半個世紀前,當美國航天員阿姆斯特朗留下了人類的第一個登月腳印時,他說:“這是一個人的一小步,卻是整個世界邁出的一大步”——同樣,“出艙”,簡單的兩個字,簡單的一個動作,其背后卻匯聚了太多的艱辛與付出!
門怎么開?——向里?向外?左開?右開?開到多大的角度?航天員穿上航天服后很笨重,他們能否方便自如地開關艙門?在真空、高低溫等惡劣條件下,艙門能不能正常開關?
一個小小的艙門,隱含著很多的“玄機”,更凝聚了研制人員大量的心血和智慧。“神七”的出艙門最重要的攻關點之一,它的性能好壞,直接影響航天員能否順利出艙活動和安全返回。
研制人員經過大量的實驗和討論后,發現門向外開,雖然不會影響內部的空間,但艙內為正壓時,會影響門的密封性能,使門越來越松;門向里開,則會最大程度保證它的密封性能,是相對安全的選擇,但會占用艙內空間。艙門開的角度和艙內空間的配置息息相關,一方面艙門要盡量開大,保證航天員出艙返艙方便;另一方面若門開得過大,又要考慮門的位置、角度對其他設備的整體影響,最終艙門開啟“100 度”是權衡之后的最佳選擇。此外,為了使艙門受壓均勻、不易變形,艙門不是平的,而是稍呈球面狀,但考慮到門內外的壓強差以及門所承受的巨大壓力承載和在空間使用的環境,艙門的球面曲率半徑是經精心選擇的最佳值。除了艙門本身外,艙門相關設計難點還有很多。
模擬檢測確保安全
與神六返回艙艙門不同的是,神七艙門在軌打開與關閉的時候處于真空環境,并且溫度可能從100多攝氏度到零下200多攝氏度的巨大變化。因此,要充分考慮和模擬艙門在軌高真空、高溫差環境下的開關,并檢測可能產生的形變和密封性、開關力的變化,確保萬無一失,因為這直接關系到了航天員的生命安全。
神七的艙門旁邊分布著幾個壓點開關,可別小看了這幾個小小的開關,它們關系著航天員的生命,圍繞它們的研制也頗費了一番周折。
為了檢驗儀器設備在真空環境下的可靠性,科技人員要把所有的儀器設備都放在真空罐里模擬真空環境驗證、檢驗。人不能放到真空罐里做開關門的試驗,怎么辦?研制人員就專門研制了一套像機械臂一樣的開關門機構,人在真空罐外面控制“機械手臂”來完成航天員要做的解鎖、開門、關門、鎖門等一系列動作,完美地解決了這個問題。
怎樣才能確定艙門關閉是否嚴密呢?艙門快速檢漏儀應運而生。它像一個反應靈敏的“安全衛士”,通過內部的傳感裝置,感受壓力和溫度的變化,在短短幾分鐘之內就能判斷出艙門是否關閉完好,并向航天員發送出“艙門關閉好了,可以脫下太空服”的確認信息。
密封圈,差點誤事
有一次,在做可靠性試驗時,研制人員發現,艙門快速檢漏儀在低溫情況下突然失效了!這是什么原因呢?這種密封圈用在艙門快速檢漏儀的減壓閥上,之前沒有人料到問題會出在這里,是因為這種減壓閥廣泛應用于航空飛機上,也曾連續應用于神舟四號到六號飛船上,是比較成熟的產品。
但是,在飛船研制上,一切“慣性思維”都要不得。因為一種產品以前可靠,現在不一定可靠;在那種環境下可靠,在這種環境下就不一定可靠。雖然是一個小小的密封圈,但如果密封圈不密封了,就難以準確檢測出艙門是否存在泄漏,這將直接影響到航天員出艙活動回來后軌道艙能否正常復壓,這對航天員來說是致命的!
經過反復地觀察和研究,發現以往密封圈正常是因為它們都是在常溫、一個大氣壓下的艙內使用,現在是在低溫環境下使用,而密封圈在低溫下會收縮。問題找到了,研制人員重新調整了密封圈的尺寸,對其結構也做了微調,再做實驗,才徹底解決了這個問題。
軌道艙,雙重使命
神舟七號飛船和以往的飛船一樣,分為軌道艙、返回艙和推進艙三部分,其中返回艙和推進艙的技術更改和主要功用具有很大的繼承性,最大變化是軌道艙。為了完成出艙活動原來的軌道艙擔負了“雙重使命”——既是航天員的生活艙,又是航天員出艙活動的氣閘艙(過渡艙)。因此氣閘艙應具有泄壓、復壓功能,為此艙內配置了支持航天員空間出艙活動的設備及設施。
“神七”的絕大部分挑戰和特色都來自于氣閘艙的研制。氣閘艙的設計分為結構和機構兩個層面。在“不動”的結構方面,為了完成出艙活動,開了一個出艙口,而且艙口不能太小,否則航天員穿著航天服很難出去和返回。結構的一項變化會引起“多米諾骨牌”式的相應改變——一個設備的更改會牽動一系列的改動。改動后可靠性能否得到保證、是否方便航天員活動#8943;#8943;這些都要一個個重新測試;其中僅為艙門可靠性一項就引出了10 多次測試。
小物件,責任巨大
出艙活動任務中最關鍵的設備是出艙航天服了。艙外航天服是航天員的“生命保護系統”,是一件極其精密、復雜且嬌氣的設備,必須妥善地保護和放置。航天服專用支架就是承擔這一“ 大使命”的“ 小物件”。千萬別小看了這個“小物件”,里面的“機關”頗多:從結構上來說,必須考慮如何最大程度地減少發射時支架振動對航天服的影響。為了解決振動響應問題,研制人員選擇支架和航天服之間的固定點數及約束形式,使它在振動環境下不會使航天服的振動響應放大。從結構上來講,航天服支架在軌期間還要展開,把航天服取下來,這時就要求把支架設計成可折疊式,能夠在不用時折疊起來,給航天員騰出更大的活動空間。考慮到航天員在失重狀態下沒有很大的力氣去推起支架,因此研制人員在支架接口上做了一些特殊的處理,增加了一些輔助設備,使航天員能夠輕松地翻轉支架。設計完成后還要做大量地面試驗,并不斷改進優化。氣閘艙上的每一項攻關,都匯聚著眾人的心血!