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至少运行10年,中国空间站长寿秘方在哪?

时间:2021-04-29 12:47:50 来源:北京日报客户端


如同汽车,在使用一定年限和里程后要报废一样,空间站也没有永久寿命,只要使用,只要有人居住、工作和进行科学实验,就会有损耗。那么中国空间站的设计寿命如何,又采取了哪些措施来保证长期在轨稳定运行呢?

未来中国空间站在轨运行示意图(供图:中国航天科技集团五院)

航天科技集团五院空间站系统副总设计师侯永青介绍,中国空间站设计在轨飞行10年,具备延寿到15年的能力。为了保证空间站在轨长寿命要求,科研人员从设计伊始,就开展了长寿命、可靠性、维修性、安全性一体化设计。具体来讲,就是以系统和产品的长寿命和固有可靠性设计为基础,配合开展系统和产品在轨故障诊断、处置预案设计、维修性设计,以实现长寿命、可靠性的既定目标。

空间站在太空中安家后,将面对来自宇宙的各种威胁和挑战,比如,原子氧、紫外辐照、真空、温度交变、空间碎片以及微重力等等,这些危险元素可能会造成空间站的材料性能衰退,或者诱发故障,从而制约舱外电缆、表面涂层、光学镜头等产品和设备的使用寿命。

虽然中国空间站有一个结实的身板,但是再强的壮汉也免不了头疼脑热、磕磕碰碰,生病、受伤在所难免。“影响天和核心舱舱体主结构长寿命的因素主要有疲劳损伤、意外损伤和腐蚀三种模式。” 航天科技集团五院空间站系统总体主管设计师夏乔丽说。

疲劳损伤,顾名思义就是在轨后长期受到内压、温度变化以及大部件运动的作用和影响,一些应力相对集中的部位以及运动部件连接的结构处可能会出现疲劳损伤;意外损伤则是指空间站在轨运行后,在微流星、空间碎片撞击等意外损伤的条件下,有可能会出现较大的裂纹,从而引起舱体泄露、舱体开窗、撕裂等灾难性事故;腐蚀主要是由于密封舱内环境温度变化、湿度变化等因素,舱体主结构面临腐蚀的风险。此外,在运输及总装过程中,舱体通过海运运到海南发射场,路途中会有盐雾环境,有发生盐雾腐蚀的可能。

为了最大限度的减少损坏和伤害,设计团队想方设法让空间站变得更结实、更强壮。“在天和核心舱主结构设计时,我们从抗腐蚀、抗疲劳、抗断裂三个维度进行了综合分析和评价,从材料选择、结构设计、构型、参数设计等方面进行了科学优化的设计,并从材料到构件到舱段都进行了仿真验证,以确保长寿命。”航天科技集团五院空间站系统结构分系统主任设计师施丽铭介绍说。

此外,针对长寿命问题,结构研制团队还创新设计了健康监测子系统。这个新增的子系统就像体检医生一样,能够在轨对承受的载荷以及自身的结构状态进行实时监测,也能够对空间碎片等“飞来横祸”进行监测、定位和报警,一旦有发现有空间碎片撞击上来,能迅速及时地报警,第一时间通知地面和航天员,立即处理。它还能对舱内的压力情况进行监测,根据不同的压力指标进行分级报警。

为了应对空间碎片等“劲敌”的攻击,天和核心舱热控分系统针对长寿命可靠性问题,在载人二期的基础上,开展了健壮性设计,为空间站安装了两条相当于“大动脉”的管子——热管辐射器,以便减少流体管在外暴露的面积,大大降低被空间碎片击穿的风险。就像家里使用的水管子、水龙头,用上几年可能就坏了,必须及时更换、维修,否则家里容易闹“水灾”和用水危机,空间站的热控分系统决不能坏掉,特别是有着热控回路系统心脏之称的“回路泵”,必须是可维修的。航天科技集团五院空间站热控分系统主任设计师韩海鹰说。

此外,空间站在轨长寿命的秘方还有很多,比如舱体结构密封圈、壁板、各种阀门、各种管路等,都在可靠性和长寿命方面进行了巧妙的设计,“空间站采取了以设备长寿命设计为基础,结合可靠性设计,补充在轨维修的策略,确保长寿命。”侯永青说。

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