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      筑夢“天宮”|問天實驗艙這么大,是如何造出來的?

      澎湃新聞記者 謝瑞強 通訊員 張霞 樊曉霞 李彩玲 陳袁 王天明

      2022-07-24 18:24 來源:澎湃新聞

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      7月24日,中國空間站問天實驗艙成功發射,是我國目前質量最大的單體航天器。
      據悉,問天實驗艙艙體總長17.9米,直徑4.2米,發射重量23噸,相關指標比天和核心艙還要高,可謂更“強”更“壯”。制造這樣的“大個子”,對中國航天實力是極大的考驗。那么,這么大的問天實驗艙是如何造出來的呢?
      航天科技集團五院529廠是我國衛星、飛船的重要研制基地,也是空間站艙段結構的主要研制單位,已經完成了天和核心艙的研制任務。建造問天實驗艙,挑戰更多、難度更大,工藝技術人員憑借技術創新開展了頑強的沖鋒,不僅創新突破了工藝瓶頸,研發了系列關鍵技術,保證了問天實驗艙按節點高質量交付。
      雙筋皆修、虛實結合
      問天實驗艙由工作艙、氣閘艙及資源艙三部分組成。其中,氣閘艙肩負著長壽命及多種設備安裝的使命,對重要承力結構件的要求很高。經過論證,航天科技集團五院的研制人員決定采用承力能力更高的內外雙筋壁板結構。
      與常規的外置筋壁板不同,內外雙筋壁板需要在其內圓柱面上增加內置筋。這一操作的成形實施難度很大,而且成形缺陷、成形精度難以控制,稍有不慎即會出錯。
      從單筋到雙筋,難度不僅僅是翻倍。外筋在外面,看得見、好操作;內筋在圓柱面內部,不僅不好操作,還要渾然一體、要求很高。研制人員開展了大量論證,進行了持續的數值仿真和試驗驗證。模具的設計至關重要:什么樣的模具可以有效避讓內筋?怎樣保證雙筋壁板內外兩側的成形精度?另外,內置筋的壓彎成形軌跡是怎樣的?工藝參數怎么設定?……這些問題以前從未遇到過,是必須啃下的硬骨頭。
      大家沉著冷靜,開展了大量的縝密計算與論證試驗,經過反復分析測試,工藝人員提出設計這樣一種模具:先分、再拼,裝配時避讓開內筋位置,再進行產品的壓彎成形,并得出了優化的壓彎成形軌跡,設定了合理的成形路徑和壓彎工藝參數。模具搞出來了,工藝參數有了,內外雙筋壁板順利實現了精密成形,滿足了設計需求。問天實驗艙。本文圖片來源:載人航天辦公室問天實驗艙視頻截圖

      問天實驗艙。本文圖片來源:載人航天辦公室問天實驗艙視頻截圖

      問天實驗艙中的工作艙艙段近10米長,是我國目前為止最大的載人密封航天器艙體。為了保證艙外安裝載荷的正常工作,艙外72個設備支架的接口精度要求特別高。但正是因為“個子大”,艙體結構上的精密接口尺寸受溫度的影響被放大了,導致支架裝調過程中測量誤差大。
      與此同時,當前大型艙體研制使用的廠房空間大,產品研制周期長,實現廠房長時間恒定溫度環境的難度很大。為此,研制人員集思廣益,巧妙提出了一種虛擬恒溫測量方法,依靠數學矩陣計算原理,通過將大尺寸調測轉變為小范圍精測,化繁為簡、變大為小,得到從“實際到虛擬”的溫度補償值,從而將易受溫度影響的測量環節可靠且穩定,最終保證了支架裝配的高精度,成功為問天實驗艙這個大體格雕琢出一個身形精準的外形,順利保證了問天實驗艙艙外載荷的高可靠工作。
      以柔化剛、隨形而動
      問天實驗艙有一個為航天員出艙使用的艙門,艙門的門框是由焊接的工藝方式連接的,是典型的空間曲線焊縫,要求焊接變形小、質量高,以便于后續安裝艙門時的順暢和航天員在空間站中使用便利。
      從平面到空間、從直線變曲線,焊接難度也呈指數級增加,對于此類空間曲線焊縫的焊接,在以往型號研制過程中均采用手工的方式來完成,而問天實驗艙產品焊接厚度增加到了5毫米,研制人員手工焊接時需要一層一層地焊,熱量輸入大、產品尺寸不易把握,焊接后的結構應力大,無法滿足空間站長期在軌運行的高可靠要求。
      怎么辦?研制人員反復研究,只有一條路可走,那就是空間曲線自動化焊接。針對這個新技術,他們夜以繼日的攻關、測試,設計了可柔性變化的焊接工裝,以柔化剛、借力打力,既滿足了自動化焊接的功能,又保證了空間曲線軌跡的可靠連接,順利完成了密封艙艙門門框的焊接,各項指標均滿足設計要求。
      問天實驗艙的艙壁加熱管路可謂是艙體的太空防護衣,是貼合艙體內壁的溫控層,將確保航天員們在問天實驗艙中一直是適宜的溫度。問天實驗艙結構的增大,對艙壁加熱管路的研制提出了新的挑戰:大空間代表了加熱管路的數量進一步增加,管路布局的整體走向且是空間的三維結構,為此加熱管路截面設計成了“Ω形”,類似一個圓形加一個平面,其平面與艙體內部的曲面要高度地貼合在一起,以利于溫度的靈敏控制。如何實現有效貼合呢?研制人員充分發揮創造力,創新提出了采用“柔性分區+整體成形”的技術手段,即以管路三維曲面高精度制造,貼合在問天實驗艙艙體的內表面上,可謂是“隨形而動”,順利保證了艙壁加熱管路的制造需求。意與形合、質量為綱
      所謂“意”,指在航天產品的研制過程中,要時刻保持如履薄冰、如臨深淵的質量意識,將“風險識別到位、技術狀態控制”始終放在首位。通過“意”的內化,制定空間站問天實驗艙的產品保證計劃與流程,全面、有序、規范地開展產品保證工作。
      所謂“形”,指依據總體要求,在繼承空間站核心艙產品研制經驗的基礎上,識別問天實驗艙的技術風險與產品保證要素,制定相應的控制措施,建立問天實驗艙產品完備的“生產基線”,全面梳理、細化、量化問天實驗艙產品保證控制要素,并納入研制流程實施。問天實驗艙研制過程中,充分地將預先驗收工作提前進行,及時發現并解決問題,確保產品實物與技術要求一致,無問題零疑點高質量出廠。
      意與形合,體現了航天人追求的近乎完美的嚴苛質量!代表著質量要求的產品保證工作,貫穿著問天實驗艙產品研制的全過程;隨著產品保證工作的逐步貫穿、滲透,才將這么復雜的問天實驗艙研制路線清晰地梳理出來。正是由于研制過程精密細致的質量保證工作,問天實驗艙才得以茁壯成長,成功實現了“一次做對、一次做好,一次成功”!
      通過一系列技術創新和科學管理,通過一次次解決技術難題,航天科技集團五院的航天人成功研制出了問天實驗艙這個空間站中最強壯的大個子。未來的很長的時間里,這個強壯的身影,將會用優異的在軌表現,在太空家園中迎接著來自地球母親的客人! 
      (本文來自澎湃新聞,更多原創資訊請下載“澎湃新聞”APP)
      責任編輯:李怡清
      圖片編輯:蔣立冬
      校對:張亮亮
      澎湃新聞報料:4009-20-4009   澎湃新聞,未經授權不得轉載
      關鍵詞 >> 天宮,空間站,問天實驗艙

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