揭開中國空間站“延年益壽”的秘密

4月29日，空間站天和核心艙發(fā)射圓滿成功，中國空間站距離我們又近了一步。作為空間站的核心艙段，核心艙是空間站的主要控制節(jié)點(diǎn)，是未來空間站的指揮控制中心。那么中國空間站的設(shè)計(jì)壽命如何，又采取了哪些措施來保證長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行呢？

具備延壽到15年的能力

如同汽車，在使用一定年限和里程后要報(bào)廢一樣，空間站也沒有永久壽命，只要使用，只要有人居住、工作和進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，就會(huì)有損耗。

中國空間站設(shè)計(jì)在軌飛行10年，具備延壽到15年的能力。據(jù)航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師侯永青介紹：“為了保證空間站在軌不小于15年長壽命要求，我們從設(shè)計(jì)伊始，就開展了長壽命、可靠性、維修性、安全性一體化設(shè)計(jì)。具體來講，就是以系統(tǒng)和產(chǎn)品的長壽命和固有可靠性設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，配合開展系統(tǒng)和產(chǎn)品在軌故障診斷、處置預(yù)案設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)長壽命、可靠性的既定目標(biāo)。”

空間站在太空中安家后，將面對(duì)來自宇宙的各種威脅和挑戰(zhàn)，比如，原子氧、紫外輻照、真空、溫度交變、空間碎片以及微重力等，這些危險(xiǎn)元素可能會(huì)造成空間站的材料性能衰退，或者誘發(fā)故障，從而制約艙外電纜、表面涂層、光學(xué)鏡頭等產(chǎn)品和設(shè)備的使用壽命。

最大限度減少損壞和傷害

雖然中國空間站有一個(gè)結(jié)實(shí)的身板，但是再強(qiáng)的壯漢也免不了頭疼腦熱、磕磕碰碰，生病、受傷在所難免。

“影響天和核心艙艙體主結(jié)構(gòu)長壽命的因素主要有疲勞損傷、意外損傷和腐蝕三種模式。”航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)總體主管設(shè)計(jì)師夏喬麗說。

疲勞損傷，顧名思義就是在軌后長期受到內(nèi)壓、溫度變化以及大部件運(yùn)動(dòng)的作用和影響，一些應(yīng)力相對(duì)集中的部位以及運(yùn)動(dòng)部件連接的結(jié)構(gòu)處可能會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷。

意外損傷則是指空間站在軌運(yùn)行后，在微流星、空間碎片撞擊等意外損傷的條件下，有可能會(huì)出現(xiàn)較大裂紋，從而引起艙體開窗、撕裂等災(zāi)難性事故。而腐蝕主要是由于密封艙內(nèi)環(huán)境溫度變化、濕度變化等因素，艙體主結(jié)構(gòu)面臨腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

為了最大限度減少損壞和傷害，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)想方設(shè)法讓空間站變得更結(jié)實(shí)、更強(qiáng)壯。“在天和核心艙主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們從抗腐蝕、抗疲勞、抗斷裂三個(gè)維度進(jìn)行了綜合分析和評(píng)價(jià)，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)型、參數(shù)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了科學(xué)優(yōu)化的設(shè)計(jì)，并從材料到構(gòu)件到艙段都進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，以確保壽命。”航天科技集團(tuán)五院空間站核心艙結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師施麗銘介紹說。

此外，針對(duì)壽命問題，結(jié)構(gòu)研制團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了健康監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。這個(gè)新增的子系統(tǒng)就像體檢醫(yī)生一樣，能夠在軌對(duì)承受的載荷以及自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也能夠?qū)臻g碎片等“飛來橫禍”進(jìn)行監(jiān)測(cè)、定位和報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)有空間碎片撞擊上來，能及時(shí)迅速報(bào)警，第一時(shí)間通知地面和航天員。它還能對(duì)艙內(nèi)的壓力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)不同壓力指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)報(bào)警。

巧妙應(yīng)對(duì)碎片“天敵”

為了應(yīng)對(duì)空間碎片等“天敵”的攻擊，天和核心艙熱控分系統(tǒng)針對(duì)長壽命可靠性問題，在之前的基礎(chǔ)上，開展了健壯性設(shè)計(jì)，為空間站安裝了兩條相當(dāng)于“大動(dòng)脈”的管子——熱管輻射器，以便減少流體管在外暴露的面積，大大降低被空間碎片擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

航天科技集團(tuán)五院空間站熱控分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師韓海鷹介紹，就像家里使用的水管子、水龍頭，用上幾年可能就壞了，必須及時(shí)更換、維修，否則家里容易鬧“水災(zāi)”和用水危機(jī)。因此，空間站的熱控分系統(tǒng)絕不能壞，特別是有著熱控回路系統(tǒng)心臟之稱的“回路泵”，必須是可維修的。

此外，空間站在軌長壽命的秘方還有很多，比如艙體結(jié)構(gòu)密封圈、壁板、各種閥門、各種管路等，都在可靠性和長壽命方面進(jìn)行了巧妙的設(shè)計(jì)。“千言萬語匯成一句話，就是空間站采取了以設(shè)備長壽命設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合可靠性設(shè)計(jì)，補(bǔ)充在軌維修的策略，確保長壽命。”侯永青說。