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1+1=?中國空間站告訴你丨太空問答站


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- 2021年7月16日07時55分
- 科學文摘 / 新華社新媒體

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1+1=?這是個數學問題,也可能成為哲學或文學問題。不同的語境下,它的答案是不一樣的。

正在太空中組裝建造的中國空間站,給出了自己的答案:1+1=1。

系統的各部分各自獨立,組成系統時又相互聯系、相互作用,有機地形成一個整體。來自系統科學的這一思想,在中國空間站的設計中再次得到宏觀表達:組成空間站的各艙段(包括來訪飛船)原為獨立飛行器,對接後形成一個由空間站統一控制和管理的組合體;其組合過程實際上是控制權的交接或接管,新艙段將控制權交與空間站,將艙體與艙內資源融入空間站並形成擴展後新的空間站的一部分。

枝葉新發,仍是樹木一棵;溪流蔓生,成就大河湯湯。

中國空間技術的重要開創者、兩彈一星元勳王希季先生將此複雜精密的過程言簡意賅地概括為“1+1=1”,並將其明確為突破、掌握載人航天器交會對接技術的標志之一。

2021年7月4日,在北京航天飛行控制中心大屏拍攝的航天員劉伯明在艙外工作場面。新華社記者 金立旺 攝

人類航天器:對接融合的多維度觀察

一覽人類航天史上的多艙段航天器飛行任務可以發現,“1+1=1”有著不同層次和程度上的實現,而這個看似簡單的加法並不容易。

結構及其運動控制的“1+1”。美國采用雙子座飛船與改裝後的二級火箭進行對接,對接後由飛船進行組合體控制;蘇聯用兩艘飛船相互對接,對接後由模擬空間站的被動飛船進行組合體控制;1975年的阿波羅-聯盟測試計劃(ASTP),美蘇兩個飛行器互換角色進行了兩次對接,分別擔任主控方。這些任務中,對接前的目標飛行器與追蹤飛行器獨立進行各自的運動控制,對接後的兩飛行器通過剛性連接裝置在結構上成為一體,形成了具有新的幾何構型和質量、慣量特性的組合體,隨後由兩飛行器中的一方統一對此組合體進行運動控制。兩個飛行器的結構及其運動控制必須實現“1+1=1”,這是形成組合體最基本的要求,也是早期交會對接飛行試驗首先解決的基礎技術。

信息系統的“1+1”。人類太空探索活動進入空間站時代後,空間站的計算機對對接上來的新艙段進行統一管理,是為常態。實現信息系統融合的基礎是通過對接機構實現兩飛行器的電路連接,也可以在對接後由航天員手動拉線連接——國際空間站不少出艙活動,都包含了手動連接空間站與艙段電纜的任務。來自不同航天器的信息怎麼融合?從最基礎的相互采集遙測信息、代傳指令、到信息網絡並網,並在此基礎上進一步實現信息系統重構。控制系統的重構為其中一種典型應用:空間站的控制器通過信息網絡的並網連通統一使用各個艙段的敏感器和執行機構(發動機),從而實現控制優化。

能源系統的“1+1”。俄羅斯電影《太空救援》講了蘇聯禮炮計劃中最後一個空間站禮炮7號在軌失控後的救援行動,這段真實歷史就涉及到能源系統的維修和恢複。兩個飛行器供電網絡的並網有多種模式:(1)單向由空間站向新艙段輸電並完全供其所需。比如,被航天飛機送上天連接至國際空間站後,歐洲和日本艙段完全由站上提供能源。(2)單向補充新艙段的供電短缺。比如,飛船對接至空間站後,因帆板受遮擋等原因導致自身發電能力受限,由空間站提供部分能源彌補不足。(3)雙向供電實現能源跨艙段調配。空間站自身的可發電艙段通常以此模式工作,以靈活滿足不同負載的使用需求。(4)在空間站出現故障或短時功耗過大情況下,通過飛船向站供電滿足應急需求。上述的禮炮7號電源失效後,曾考慮讓航天員從聯盟T13飛船拉電源線至空間站進行供電,後因擔心短路故障影響飛船電源,改為直接維修禮炮號設備。

熱控流體回路的“1+1”。能源調配總是伴隨著設備發熱及散熱的調配。高效率的熱調配措施是將艙段間的熱控流體回路連通,直接將熱量跨艙傳輸。此方法也可以用於均衡熱控輻射器的散熱能力,或在輻射器局部受損時進行散熱區域調配。

載人環境的“1+1”。中國航天員在飛船對接上核心艙後不久即開艙門進入空間站,這是因為核心艙與飛船采用了相同的壓力體制,大氣總壓和氧分壓設計狀態一致,只需進行壓力平衡消除微小壓差即可。這就是密封艙連通後整個飛行器形成統一載人環境的結果。而在美蘇ASTP計劃中,聯盟飛船采用760mmHg、20%含氧量的標准大氣狀態設計,阿波羅飛船為260mmHg和100%純氧環境。為了實現真正的“太空握手”,聯盟飛船將大氣環境設置為520mmHg、40%含氧量,並在對接後進一步將壓力降至500mmHg,阿波羅飛船則在對接後充入氮氣調整空氣成分並增壓,這才打開了艙門。

推進系統的“1+1”。媒體報道說,5月30日與中國空間站核心艙對接的天舟二號貨運飛船除運送物資外,“還需要實現與核心艙交會對接後的推進劑補給”。這裏被稱為“太空加油”的推進劑補加,可以視作一種特殊的、短時間的推進劑貯箱連通融合。

天宮空間站:我們怎樣在天上搭積木?

我國“天宮”空間站的三艙T字基本構型,大家應該很熟悉了。把它轉化為公式,天宮空間站的系統設計為:1(天和)+1(問天)+1(夢天)=1(天宮)。等式右側的“1”是一個完整系統,具備完整的功能、性能及系統冗餘配置,所有的系統設計被分配至左側的三個“1”實現,而這三個“1”又分別是獨立的飛行器。這四個“1”,是同步設計出來的。

左側的三個“1”中,核心艙為組合體的管理中心。但與和平號及國際空間站不同的是,天宮並非直接以核心艙為基礎擴展若幹艙段,而是在核心艙上組裝兩個實驗艙後構成一個更加完整和可靠的T字形“核心組合體”。在官方發布的空間站任務規劃中,此三艙的組裝任務被稱為“空間站建造階段”,正是說明了三艙作為空間站基本部分為後續擴展艙段奠定基礎的地位。

2021年7月4日,在北京航天飛行控制中心大屏拍攝的航天員在艙外工作場面。
新華社記者 金立旺 攝

和平號空間站和國際空間站,都是以核心艙的單艙為基礎進行拓展。其中,作為第一個以搭積木方式組建的多艙段空間站,和平號的整體功能隨著艙段的增加而不斷拼接完整;國際空間站則是在航天飛機支持下采用桁架結構,因而具有規模擴展性好的優勢。

而中國空間站在采用新技術多維度實現“1+1=1”的基礎上加強系統集成,獨創性地一體化設計出整站三艙,爾後再開枝散葉地繼續生長。三艙以“1+1+1=1”的方式構建了一個“組合體核心”、或者說強化版核心,作為“最強大腦”對整個空間站進行統一管理,保證各艙段、飛行器動作協調,並且在通過信息和能源網絡並網實現系統重構後,正常情況下能實現資源的統一優化使用,故障情況下則有了更多的系統冗餘。

這樣的總體設計,是對歷史上航天器系統的創新發展,更充分體現了我國空間站建設“在規模適度條件下追求高效率”的目標,具有極高的資源利用效率和較強的系統冗餘度。

從天宮構型來看,三艙強耦合組成對稱的一體結構,實驗艙橫置,端部分別配置了雙自由度大帆板。兩實驗艙對向連接,形成近40米的結構跨度,實際上起到了類似國際空間站桁架結構的作用,較好地解決了帆板相互遮擋的問題,明顯優於和平號各艙段的輻射狀連接形式。

從信息系統能力來看,核心艙發射後大家看到的高清天地圖像以及艙內WiFi應用、藍牙耳機等等表現,證明了高速信息網絡的性能,說明基於此實現三艙並網融合及系統重構有非常好的技術基礎。這麼好的網絡不進行動態並網、能力共享的話,簡直就是暴殄天物。

此外,從天舟貨運飛船的任務規劃來看,貨運飛船不僅要配合進行推進劑補給,而且必須在對接期間以自身發動機提供組合體的變軌動力——這又能給核心艙或“核心組合體”加上一個“1”。

俄羅斯的進步號與歐洲的ATV這類典型的貨運飛船,同樣能夠在交會對接後配合空間站對全站進行姿態控制和軌道維持。但由於種種技術和非技術障礙,國際空間站還有更多“1+1”不等於“1”的時候。例如,由於推進劑補給統一使用俄羅斯的推進系統,歐洲ATV飛船不得不單獨配置不同於自身推進系統的補加貯箱裝載俄方使用的燃料,才能實現推進劑補給;國際空間站上俄羅斯艙段的熱控系統采用乙二醇作為回路工質,美國艙段則采用水,兩者間的流體回路無法連通。

與之相比,“1+1=1”的思想貫穿於我國空間站設計的方方面面,從技術到管理都絕不會允許出現國際空間站上述系統不兼容的問題。

“1+1=1”、或者說“1+1+1=1”是我國建設空間站的核心理念之一,也是難點所在。比如,三艙並非同步研制且核心艙先於實驗艙一年發射,這樣的安排能夠使空間站的建造更加穩妥,但也帶來了三艙系統設計與集成驗證的難度;作為第一個“1”,核心艙既要能獨立以單艙空間站模式運行,又要作為樞紐將兩個實驗艙多維度融合,要求其功能必須最完整,系統能力最強;兩個實驗艙必須以完好的功能性能構成完整的T形“核心組合體”,無形中又對實驗艙發射、交會對接、以及轉位任務實施的可靠性提高了要求。

系統工程實踐,科學思想先於工程。縱是千難萬險,輕舟正過萬重山巒。


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