為中國空間站打造防護“鎧甲”

(資料圖)

——記航天科技集團五院總體設計部空間碎片防護設計團隊

光明日報記者 張蕾 光明日報通訊員 鄭世貴 范晶巖

如今，中國空間站已在軌安全運行一年多，經受住惡劣空間環境的嚴峻考驗，保障了航天員安全順利出艙，成功完成多項空間科學任務——這些，都離不開航天科技集團五院總體設計部空間碎片防護設計團隊。20年來，該團隊通過不懈探索與努力，打造出固若金湯的防護“鎧甲”，為中國空間站長期在軌安全運行提供了強大的空間碎片防護能力。

“空間碎片行動計劃”的源起

宇宙無垠，空間軌道資源卻并非無限。最具應用價值的地球軌道主要集中在2000公里以下的軌道區域，而這里也成為空間碎片的“集散地”。

空間碎片是指人類空間活動的產物，包括完成任務的火箭箭體和衛星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務過程中的拋棄物、空間物體之間碰撞產生的碎塊等，是空間環境的主要污染源。

“載人飛船是典型的低軌道航天器，其軌道所處區域空間碎片密度較大，碎片的撞擊對飛船運行的可靠性和安全性構成嚴重威脅。特別是當航天員進行艙外活動時，由于失去了艙壁的保護，碎片撞擊的危害會更加嚴重，甚至直接威脅到航天員的生命安全。”航天科技集團五院動力學專家曲廣吉介紹。

1993年，全世界主要航天國家發起成立了機構間空間碎片協調委員會（IADC），空間碎片問題正式進入世界航天領域的研究范疇。2000年，在國家財政的支持下，國防科工委組織實施了“空間碎片技術研究”專項，并制定了“空間碎片行動計劃”。

從無到有，天宮一號經受住考驗

從2002年起，航天科技集團五院總體設計部曲廣吉、楊雷、閆軍等專家敏銳地察覺到空間碎片領域對未來載人航天的重要性，迅速開始組建團隊，逐漸形成以航天科技集團五院動力學專業研發副總師閆軍研究員為帶頭人、老中青技術骨干為主的技術力量，全面啟動了空間碎片領域的技術儲備進程。

當時，國內有空間碎片防護概念的人寥寥無幾，相關技術資料也屈指可數。于是，在每周一次的技術討論會上，大家暢所欲言，分享最新獲得的信息，表達自己的感悟和困惑，讓思想的火花在交流碰撞中盡情迸發。短短幾年，團隊完成一系列相關課題項目，突破數學建模、編程語言開發、編程算法推演等多項關鍵技術，成功開發出“空間碎片風險評估與防護設計軟件”，相關成果得到國際同行的認可。

2005年，在天宮一號初樣設計之際，團隊多次匯報空間碎片的危害及對策。型號總指揮、總設計師經過慎重考慮，決定在天宮一號上率先開展空間碎片防護設計，并指定由他們來承擔天宮一號空間碎片評估及防護設計的全部工作。

面對空間碎片防護技術的首次工程應用，團隊成員們如履薄冰，多次向總體設計師、結構設計師、熱控設計師們請教與溝通，深入了解總體和分系統設計需求。為了盡量減少重量，他們通過大量試驗，大膽提出利用輻射器擔當部分防護功能的思路，充分利用艙外原有的輻射器作為防護板，在只增加支撐柱重量的情況下，把艙體防護能力提高了3倍多。同時，通過把輻射器管路更改為內藏式設計，顯著減小了輻射器管路的單點失效概率。在航天科技集團五院新飛船試驗船技術負責人楊雷看來，天宮一號的防護設計，“完美結合了超高速撞擊防護理念與工程中簡單、經濟、可靠等原則”。

2011年9月29日，天宮一號發射成功。作為我國首個使用空間碎片防護設計的航天器，天宮一號于在軌四年半的時間里經受住空間碎片環境的考驗，表明我國空間碎片防護技術取得重大突破。

防護設計新進程全面啟動

在天宮一號防護工程實踐快要收官時，該團隊又開始著眼我國載人航天三期工程，針對空間站更長的在軌時間、更大的組裝規模、更苛刻的防護需求，全面啟動了防護設計新進程。

他們以自主可控和可持續發展為宗旨，提出“材料立足國內、指標對標國際”的研發原則，決定開發性能更先進的復合材料填充式防護結構。

第一關要攻克材料問題。“我們獨辟蹊徑提出了‘基于沖擊壓力的防護材料評估方法’，定量評估材料防護性能，從國內幾十種復合材料中篩選出具有防護潛力的兩種材料，后續撞擊試驗與前期評估結果完全吻合。”閆軍說。

關鍵的第一關突破后，他們又通過數百次數值仿真計算和試驗，掌握了復合材料的重量和位置等參數對防護性能的影響規律。后續，設計師就可以根據需求輕松設計出擁有最優性能的防護結構。“目前，先進防護結構已成功應用于天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙的防護，我國空間站防護結構的性能指標達到國際先進水平。”閆軍表示。

（光明日報北京9月18日電）

《光明日報》（ 2022年09月19日?08版）