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日志

 
 

航天器是如何研制出来的?  

2014-09-04 11:35:09|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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目前,人类已发明了3种用于开发太空资源的航天器,即人造地球卫星、载人航天器和空间探测器。它们虽然千姿百态,各不相同,但其研制过程大致相同,一般需经历技术研究(也叫概念研究)、方案论证、初样研制和正样研制4个阶段。

4个阶段

技术研究是在航天器正式开展工程研制前进行的,主要是根据航天器用户的需求或预测的航天器发展趋势,提出所要研制航天器的总体技术性能指标。
方案论证是在航天器研制任务正式下达并立项之后进入工程研制的第1步。这个阶段的主要工作是根据研制任务书确定的航天器性能指标和使用要求,结合材料、元器件和工艺技术水平等条件,选出一个整体优化的总体方案。
初样研制是指研制出能进行地面试验的工程样航天器,包括电性航天器、温控航天器和结构航天器等。这一阶段的主要工作是根据方案设计确定的总体方案及分系统初样设计任务书的要求,对各系统进行精心设计、精确计算。航天器制造厂要编制出正规的工艺生产文件,装备保证产品制造质量必需的工装夹具,并组织试制生产,最终生产出可以进行各项地面试验的工程样星。
正样研制阶段的主要任务是研制出最终上天的航天器。当制造出正式的产品后,要进行一系列鉴定试验和验收试验等。当一切达到要求(也可叫问题归零)后就可以准备发射了。

多项试验

与其他产品相比,航天器有以下特点:航天器出厂后要经过运输、发射、入轨和轨道运行等阶段,所以要经受各种环境的影响和作用,这些环境的复杂性和多样性是其他任何产品都不能比的。例如,在发射过程中,航天器在强大推力作用下会受到剧烈的冲击、振动和气动加热;进入轨道后,则要经受高低温度交变、失重、空间粒子辐照甚至微流星体撞击等严酷考验。
另外,不少航天器的研制成本高、研制周期长、生产数量少,而且上天后如果出现了问题极难补救,所以要求航天器有很高的可靠性。为此,航天器发射前一定要进行多种地面环境模拟试验,以此检验航天器的一系列性能,看它能否可靠地工作,能否适应严酷的发射环境和轨道运行环境。目前,航天器的环境模拟试验主要有以下几种。
1)振动试验。它主要模拟航天器在发射阶段和返回阶段所经受的振动环境。试验时要把航天器固定在巨大的振动试验台上,航天器的各个典型部位都安装传感器,用来测量航天器各点的振动量级的大小。一旦加电工作,振动台就带动航天器一起振动,发出的声音像一头雄狮在怒吼,振动的频率由低向高不断地增加。通过这样的考验,不管是设计问题,还是工艺问题,亦或是装配质量问题,哪怕是一个焊点松动或一个螺丝钉没有拧紧,都会在这种振动面前“原形毕露”。
2)冲击试验。它主要模拟在航天器发动机的点火工作以及星箭分离或航天器两级分离时对航天器产生的冲击。这种试验常用跌落式或撞击式冲击台进行,加速度通常达到重力加速度的几百倍甚至上千倍;也可用爆炸冲击产生振荡型冲击,用真实火工品模拟爆炸螺栓分离解锁时的冲击;还能用振动台模拟冲击谱的合成或瞬态冲击波进行。
3)噪声试验。它是模拟发射时航天器发动机工作时产生的噪声和与大气的摩擦而产生的气动噪声。航天器系统级噪声试验主要有3种方法:自由声场、行波声场和混合声场。其中,混合声场目前使用较广,它模拟火箭整流罩内声场,进行试验时是把航天器推进混响声室,置于一个符合试验声谱和总声压级的均匀而扩散的声场中。
4)加速度试验。它是模拟航天器发射时航天器经受的过载,即承受的加速度。这种试验大多是在离心机上完成。
5)真空试验。它是模拟航天器在轨道上的运行环境,包括空间的高真空、深冷温度和高低温度交变。
此外,还有电磁相容性试验、空间粒子辐照试验等。不过,随着科技的不断发展,现在很多环境模拟试验可以用计算机模拟进行,从而大大节省了人力、物力和财力。

链接:在地面创造出真空的环境需要用真空罐。在真空罐内部有通液态氮的管子,当管子内充以液氮后,液氮的循环流动可使真空罐内的温度降低到-100℃。在其外部有由各种真空泵组成的抽真空系统和测量控制系统。在罐子的一端或侧面有一个既能保证密封又可以开关的盖子,航天器就是从这里被放入罐内。同时,在罐内还设有模拟太阳照射的装置。试验一开始,罐子被抽成真空并开始降温,并进行温度的交替变化。航天器在这样的环境中按照工作程序进行连续几天甚至十几天的试验,从而考验航天器及其各分系统在该环境条件下能否可靠地工作、达到预期的性能。

厂房要求

所谓航天器总装就是根据总体要求,把各分系统使用的仪器设备可靠地固定到所要求的星体位置,通过电缆和导管将它们连接起来,形成各方面满足要求的整星,保证航天器在每个阶段各种环境的作用下可以正常工作。
在航天器总装中,对总装厂房有较高的要求,例如,为了保证航天器质量,我国航天器总装大厅操作区的环境要求: 温度15~25℃,相对湿度40%~60%,空气洁净度优于100000级,照明度100~300 Lx,噪声小于60 dB。
由上述可见,研制航天器的过程是相当复杂的。

东方星/文

原载《国际太空》2014年第8期
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