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问天飞天!当今世界最大单体载人航天器是如何造出来的?

作者:科技金融时报

北京时间7月24日14时22分,问天实验舱搭载长征五号B遥三运载火箭,在大陆文昌航天发射场准时点火发射,约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道,发射取得圆满成功。

问天实验舱入轨后,顺利完成状态设置,于北京时间2022年7月25日3时13分,成功对接于天和核心舱前向端口,整个交会对接过程历时约13小时。神舟十四号航天员乘组于7月25日10时03分成功开启问天实验舱舱门,顺利进入问天实验舱。这是中国航天员首次在轨进入科学实验舱。后续,将按计划开展组合体姿态融合控制、小机械臂爬行和大小臂组合测试等在轨工作,并利用问天舱气闸舱和小机械臂进行航天员出舱活动。

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长五B火箭带着问天实验舱奔向苍穹。(来源:央视直播)

问天飞天!当今世界最大单体载人航天器是如何造出来的?

7月25日,神舟十四号航天员陈冬(中)、刘洋(右)、蔡旭哲进入问天实验舱。(新华社)

  问天实验舱集平台功能与试验载荷功能于一体,舱体总长17.9米、直径4.2米,发射重量23吨,相关指标比天和核心舱还要高,块头和分量跟北京地铁13号线一节列车车厢差不多。那么,这个全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器,是如何造出来的?

中国航天科技集团五院529厂是大陆卫星、飞船的重要研制基地,也是空间站舱段结构的主要研制单位,天和核心舱研制任务就在这里完成。

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空间站问天实验舱(五院官微)

建造问天实验舱,挑战更多、难度更大,工艺技术人员创新突破了工艺瓶颈,研发了系列关键技术,保证了问天实验舱按节点高质量交付。

从单筋到双筋,难度不止翻倍

问天实验舱由工作舱、气闸舱及资源舱3部分组成。其中,气闸舱肩负着长寿命及多种设备安装的使命,对重要承力结构件的要求很高。经过论证,研制人员决定采用承力能力更高的内外双筋壁板结构。

与常规的外置筋壁板不同,内外双筋壁板需要在其内圆柱面上增加内置筋。这一操作的成形实施难度很大,而且成形缺陷、成形精度难以控制,稍有不慎即会出错。

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问天实验舱示意图(五院提供)

模具的设计至关重要:什么样的模具可以有效避让内筋?如何保证双筋壁板内外两侧的成形精度?另外,内置筋的压弯成形轨迹是怎样的?工艺参数怎么设定?这些问题以前从未遇到过。

经过反复分析测试,工艺人员提出这样一种模具设计:先分、再拼,装配时避让开内筋位置,再进行产品的压弯成形。最终他们得出了优化的压弯成形轨迹,设定了合理的成形路径和压弯工艺参数。模具搞出来了,工艺参数有了,内外双筋壁板顺利实现了精密成形,满足了设计需求。

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机械臂(自中国载人航天工程办公室)

空间曲线焊缝,焊接难度指数级增加

问天实验舱有一个为航天员出舱使用的舱门,舱门的门框由焊接工艺方式连接,是典型的空间曲线焊缝,要求焊接变形小、质量高。从平面到空间、从直线变曲线,焊接难度也呈指数级增加。

此类空间曲线焊缝的焊接,在以往型号研制过程中均采用手工方式完成,而问天实验舱产品焊接厚度增加到了5毫米,研制人员手工焊接时需要一层一层地焊,热量输入大、产品尺寸不易把握,焊接后结构应力大,无法满足空间站长期在轨运行的可靠性要求。

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工艺人员反复研究,确定空间曲线自动化焊接。(五院官微)

唯一的办法是攻克空间曲线自动化焊接技术。研制人员经过攻关、测试,设计了可柔性变化的焊接工装,以柔化刚、借力打力,既满足自动化焊接的功能,又保证空间曲线轨迹的可靠连接,顺利完成了密封舱舱门门框的焊接,各项指标均满足设计要求。

问天实验舱的舱壁加热管路可谓舱体太空防护衣,实验舱结构的增大,意味着加热管路数量要增加,且管路布局的整体走向呈空间三维结构,为此加热管路截面被设计成“Ω形”,类似一个圆形加一个平面,其与舱体内部要高度贴合在一起,以利于温度的灵敏控制。为此研制人员创新提出了“柔性分区+整体成形”的技术手段,即以管路三维曲面高精度制造,贴合于实验舱舱体的内表面。

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中国空间站三舱“T”字基本构型示意图,左侧为问天实验舱,右侧为梦天实验舱。

在轨2个月后,问天实验舱将实施转位,与天和核心舱形成“L”构型,静待梦天实验舱的到来。按照计划,今年中国载人航天工程还将执行3次发射任务,发射梦天实验舱与天和核心舱对接,形成空间站三舱“T”字基本构型,完成空间站在轨建造;随后发射天舟五号货运飞船和神舟十五号载人飞船,神舟十五号航天员将与神舟十四号航天员在轨轮换,并驻留6个月。

来源|新华社、科技日报、中国航天科技集团公众号

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