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隔热与密封技术 助力神舟六号升空
 
慧聪网   2005年10月18日9时13分   信息来源:中华泵阀网    

    在地面上实现对一个密封结构的温度控制并不难,然而要把这一切搬入太空却非易事。

    载人航天工程飞船系统热控制分系统主任设计范含林介绍,“神舟飞船的热控制技术已经比较成熟,舱内温度将被自动控制在17至25摄氏度,航天员也可进行手动调节。”

    多层隔热材料隔断内外温度

    神舟飞船飞行过程中,向阳面舱外温度超过100摄氏度,背阳面为零下100摄氏度。温度的快速剧烈变化和强大反差不仅不能满足航天员的基本生存,也会对一些仪器造成影响。因此,飞船全密封结构的舱壁上有一层隔热层,把舱内外温度完全隔断。

    舱壁最外面一层,是一种生活中极少用到的由聚四氟乙烯和玻璃纤维布组合起来的防护层,紧接着就是隔热层,然后才是金属壳体。轨道舱采用的多层隔热材料,是一种镀铝的聚酯薄膜。聚酯薄膜分很多层,层与层之间用尼龙网间隔,是蓬松的,总共有一厘米厚;镀铝的功能类似于保温瓶中的内胆,能对热量进行大量反射。

    返回舱的隔热层则是一种烧蚀材料,他不仅担负着飞行中的隔热任务,更重要的,返回时返回舱与大气剧烈摩擦表面产生超过1000摄氏度的高温,要通过烧蚀材料的燃烧把这些热量带走。

    “太空空调”收集舱内热量

    平均下来,设备及2人释放热量的速度,和一台功率为1000多瓦的电暖器高效工作时差不多。如果越积越多后果难以想象。

    范含林和他的同事们设计了一种回路流体技术解决这一问题。这种技术与汽车发动机的冷却手段有部分相似的地方。液体在泵的驱动下,在闭合的管路里循环流动,流经某个设备时就将它的热量收集起来带走,内回路的热量经传热器传递到外回路,外回路连接着一个伸向舱外的辐射器,最终把热量辐射到茫茫太空。

    热控制设备低耗高效操作方便

    通过各种阀门的设置,飞船内的温度实现了可调,大多数时候,由温度感应计获取数据后,温度实现自动控制。航天员如果需要,也可手动控制阀门来改变温度。

    范含林说,在太空中实现热控制,有很多技术难点:所有的设备必须保证百分之百可靠,要让设备保持在一定的重量体积和能耗范围内。神六所有热控设备重300公斤,作为关键部件的“泵”只有1公斤多,每分钟上万转,能耗却只有几十瓦,仅相当于一个小灯泡。

    ■控温

    流体冷却回路贯穿整个飞船

    辐射器排热到深冷太空


    如何将散布在飞船内的热量收集起来并排散出去呢?飞船设计了一个类似冰箱制冷系统的流体冷却回路,这个回路贯穿整个飞船。它由管路和管路内的冷却工质,安装在设备下面用来收集设备热量的冷板,用于调节空气温湿度的冷凝干燥器,以及飞船尾部排散热量用的辐射器组成。

    冷却工质在泵的驱动下,在管路内始终不停地循环流动,将沿途收集来的热量带走,如流经设备下面的冷板时,将设备产生的热量吸收进来并将它带走。而冷凝干燥器就像一个空调机,用来调节航天员生活舱内的空气温度和湿度,冷凝干燥器排出的热量则由流经它的冷却工质收集并带走。最后所有收集来的热量通过的一个热交换器传输给飞船尾部外的辐射器,由辐射器排散到太空的深冷空间。

    百叶窗控制排热速度

    此外,为了单独调节轨道舱的热量,在轨道舱外安装了一个电动百叶窗,它与家用百叶窗原理相同。当舱内温度升高时,叶片开启角度增大,向舱外排散的热量增多,反之则叶片关小,减少热量的排放。

    ■密封

    三层玻璃设计解决舷窗密封防热

    密封面临防热考验

    需要完全密封的载人飞船,因为舷窗、舱盖、发动机喷口、穿舱电缆等不得不满身开孔。飞船结构与机构分系统主任设计师陈同祥介绍,全船光密封圈就使用了235个,舷窗等重要部件都是两道密封,密封部位能够承受压力差并防热。

    在太空高真空环境中,大气压力为零。人已经习惯地面的一个大气压力,所以返回舱和轨道舱需要提供类似地面的压力环境。此时,舱内舱外的压力差达到一个大气压,相当于10米高的水柱对底部产生的压力。密封如果不好,将会在压力下失效。返回舱返回时与大气摩擦产生数千摄氏度高温,密封部件必须能够防热。

    中国自主解决舷窗密封

    实现返回舱密封可靠的一个难点是舷窗的防热。返回舱上有两个舷窗,是航天员的观察窗口,为了保证透光性,只能采用玻璃作为结构材料。课题组突破异质材料部位的局部防热技术、热密封技术、舷窗玻璃空间污染与防热、密封结构的地面鉴定检验技术等四项技术难点,采用三层玻璃设计解决了密封与防热的双重任务。

    在我国研制神舟飞船之初,俄罗斯类似的技术处于保密状态,我国科研人员完全凭借自己的智慧攻关而成,并在神舟一号至五号上获得了成功。

    ■幕后英雄揭秘

    航天员替身须先“试驾”神舟

    凡神六航天员要做的事,2位工程师均须先试做一遍

    最先“驾驶”飞船的不是航天员,而是被称为航天员替身的飞船工程师。神舟六号有两位飞船工程师,他们是27岁的沈朝阳和29岁的侯向阳。

    飞船出厂之前,他们要进舱实际操作,看仪表、按键的位置安装是否合适,手控功能是否完备,会不会有威胁航天员安全的地方;飞船测试过程中,他们要模拟航天员“驾驶”飞船;他们还要模拟航天员的日常生活,模拟进行科学实验。凡是航天员要做的,他们全要做。

    神六电缆长30公里,舱内辐射最危险

    对于熟悉飞船的人来说,进舱的最大危险是辐射。

    舱内许多电缆都处于通电状态,会产生一定的辐射,尽管他们穿了两套防微波辐射服,但工作时间长了,仍会感觉到两眼发涩,“我已经娶妻生子了,侯向阳正在等着当爸爸,所以,舱内的工作我下去做得多一些。”沈朝阳对工作中的隐含危险轻描淡写。

    神六上600多台设备共使用了总长度约为30公里的电缆线,各种节点有5万多个,这一切,都是由沈朝阳任组长的小组完成的。沈朝阳对飞船可以说是了如指掌。

    进舱前不敢吃喝,出舱时累得要虚脱

    按照工作程序,有时一条指令执行完后,下一条要过半个多小时才能发出,这中间他们不许做任何动作。学机械出身的侯向阳回忆:“一次我进舱操作完规定的动作后,不经意地摸了一下一个仪器,谁知出来后受到了严厉的批评。主任教育我,该你动的你一定要动,不该你碰的绝不能碰。”

    如果是航天员进舱,他们会穿着可调控的航天服,不会感觉到热;带着通讯头戴及抗噪耳塞,阻断噪音传入耳中。飞船工程师什么“装备”也没有。

    进舱一次的时间少则一小时,多则五小时。有时,他们会陪着航天员一同进舱,侯向阳说,这种任务一进舱就不能临时出来,之前不敢喝水也不敢吃东西。航天员有不清楚的地方他负责解答,航天员坐在坐椅上,而他没有坐椅,累了就蹲会儿,蹲累了就找块板坐一下。出舱时,累得几乎虚脱。
 
 
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