过来的一样,很难想象这个环境优美、设施齐全的地方在1994年哈工大承担KM6时还是一片茫茫的稻田,当时连道路都没有,而且十几个单位同时施工,水、电、都要共享,食宿条件更是无法跟现在相比。 
  崛起的航天城是哈工大参与中国载人航天事业的见证。“诗圣”杜甫曾言“诗是吾家事”,而立足航天,服务国防的哈工大也可以自豪地说“航天是吾家事”。在举世瞩目的“神舟”号系列飞船研制过程中,哈工大攻克了大型地面空间环境模拟装置、返回舱焊接变形的矫形、三轴仿真实验转台等多项技术难关。如今神七发射在即,哈工大参与神七中的项目又成了人们关注的焦点。
 
  关键部件新技术 打造安全航天服
 
  首先来到的是中国航天员科研训练中心,在王若维高工的带领下我们有幸看到了航天员模拟失重训练时穿的航天服——看起来很像件加厚、特大码的白色羽绒服,只是这件肥大的“羽绒服”要从后背钻进去才能穿上。
  航天员出舱行走,要靠航天服保证其生命安全和运动自如,因此航天服制造成为神舟七号载人航天工程中航天员太空行走计划所必须突破的关键技术。“出舱航天服上的一些关键部件也是咱们学校做的。”据王若维介绍,其中水升华器和形状复杂风管等重要部件的技术都是哈工大老师们攻克的。水升华器是舱外航天服的核心部件,航天服内侧的温度、湿度及压力由该部件控制,其安全性和可靠性能的好坏直接关系到航天员的生命安全。
  水升华器由中国航天员中心研制,哈工大现代焊接生产技术国家重点实验室进行电子束焊接。该构件采用薄壁铝合金焊接制造,结构复杂,要求焊接变形精度极高。材料学院冯吉才、何景山、张秉刚等组成的研究小组,与航天医学工程研究所共同努力,在大量试验的基础上,对设计方案进行了完善,突破了电子束焊接熔池图像传感与质量监测、密闭接头的熔透控制和焊接应力变形控制,形成了具有自主知识产权的焊接新技术,研制出了水升华器组件,并实现了小批量生产。目前国产航天服所用的该部件全部由哈工大现代焊接生产技术国家重点实验室焊接。
  航天服要求高可靠性、高灵活性和尽可能轻的重量,同时还要能够承受相当大的内、外压力,因此在设计航天服时,对结构整体性和轻量化提出了苛刻的要求,航天服中各种结构件都要求尽量减少焊缝,避免焊接质量问题影响整体可靠性,还要在保证强度要求的基础上尽量薄,以便减轻重量。
  在航天服中,形状复杂风管等空心薄壁零件难倒了制造工程师们。这些零件采用铝合金材料制造,由于零件轴线根据航天员身体结构的变化设计,同时零件的截面形状根据强度和功能要求而复杂多变,因此制造难度很大。
  航天服金属结构航天研制单位向我校长江学者、材料学院苑世剑教授领导的课题组提出了这一难题,课题组采用多年潜心研究的内高压成形技术来攻克这些复杂零件的制造难题。内高压成形最大特点是可以一次整体成形沿轴线有截面变化的弯曲轴线复杂管件,我校在内高压成形领域开展了近10年的研究,成为该领域世界三大研究基地之一。
  航天服风管等零件都是弯曲轴线零件,截面形状有多边形、跑道型等,根据经验,这样的零件必须通过弯曲、预成形和内高压成形3个工序来制造。由于载人航天工程进度紧迫,我校内高压成形课题组在计算机仿真分析的基础上,很快找到了合理的弯曲轴线形状和预成形件形状,研制的弯曲模具一次试制就满足要求,同时攻破了工艺等加工难题,获得了理想的预成形形状,保证了内高压成形件的壁厚要求和尺寸精度,与航天研制单位合作完成了零件初样到正样的测试工作,确定为正式产品,确保了载人航天工程的进程。
  采用内高压成形技术制造的风管等零件,为航天服制造解决了一项关键的技术难题,该项技术不仅具有零件精度高、重复性好和可靠性高等优点,而且节省了后续的焊接工序,降低了零件的制造成本。美国和俄罗斯航天服风管等所采用的异型截面零件为传统的冲焊技术制造,我国在世界上首次采用内高压成形整体零件,标志着我国在航天服金属结构制造技术方面处于世界领先地位。
 
  航天训练不犯难 人工造就水中天
 
  关于航天服水升华器和形状复杂风管等重要部件的故事听完了,接下来要去看中国航天员科研训练中心里哈工大参与承担的中国载人航天工程重点建设项目、航天员太空出舱活动地面失重训练用“模拟失重训练水槽”和“舱外航天服低压试验舱”。我校参与了“模拟失重训练水槽”槽体、舱外航天服低压试验舱舱体设计与制造,王若维高工是这两项工程哈工大指挥部的总指挥。据他介绍,“模拟失重训练水槽”是亚洲最大的地面失重训练水槽,相当壮观。 
  “耳听为虚,眼见为实”,等我们来到三楼水槽训练大厅时,才不得不由衷地发出了赞叹——就是在这里,“模拟失重训练水槽”完成了航天员教官试训、航天员试训和神舟七号航天员飞行乘组及备份乘组的正式模拟失重训练,为神舟七号任务的完成奠定了坚实的基础,为我国载人航天工程的二期任务做出了重要贡献。 
  大厅中间就是水槽,已经注满了水,清澈见底,由于折射看起来并不很深。王若维高工介绍说,为了保护航天员,水槽里水的水质非常好,甚至可以直接饮用。在蓝绿色的水槽底映衬下,我们看到水体晶莹透彻、美不胜收,仿佛是出自九寨沟。大厅的墙上挂着两个条幅,分别写着:“准确入轨 正常运行 出舱活动圆满 安全健康返回”和“精心指挥 精心实施 确保万无一失 确保圆满成功”,鲜艳醒目。航天员中心对航天员出舱活动的重视也由此可见一斑。 
  航天员出舱活动是载人航天的重要技术组成部分,通过出舱活动,航天员可以完成航天器的在轨维修和故障排除、有效载荷的布放、回收以及大型航天器(如空间站)的在轨安装构建等任务。这些任务的完成需要航天员穿着舱外航天服在空间失重环境下进行。 
  失重状态是物体所受的合力为零的状态。为了完成出舱活动任务,航天员必须熟练掌握失重状态下运动和作业的规律和技巧,这需要在地面模拟的失重环境中对航天员进行大量的训练。 
  航天员模拟失重训练的方式都有哪些呢?王若维表示,目前能够模拟失重环境的设备有落管、落塔、探空火箭、失重飞机和模拟失重训练的水槽等,但是能够进行航天员训练的失重环境模拟设备只有失重飞机和模拟失重训练水槽,其他模拟设备由于获得的失重时间过短、试验有效容积太小等都不能进行载人试验。失重飞机进行抛物线飞行时能够产生15~30s的失重环境,在这样短的时间内,仅能对航天员进行失重环境体验及简单的操作训练,因此,复杂的出舱活动运动和作业只能在模拟失重训练水槽中进行。 
  模拟失重训练水槽模拟失重的工作原理是浮力配平。航天员穿着水槽训练航天服全部浸没在水中,通过为航天员配重使其在水中受到的浮力和本身重力大小相等,重心和浮心尽可能一致,即使其达到中性浮力状态。这时航天员会产生一种随遇平衡的漂浮感。要往上浮的时候航天员只需吸一口氧,想往下沉就呼一口气,凭借呼吸能够像鱼一样在水中自由穿梭,其感受与在太空失重状态下非常相似。在模拟失重训练水槽中可以用全尺寸航天器模型为对象对航天员进行训练,训练时间充足。载人航天舱外活动实践表明,利用模拟失重训练水槽模拟失重环境对航天员进行舱外活动训练是最有效和逼真的方法。 
  模拟失重训练水槽里航天员出舱活动训练有哪些呢?王若维介绍说,承担舱外活动任务的航天员需要在水槽中进行大量的失重环境模拟训练、演练并熟练掌握出舱活动作业程序,体验失重状态下的漂浮感,掌握失重状态下运动的协调性以及姿态控制、空间运动、空间操作、运送货物和维修作业等活动的方法和技巧,包括移动、转身、开闭舱门、操作设备等。 
  我校承担的失重训练水槽槽体是经过几年的项目跟踪和技术准备,在各级领导的关怀和相关技术专家反复论证后,于2006年9月经两轮投标中标,由冯吉才任总师,张凯峰任副总师,王若维任总指挥。2006年11月开始施工准备,2006年12月工程材料陆续进入施工现场开始工程建设。根据建设单位和神舟七号任务节点的要求,2007年8月该工程成功地完成了水槽槽体的注水检测试验,2007年10月经建设单位和使用单位全面验收合格,正式交付给中国航天员科研训练中心使用。整个工程制造期比国外短得多,造价也非常低,训练效果却是一样的。
 
  看似寻常最奇崛 成如容易却艰辛
 
  水槽建设后期,随着航天员训练日期的临近,要求水槽制造加速进行,正在这时,出现了一些技术难点——高精度的观察窗、照明窗大法兰的加工在北京已经找不到协助单位了。幸好最后时刻项目组在江苏无锡找到了合适的加工单位,但是这时工期已经相当紧张了。于是无锡工厂那边的部件在机床上加工出来一个,马上打好包装,装到旁边待命的运输车直接运送至无锡、常州等地的机场。北京这边就在首都机场等候,飞机一到就第一时间把运来的部件拿到,紧急运到航天城施工现场并立刻往水槽上组装。水槽上大大小小一共24个法兰,总重接近5吨,全部由飞机从无锡空运过来,像接力赛一样,前前后后用了一个星期。 
  而在最后的验收过程中,项目组更是在水槽旁整整守了10天。之后,航天员中心需要考察整个槽体的性能,学校应航天员中心要求,协助他们把后续的工作任务完成。 
  “我校项目组前前后后一共在测试验收现场工作了10天时间,这10天都是需要连续24小时不间断的监测。项目组就把折叠床搬到现场,盒饭送到现场,和失重水槽最亲密地接触了10天。”王若维笑着说。他特别提到了主管科研的原副校长强文义教授,“强校长是我们项目的主心骨,我们施工中最困难的时候都是强校长给我们当心理医生:不放弃,往前闯,总能过去。强校长给了我们非常大的支撑。从立项到完成,强校长都是全程参与,每周即使到不了北京也得通几次电话。” 
  我校在国家载人航天工程建设中,曾用了3年的时间,以最好的质量和最快的速度圆满完成了国家载人航天重大工程项目——KM6工程。在继承KM6工程项目经验的基础上,项目组在这次施工中还突破了以下技术难题:大尺寸薄壁筒体的焊接和安装技术;大尺寸大厚度照明窗、观察窗法兰和薄壁水槽筒体的焊接技术;大尺寸大厚度照明窗用石英玻璃的毛坯制造和视窗体精加工及安装技术;大尺寸照明窗、观察窗水下密封方案和安装技术;现场施工材料采购、部件外协加工、施工计划组织落实、安全施工组织落实等。 
  这个水槽工程在我国的工程制造史上是前所未有的,难免出现技术修改和变更。我校项目组会同设计、使用和建设单位团结一心,在工程制造的过程中严格把关、层层审核,协助设计,全力把设计做的更好,终于使得“模拟失重训练水槽”项目成为“没有影响神舟七号”任务节点的项目。
  “过程固然辛苦,但大家的斗志非常高,凭着对航天事业的热爱,千方百计克服时间困难和身体上的劳累,没有任何怨言。能为国家的载人航天尽自己的一份力,再苦再累大家也愿意。”王若维高工说:“航天员舱外作业是一项技术复杂且具有极高风险的工作,对精确性和时间性要求极高,需要各方面的协调运作,因此包括舱外维修、有效载荷布放与回收、空间结构构建等各种舱外作业都必须制定详细的程序。所有的舱外作业方案和程序都需要通过模拟失重训练水槽模拟试验的验证。模拟失重训练水槽槽体是哈工大承担国家重点工程的又一项杰出作品,我们项目组代表学校完成了任务,看到航天员在水槽里圆满完成训练任务,心里非常高兴。我们更期待着航天员出舱的那一天,看到航天员在太空的动作跟在水槽里完全一样,那时候我们会更加高兴的。”
 
  辗转航天城参观 巧遇神七航天员
 
  我校特种容器设计与制造研究所在2006年9月承担了“舱外航天服低压试验舱”的制造任务。在11个月的工程施工期间,项目组克服了容器在工厂整体制造、超大部件公路运输、快开大门设计制造、现场特殊位置整体吊装等难题。2007年8月经建设单位和使用单位验收合格后交付给中国航天员科研训练中心投入使用。 
  参观完“模拟失重训练水槽”已经快到中午,本来计划去看中国载人航天二期工程“舱外航天服低压试验舱”,得到的消息是上午有航天员正在里面训练,现在不方便参观。没办法,只好抓紧时间先去看KM6。 
  “翟志刚!”刚下到一楼时,王若维高工突然低呼一声。我们顺着王若维的目光看去,在大厅门口站着几个人,其中两个人身着蓝色航天训练服。王若维一边快步走到跟前同他们打招呼,一边催我们拿出他早已经给我们准备好的航天纪念封赶快找翟志刚签名。翟志刚和王若维都是老朋友了,听说我们是哈工大来的,很爽快地答应了。趁着我们围着翟志刚要签名的时候,王若维高工帮我们拍下了几张珍贵的照片。正要签第四个纪念封的时候,接航天员的车来了,保卫人员催翟志刚上车,翟志刚笑着说:“等等,再给他们签完这个吧。” 
  “你们看刚才翟志刚是靠在门口的,训练是很耗费体力的,一上午下来肯定都累得不行。”王若维告诉我们,“舱外航天服低压试验舱”能够在地面模拟出一个高真空、超低温的空间环境。“舱外航天服”在组装制造的各个阶段,要无数次的进行空间环境试验,太空出舱航天员也要多次身着舱外航天服进入低压试验舱进行试验和训练。所以说,该设备按期完成,为我国“舱外航天服”的研制和神舟七号航天员的空间环境试验和地面着装训练做出了重要贡献。 
  怀着激动的心情告别中国航天员中心,顾不上吃饭,王若维高工带着我们径直前往中国空间技术研究院去看为神舟签发“通行证”的KM6。KM6的含义,王仲仁教授曾说明,实际上它是汉语拼音缩写的代号。K是空间的缩写,M是模拟器的缩写,6代表序号。KM6是我国最大的空间环境模拟器的缩写,也是世界上著名的三大空间环境模拟器之一。 
  当我们身穿参观服,站在KM6面前时,还是被它的伟岸震惊了。它就是传说中的人造 “太空环境”实验室,包括超低温、辐射及高真空,是空间飞行器和载人航天器的关键试验和检测设施之一。我国的“神舟”系列飞船和多种大型卫星顺利升空前均曾在其中作过多次检测试验,经过它的质量验证和性能考核,通过后才能运抵卫星发射中心等待发射。 
  这次神舟七号任务中我校还承担了KM6水平舱舱门设计制造。据王若维高工介绍,KM6水平舱是为航天员进行出舱活动空间环境训练的重要设备。在该舱中可以进行“神舟七号”轨道舱的整舱空间环境试验。航天员可以身着舱外航天服进入轨道舱进行“人、船、服”综合空间环境试验。试验过程中舱门的顺利关闭和开启是保障试验顺利进行并保证航天员生命安全的关键。 
  哈工大特种容器设计与制造研究所承担了该项目的设计制造任务,重新设计制造了KM6水平舱舱门结构和开启关闭机构,为此设计制造了特种现场加工机床,在KM6真空容器筒体上重新加工了舱门的密封面。加工完成的舱门机构整体功能和精度完全达到设计和使用要求,已交付中国空间研究院相关单位使用,运转良好,已完成多次神舟七号教练员和航天员的“人、船、服”重大试验,为神舟七号总体任务的完成提供了可靠的保障。“甚至有两次水平舱进行试验的时候,哈工大的技术人员就在舱门外进行技术保障。咱们哈工大人也参加了航天员训练过程中的一些任务。”王若维高兴地说。” 
  进入航天城参与航天工程建设14年,从KM6到FL-9低速增压风洞工程、KM5—A工程,再到如今的神七项目和正在进行的KM7工程建设,王若维最大的感受是,祖国的航天事业近年来发展很快,祖国也强大起来了。作为哈工大人自己能参与其中的一点工作,能为促进国家航天事业发展尽一份力他觉得很欣慰,也希望哈工大在国家载人航天后续任务的工作中,还会承担更多的任务,完成得更好,继续为祖国的航天事业做出自己应有的贡献。
  
  出舱英雄张“慧眼”  紧急复压保万一
  
  哈工大参与的神七项目并不止我们在北京航天城里看到的和听说的项目,回到学校我们还了解到金属基复合材料工程技术研究所承担的“神舟七号航天员出舱用XXXXXX反光镜体”做出贡献。 
???  ?反光镜体与弹性腕带配合,可以方便地套系在使用者的手腕部分,供航天员观察面窗视野之外的物体,对于航天员顺利完成出舱活动有着重要的辅助作用,故该项目的意义十分重大。该项目技术难度很大,材料要求具有轻质、高刚度、反光率高、空间环境下尺寸稳定性高、空间性能好等特殊要求。俄罗斯采用树脂镜体,但是树脂镜体反光率不够,耐受空间性能不足导致其应用受限;另外由于载人航天系统工程的需要,该项目完成期限很短,要求3个月内提供正样。金属基复合材料工程技术研究所在所长武高辉教授带领下组成了攻关及生产小组,进行了百日奋战,几乎放弃了一切假期,在材料学院相关单位及教师的大力协同帮助下,先后试验、验证并筛选了两种技术方案,与用户紧密合作,逐次攻破了材料的设计制备和后处理、反光镜体的加工、镜面表面处理等关键技术难题,严格按照甲方单位要求,对正样产品进行各项常规及空间环境测试,最终在规定时间内,按照ISO9001质量认证体系标准完成了该项目的研制生产任务,获得了用户单位的高度评价。
  神舟七号发射成功之时,课题组的老师们回首项目研制过程中的点点滴滴,许多感人的情节依然历历在目。课题组带头人武高辉教授被摩托车撞伤导致头骨骨折住院,病情严重,但他手术后身体还在恢复中就回到实验室,一直坚持亲自参与设计、复合材料制备、加工、表面处理等各项试验,为镜体成功研制花费了大量的心血;为了顺利完成任务,该项目技术总师修子扬博士在大年三十的时候还在合作单位与技术人员商讨技术方案,检查生产情况、慰问参与项目的相关人员;测试中心的郭永良老师、刘兴秋老师放弃自己的休息日,悉心帮助进行试验,为镜体的设计提供了大量的实验参数;负责加工的技术员杨凯杰,在为了保质保量完成反光镜体的加工任务,将正在准备参加中考的女儿扔给了父母就全身心地投入到了紧张的工作中,在连续经历了60多天加班加点的努力后,顺利地完成任务;负责机械加工的技师技术员赵国,在一次给学生磨制试样过程中,由于学生误操作,把他的手指头磨坏了,在医院救治的过程中,听说反光镜任务紧急,他立刻拿着吊瓶,回到了加工现场,投入到了攻关之中,现在赵技术员的手还留有因为治疗不充分落下的伤疤;负责镜面处理的工程师在高烧39度的情况下依然在现场坚持工作,直到最后一片镜体保质保量处理完毕,才同意被同事送进医院;同样是参与本项目的王春雨博士,把自己一岁多的女儿扔给60多岁的老母亲,毅然参加到镜体研制的繁重工作中去,等到项目顺利结题时,看到的却是可爱的女儿看着自己憔悴的脸庞,却不敢叫一声爸爸的情景……正是这些参加者们的无私奉献,才使得我校承担的“航天员出舱用XXXXXX反光镜体”项目顺利完成,为神舟七号顺利完成出舱任务,为我国载人航天工程的进一步实施做出了应有的贡献。
  在神舟七号载人飞船科研攻关中,我校还承担了一项重大科研项目是航天员舱外航天服的地面试验系统。其中机电学院哈工大气动技术中心包钢教授带领的课题组负责的“水平舱环控系统改造”和“舱外航天服试验舱紧急复压系统”两个系统都是航天员舱外行走必不可少的试验项目。 
  水平舱即载人航天“人(航天员)舱(轨道舱)服(舱外航天服)”地面试验舱。课题组负责水平舱环境控制系统的改造工作,即负责为“人舱服”试验提供合适的环境控制。该环控系统模拟太空环境,提供被试验的轨道舱及航天服内气体的氧氮比、压力、温度等环境,在保障航天员生命安全的前提下,使航天员提前适应在轨道舱中的生活。该项目于2006年初正式开始实施,2006年底顺利通过验收。 
  航天员身着航天服进舱进行试验时,舱内被抽成真空。倘若航天服发生泄露,航天员就会暴露在真空状态,非常危险,甚至危及生命安全。在这种状况下,舱门不能及时打开,就需要紧急复压系统恢复舱内大气压,使之达到适合人类生存的气压值,紧急抢救航天员。该系统于2007年10月顺利通过验收。 
  2006年初至2007年一年多的时间里,哈工大气动技术中心课题组一直为此忙碌。项目包括气体管路输送、气体状态参数的测量与控制等系统研制工作,需要防爆、纯净度等环境。在项目开始的时候,由于一些配套工程没有完成,为他们的工作带来很大的不便。例如实验用的纯氧如果在不洁净的环境下实验,会带来很大的危险。为此,他们克服工作中的不便,想尽了办法,最终保障了工作的顺利完成。在做项目期间,为了赶进度,他们吃住在北京航天城,往往一忙起来就到了半夜。据课题组杨庆俊老师介绍,课题组老师还肩负着教学、学生培养等工作,为了节省时间,他们经常是坐晚上飞机,下半夜两三点钟才到家。上完课、参加完学生毕业答辩等工作就急忙赶回北京。正是这样不畏辛苦的工作,他们按照进度顺利完成了两个项目,受到验收专家的赞扬。