创新+匠心,中国空间站将总体设计之杰作写入太空!

来源:央视网

2022-11-02 13:31

2022年11月1日4时27分,随着梦天实验舱与天和核心舱、问天实验舱在太空紧紧相拥,中国空间站在轨建造阶段的最后一个舱段,配齐!中国空间站将雄阔壮美且匠心独具的总体设计杰作绘就于无垠的太空中,书写下载人航天三十载峥嵘岁月中又一浓墨重彩之笔。航天人牢记习近平总书记给空间站建造青年团队回信嘱托,再一次用成功向祖国报告!

秉承中国航天事业奠基人、五院首任院长钱学森提出的系统工程思想,历经30年载人航天之路、十余年空间站研制之旅,航天人将“建造太空家园”的心中宏图,绘成手中蓝图,终用智慧和汗水铸成重器,彪炳史册。重器背后,是中国空间站系统独具特色、浑然天成的总体设计,是对我国航天器系统设计的又一创新跨越,闪耀着中国智慧,昭显着匠心之美。其中,航天科技集团五院作为我国空间技术的总体院、空间站系统的抓总设计研制单位,发挥着无可替代的作用。

奇思妙想绘未来源自总体设计的战略观

“结果源自开头,起点通往终点”,五院空间站系统总指挥王翔认为,对于系统工程实践来说,科学思想先于工程实践,而这正反映了我国建设空间站立足当下、着眼长远的战略观。在空间站这样一个空前复杂的系统工程中,总体设计是“龙头”和“命脉”,一切工作皆肇始于此,归结于此。

回到梦开始的地方。“建造太空家园”筑梦之初,我国空间技术经过数十载的工程实践,形成了一整套系统工程方法,积累了丰富的经验,但却被国际空间站拒之门外,面临技术封锁、关键器部件禁运等严峻形势和多重约束。如何把多个大型航天器在轨合理、高效地组装起来?如何低成本、高效益地实现长期在轨稳定运行?如何打破国外封锁、自主创新地突破关键技术?……一连串空前的难题摆在五院总体设计人员面前。

“必须独立自主,靠中国人自己的力量建成空间站!”五院空间站系统总设计师杨宏坚定地认为,“要依靠自立自强打破封锁,通过增强顶层设计,瞄准前沿系统谋划,提出适合我国国情的组装建造方案。”他带领五院总体设计团队,秉持“1+N=1”的设计理念,以“规模适度、留有发展空间”为设计思路,踏上了巧思释放、活力涌流的设计之旅。最终,他们创造性地提出“利用舱段交会对接和转位机械臂进行平面转位、研制大型组合机械臂并与航天员协同进行舱外大型设施构建”方案。这一独具中国特色的总体设计方案,可以使我国在没有航天飞机等大型运输工具的情况下,完成积木加桁架混合构型的大型空间站在轨组装建造。

从理想走向现实,需要以科学、统一的技术体制来有力地组织。于是,“一个系统总体、三个舱段总体加上一套专业分系统团队”的工程组织架构如宏伟的建筑拔地而起,撑起了“整体统一”的管理,使天和、问天、梦天三个舱段的通用化率达80%,促进了系统方案优化。系统设计与工程管理深度融合,相得益彰。

蓝图绘就,稳步铺展。在天和与问天组合形成“L”字形后,梦天的就位,使三舱构成一个可靠的“T”字形“核心组合体”,成为空间站的基本部分,将为巡天光学舱等后续扩展舱段奠定坚实的基础。未来,还能够在机械臂的辅助下进行扩展舱段的组装,形成“十”字形、 “干”字形等扩展构型,可谓千变万化。“然而,变化的过程和结果都来自设计,万变而不离其宗。”王翔总指挥说。

天地人和融为一源自总体设计的整体观

天地人并生,万物合为一。古人讲求“天地人和”,把整个宇宙看做一个大系统。这样穿越时空的智慧,在空间站系统的总体设计中体现得淋漓尽致。从全局谋划一域,以一域服务全局——通过在众多约束条件下创造最大价值的总体设计,天、地、人三大要素交相辉映,融为相互联系、相辅相成的有机整体。

先看天上。组成空间站的各个舱段和来访的飞船都是独立的飞行器,对接后形成组合体,以“最强大脑”对整个空间站进行统一控制和管理,保证各舱段和飞行器动作协调,资源统一优化使用。为了真正合而为一,除了在结构上完成交会对接,还要让信息系统和能源系统相互联接,确保动态并网、能力共享,“神经”和“血液”畅通无阻。此外,通过热控流体回路,热量也实现了跨舱传输、相互兼容。三舱互联互通,且具备跨航天器的系统重构能力,整体性能大幅超越了各航天器功能的简单集合,这在国际上尚无人做到。而这也刻印着总体设计人员仰望苍穹、匠心闪烁、接续奋斗的身影。

在地面,五院建设了一个与“天宫”等比例的物理空间站,并采用数字孪生技术创建了数字空间站,共同形成了“天-地-数字”三站协同的新型运行模式,用飞行数据实时驱动并开展在轨状态预测、趋势评估,以扎实的基础能力做到一路护航。五院还抽调骨干成立了一支飞控队伍,从天和核心舱发射前夕开始,他们就一直坚持三班倒、连轴转的“空间站作息”,24小时不停地监控天上的状态,一丝不苟、默默守护。一年多来,这支队伍经受住了各种复杂在轨构型和各类任务的重重考验,已身经百战,具备了过硬的本领,将为后续长期在轨运营任务提供可靠支撑。

人,是空间站系统里具有决定性的要素。不论是最开始设计空间站,还是每次任务全过程,五院设计团队都会和航天员进行充分的沟通,将以人为本的理念贯彻到底。一方面,从航天员的需求出发,通过设计不断提升舒适性和便利性,打造一个让航天员身体健康、心情愉悦的太空之家。干净整洁的舱内环境、扫码识别的物资管理系统、天地双向视频、智能厨房等等,都蕴藏着设计师们的精巧构思和大量心血。另一方面,确保航天员的安全是首要任务,在设计之初就要系统地将安全性、可靠性考虑充分。航天英雄杨利伟在首次飞天前对总体设计人员说“我信任你们”,这句话在五院人看来既是最棒的肯定,也是最重的责任。“人为天地客”,在中国空间站工程中,天地人实现了和谐共处、相互成就。

敏锐洞见解难题源自总体设计的辩证观

空间站系统的总体设计,既有胸怀宇宙万象、驰骋天地间的酣畅淋漓,也曾屡遭“大象在瓷器店里跳舞”的棘手难题,更有横刀立马誓要守住的底线红线。而这一切,都被总体设计人员以发展的眼光和辩证的思维及早洞见并巧妙化解了。

早在空间站任务起步之初,杨宏便意识到,关键核心元器件一定是制约空间站长期可持续发展的瓶颈。秉持以国家重大型号引领基础技术突破的观点,他带领技术团队驻扎元器件研制一线攻关,一举突破了550万门宇航用元器件的技术瓶颈,解决了核心元器件“卡脖子”问题。此举不仅实现了对进口元器件的全部替代,打破了封锁壁垒,而且迫使某国际元器件巨头公司主动遵从我们的标准生产产品。目前空间站系统核心元器件已实现全部国产化,真正将主动权掌握在自己手中。

“创新建站、科技建站”,五院坚定地走科技自立自强之路,于数年前提早布局,打造了宇航智造工程空间站示范项目,打通了研制过程全周期、全三维的模型数字化流程,开辟了新型数字化研制模式,使研制周期缩短了30%。团队执着地追求卓越、集智攻关,攻克了可爬行机械臂等一系列拥有自主知识产权的关键技术,在发供电、物资循环利用效能和运行经济性等关键性能指标上实现了超越,使一个又一个中国奇迹炫舞太空,散发着耀眼的创新光芒。

面对系统可靠性的难题,五院人致力于以高质量、高效率、高效益全面发展的方式开展总体设计,潜心钻研、匠心独运,创立了在轨航天器安全性、可靠性、维修性“三性融合”的综合工作体系。这种不中断飞行、化繁为简的维修设计,在各种约束条件下,实现了整体系统优化和功能增强。

空间站建造工程是发挥新型举国体制优势的典型案例。在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下,我国航天事业健全完善全国大协作、大攻关的系统工程体系,空间站研制团队得以科学地组织跨行业、跨学科的集智攻关,联合全国数千家单位、数万名科技工作者大力协同。举国铸重器,重器始乃成。中国空间站建造无疑是新时代集中力量办大事的生动范例。

习近平总书记在党的二十大报告中指出,“加快实施创新驱动发展战略”、“加快实现高水平科技自立自强”、“加快建设航天强国”。面向新征程,五院人将牢记习近平总书记给空间站建造青年团队回信嘱托,将更多壮美的杰作书写在太空中,为实现我国航天科技高水平自立自强再立新功。我们相信,以“创新+匠心”的总体设计赋能美好太空家园的图景,将在更多的空间技术领域得到充分的演绎和生动的展现。

稿件由央视网与中国空间技术研究院共同策划

责任编辑:张致远
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