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高一学法指导·《飞向太空的航程》(2)

来源:101教育 2016-11-08 字体大小: 分享到:

  有关资料

  一、

“神舟”五号载人飞船诞生内幕

南香红

  谁也不知道,中国究竟要造一个什么样的载人飞船。

  专家们为自己心中的飞船争论不已时,作为飞船总设计师的戚发轫常常陷入两难境地。沉思中他的银白的头发会微微颤抖着垂落下来。

  前苏联和美国从发射无人飞船到建立长期性空间站,历时30多年,经历从无人飞船到永久性空间站5个发展阶段,其间有成功的喜悦也有惨痛的挫败,中国人该怎样迈出自己的第一步?

  在中国之前,美国和苏联都把人送上了太空,那么我们的“神舟”飞船是不是可以在先行者的肩头起步,或者与国外进行项目合作?

  戚发轫说:“没有。我们曾经很想,但没办成。我们就决定:自己干。”

  点火:上演生死时速

  “零故障、零缺陷”在地面上可以做到,但只要一上天,有很多事就难以预测了。

  “挑战者”号爆炸的烈焰每一个航天人都不敢忘记。

  李颐黎是“神舟”应急救生系统的主任,他要考虑的是从发射、上升、运行到返回着陆的救生对策。

  飞船发射的瞬间可以说是千钧一发。设计师们根据世界载人航天历史上的失败教训认定,此时的危险源主要是火箭或飞船推进剂泄漏、着火,火箭发生故障等。

  发射前最后5分钟,航天员系好束带,关闭头盔面罩,戴好手套,两手抱膝静坐等待升空。

  突然故障检测系统报告出现紧急情况,航天员迅速从座椅处攀上近2米高的舱口,快速打开飞船舱门,以最快速度钻出飞船。飞船舱门正对着第九层发射塔架,旁边有一个航天员专用防爆电梯,但是没电。航天员快速跑到撤离滑道口,纵身向几十米深的紧急撤离滑道跳下去……

  这是逃生演习中的一幕。

  紧急撤离滑道是一个钢套管和高弹力阻燃材料救生袋制造的高约50米的细长的尼龙口袋,航天员叉开双腿,用肘部及手使劲撑住袋壁,以便下滑得慢一点。尼龙口袋里层是张力为钢材10倍的特殊纤维层,只要用力撑,就可以控制下滑速度或者停止,防止溜得太快太远而摔伤。

  尼龙滑道是湿的。这是为了防止磨擦产生静电而浇湿的,航天员从口袋里钻出来,到达发射架下的地下掩蔽室,至此,航天员就安全了。

  但这只是在时间允许的情况下的逃离办法,火箭一旦点火,就不可能再停下来。“神舟”五号的救生办法是:火箭顶端的逃逸塔迅速点火,拉着飞船以超过火箭几倍的速度逃离火箭。逃逸塔上四个又轻又薄不会变形的栅翼格会自动打开,控制飞船稳定飞行。

  逃逸塔的作用是火箭点火的前5分钟到起飞后120秒钟,也就是飞行高度0公里至39公里,帮助航天员脱离危险区。在世界载人航天史上,逃逸塔只被使用过两次。

  回家:闯过死亡关口

  飞上207公里的飞船就进入轨道了。浩淼的太空离地球很远,但并不意味着没有危险。

  一个可能是飞船失去控制,飞向更远的太空回不了家;第二个可能是飞船的航天员座舱被流星或太空垃圾击穿;第三个可能是飞船上的某个阀门泄漏。

  1960年5月15日,前苏联首次发射了无人驾驶的卫星式飞船1号,飞船姿态控制系统故障,制动火箭点火后将返回舱推向了更高的轨道,1962年9月5日飞船才返回大气层并烧毁。

  回家和上天,一样充满风险。返回是载人飞船的事故多发段,不少航天员在回家途中死去。

  飞船控制专家陈祖贵的四个摞起来有30厘米厚的大本子上写满了计算公式。他要给飞船安上“眼睛”和“大脑”。他习惯了人们这样和他见面打招呼:“飞船能不能回来?”

  2001年1月,“神舟”二号飞船返回的前一圈,突然飞船发生震荡,返回姿态不稳,轨道舱泄压,此时距离飞船的返回只有一个半钟头了。指挥大厅的空气几乎凝固了。陈祖贵拿出可信的数据,说明飞船完全在控制之中,可以发出“回收”命令。果然,一切如常。

  “神舟”飞船的落点范围精确到了正负10公里左右,这相当于打靶十环的水平,而俄罗斯的水平是30多公里。

  据说,为了让摄影师拍摄到飞船在火红的晚霞中徐徐降落的情景,制导导航专家们特意设计了偏航机动技术。按推算,“神舟”一号的最佳发射窗口时间是上午,那么飞船就会在漆黑的晚上返回。而使用偏航机动技术,就无需考虑发射窗口,它可以在任何时间发射。当“神舟”一号降落在晚霞中的大草原时,没有人想到,科学和浪漫竟然会结合得如此完美。

  假如返回座舱发生泄漏,“神舟”五号的控制面板会发出压力报警信号,航天员必须在10分钟内穿好航天服,接通供气管。航天服可连续6个小时保证航天员的氧气供应。在这6小时内,飞船可以在10个应急着陆场中选择着陆。

  假如险情十分紧急,飞船可以启动立即返回功能,设计师保证飞船有2个小时的时间,瞧准第一个来得及着陆的地区着陆。

  假如两台变轨发动机发生故障,另两台会立即补上;假如4台发动机停火,另有8台小发动机,足以让飞船完成自动调姿,顺利返回。

  假如着陆缓冲发动机不工作,返回舱底部安装的Y高度仪会使缓冲发动机点火,给飞船一个向上抬的力,足以让航天员安然着陆。万一发动机不点火,航天员的座椅下部胀环式缓冲器,能够起到“弹簧”的作用。

  返回舱里为航天员准备了所有能够想到的救生物品:远距离呼救电台、信号枪、闪光标位器、太阳反光镜、光烟信号管、海水染色剂、急救药包、蛇伤自救盒、蚊虫驱避剂、食品、饮水、指北针、抗风火柴、防尘太阳镜、引火物、救生船、渔具、驱鲨鱼剂、抗浸防寒飘浮装备、救生手枪、生存刀、救生手册等。

  飞船落地后其顶端的闪光灯以每分钟闪动55下的频率发出白色的闪亮,可以连续闪光25小时;假如落在海里,飞船上配备的染色剂会把飞船周围的海域染成绿色荧光区,便于飞机搜索。

  细节:洞开生之门

  1967年1月27日,美国阿波罗4A飞船和土星5号火箭进入了倒计时,突然通话器传来密封舱员呼救:“着火了!” “快放我们出去!” 但等救援人员跑去打开舱门时, 飞船里的3名航天员已全部被烧死。

  这只是一次地面联合模拟飞行试验,就让美国损失了3名航天员。阿波罗飞船座舱里气压较低,着火后,舱内形成负压,无论里面还是外面在短时间里都无法打开门。

  中国的“神舟”飞船的舱门无论从里面还是从外面,不超过3秒钟就能迅速打开。

  生之大门因为一个小小的细节而洞开。但是这个门可能有几百上千种方案和样式,你必须有能力和智慧选择出最佳的一种。

  这个门如果宽一点航天员逃生可能更为顺利,但它可能因为大而密封不严从而造成隐患;这个门可能因为密封很好而让人放心,但它可能因为过于密封而开启困难。矛盾、芜杂、纷乱,有时候可能你向左了就不能向右,这时候就必须在针锋相对中进行趋利避害的选择。

  而选择的智慧不是天生的,它来自于反复的实践。“神舟”飞船的降落伞是目前世界上正在使用的降落伞中最大的一种。它展开有1200平方米,它的每一个针脚都要求一致、细密,为了保持一致性,有的活必须一个人从头到底。据说,一个缝纫女工一年只能缝一面伞。

  降落伞对于航天员的生命是至关重要的。大沙漠试验场上,伊尔76大型运输机从1万米的高空把模拟返回舱抛下。主伞先开一个小口,慢慢地全部撑开,此时五彩缤纷的主伞铺开在蓝天上,返回船悠悠然地向下飘落。在落地的一刹那,返回舱上的切割器“咔嚓”一声切断伞绳吊带,1200平方米的降落伞如一片彩云随风而走。

  如此情景反复实验了70多次,但科学家们还是不放心,特意配备了2名“大刀手”,一旦伞绳不能自动切断,大刀手就要冲上前去飞刀断绳。

  如果返回舱落在水里,伞舱正在航天员头部的上方,水就会涌进伞舱里,使返回舱沉没。设计师妙思解难,设计出一种特殊的排水功能。伞舱底部被装了一个气囊,返回舱落水里气囊就会自动充气,膨胀成一个体积为150升的大气包,不仅能把水挤出伞舱,还能24小时充当浮筏,让返回舱漂浮起来。

  一个细节和一个细节之间如连环锁一样紧紧相扣,它托起的是航天员的生命。

  飞船环境:承载生命重量

  内蒙古大沙漠,“神舟”五号空投实验。飞船返回舱从高空抛下,溅起一股沙尘。

  科技人员跑过去打开舱门,一股刺鼻的白烟窜出来。“像火药燃烧的味道。”一位科技人员回忆。

  这是一次偶然发现,但这个发现是致命的。返回舱内有害气体严重超标,其主要成分是一氧化碳。

  飞船必须给人提供一个像地球一样的生存、生活和工作的小环境,否则,人在太空是连一分钟也不能生存的。

  飞船舱内的空气必须是新鲜的,这是第一要素。航天员所呼吸的空气是由飞船自身携带有氧气瓶和氮气瓶提供的,通过舱内安装的压力调节系统,不断地为座舱补充氧气和氮气。使舱内的大气成分和压力始终保持在适当的范围内,同时,舱内的通风净化设备不停地将航天员呼出的二氧化碳等废气进行过滤和净化。

  这股意外的臭气从何而来,为什么“神舟”一号、“神舟”二号没有发现?后来一分析,发射无人飞船时,返回舱要在落地一段时间后才开舱。那时味道已散开了,所以问题没有进入研究的视野。

  飞船总指挥袁家军、总设计师戚发轫亲自带领盘查,发现气体来自两处,一是火工品工作时间舱内泄漏的燃气,二是从舱内非金属材料排泄出有害气体。

  改进是必然的,但这意味着所有的密封结构设计、垫圈选择和安装工艺等都要重新做一遍。

  “堵”是重要的,但更重要的是要把有害的气体排出去。他们在飞船返回舱身上钻通一个个的小孔,这些小孔的奥秘是,既能把有害气体排出舱外,又能保证舱外的气体流不进舱内来,保持密封。

  就这样的一个问题,攻关小组竟工作了两年才完全解决。

  飞船上有了人,湿度问题随之而来。人呼吸、排汗每天可产生1公斤多的水汽。这些水汽在飞船的舱壁、仪表表面凝成雾,电气设备就会短路。

  因为没有载过人,所以没有考虑到人的呼吸和汗气会造成如此大的影响,原先的设计中,许多电缆接插件没有防水功能。

  所有电缆接插件都做了模拟结露结水试验,以找出会出问题部位。有趣的是科技人员发现,婴儿尿不湿的纤维织物对吸水吸湿很有作用,于是类似的材料被聪明地用在飞船上。

  一个飞船有20多个“窗口”,它们有舷窗、伞舱、发动机舱口,每一个窗口都是一种考验,都可能隐藏着一种危险。这些窗口必须是密闭的,又要是防热的。

  舷窗在设计者的手里变成了多层,最外层采用耐高温的材料,这种外层玻璃只隔热但不密封,中间多层玻璃之间采用真空密封设计,类似于暖水瓶。

  太空卧室:让机器充满人性

  戚发轫为航天员设计的家周到、美丽。

  飞船座舱内仪表是黑色的、走电线的内壁是铁灰色,座椅的四周是乳白色的,舱内的照明灯也是乳白色的,灯管的外面还罩着漂亮花纹的灯罩。但是每一样材料的选用完全不同于家庭装修,材料的用与不用,都有科学依据。舱内照明舍弃了白炽灯,因为它可以产生热量,现在用的是冷光源的U形荧光灯,既明亮又不刺眼。灯罩的作用是收集灯管破裂后的碎片,并使亮度二次均匀分布。

  航天员在飞船上的坐姿始终是窝着的,身体被紧紧地束缚在太空椅上,手臂能够到的地方有限,飞船上的仪表台、控制台、按钮的安放都比较矮,航天员不用改变身体的姿势就能够到。太空椅边还放置了一根小棒,如果手臂够不到,用小棒就可以控制开关。

  航天员因为戴了手套,手指要比一般人粗些,因此飞船上各种按钮和开关的尺寸都做得比地面上的大,之间的间隙也很大。

  何宇、朱光辰、柯伦被称为“飞船工程师”。何宇坐上宇航椅,立即发现从这个位置上够到操作板是不容易的,于是进行了改进。从飞船轨道舱到返回舱,都安有扶手、脚蹬子,便于航天员经过时使用。但当飞船工程师们穿上笨重的航天服时,发现腿打不了弯儿,脚蹬子的距离就显得太大了,脚蹬子因此多了几个,不用的时候还可折叠收起,方便了航天员的进出。

  飞船报警的时候屏幕上的汉字,字体是仿宋体而没有用黑体。仿宋字比较柔和,可以缓解感官上的刺激,报警语句最多不会超过9个字,用的是女中音,让人听起来会感觉到沉稳和踏实。

  飞船发射前的几小时,何宇等人最后一次进入飞船,检查阀门、按键、照明灯、仪表显示,然后郑重地在确认单上签上自己的名字。

  (选自2003年10月17日《南方周末》)

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