神舟七號飛船滿載3名航天員飛行乘員組發(fā)射升空，乘員組中的2名航天員進(jìn)入飛船軌道艙，身著艙外航天服完成出艙活動準(zhǔn)備，他們中的1名航天員出艙進(jìn)行了半個小時的太空行走，并完成預(yù)定的空間科學(xué)實驗操作。
那么神舟七號載人飛船到底是怎么設(shè)計的？她與神舟五號和神舟六號載人飛船有什么不同？當(dāng)記者走近中國航天科技集團(tuán)公司空間技術(shù)研究院神舟飛船研制隊伍時，科研人員勾畫出了“神舟七號”總體設(shè)計的直觀圖。
“人性化”設(shè)計彰顯舒適和便捷
飛船總裝主管設(shè)計師劉曉震介紹，神舟七號飛船的研制重點就是要確保航天員順利進(jìn)行出艙及釋放小衛(wèi)星等其它活動。為此，“神七”從研發(fā)伊始就嚴(yán)格遵循人性化的設(shè)計理念，生產(chǎn)與試驗、舒適與便捷緊密結(jié)合，處處彰顯人與飛船設(shè)備的完美交互。
“瘦身”運動?！吧衿摺钡脑O(shè)計在飛船內(nèi)部的空間保障上做足了文章。由于此次太空之旅要完成出艙活動任務(wù)，而艙外航天服的體積較大，兩名航天員要進(jìn)行穿脫動作，此外還要攜帶3人5天的生活物品，這勢必要占據(jù)艙內(nèi)的有限空間，難免會影響到航天員的工作與生活。為此，在設(shè)計時盡量安裝設(shè)備的儀器板，把其裝載在類似貨架的格框上，提高空間使用率，以便騰出更多的空間供航天員活動。
視覺引導(dǎo)。按計劃，“神七”的3名航天員將在空間軌道工作、生活3至5天。就飛船而言，由于空間失重環(huán)境下的方向感與地球表面的概念不同，是隨時變化的。為了讓航天員更好地適應(yīng)“捕捉”方向感的“測試”，更好地在沒上沒下、沒左沒右的環(huán)境中正常工作，在內(nèi)部裝修上，把艙體地面用褐色的阻燃裝飾層覆蓋，而其余各處則用乳白色裝飾層包裹，這使得艙體內(nèi)部看起來十分清晰與整潔。涂褐色的地面是地球所在的方位，因為褐色代表土壤，可以使航天員找到“家”的感覺。這就改變了傳統(tǒng)上以單一淺色調(diào)為主的構(gòu)圖，形成一定的色彩反差，從而使身在太空的航天員有立體的視覺歸屬感。
集中布局。為了使處于失重狀態(tài)的航天員工作更為便捷，“神七”的設(shè)計者將艙內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行了分區(qū)域規(guī)劃布局，按設(shè)備的用途、性能等因素合理地放置。例如，將航天員的操控設(shè)備進(jìn)行了集中擺放。屆時，航天員將面對多個顯示器來監(jiān)控飛船的飛行狀態(tài)，包括艙壓、換熱、供氧以及調(diào)試艙外航天服時等各項數(shù)據(jù)指標(biāo)，設(shè)備操作更加直觀、簡單、便捷。方便了航天員的工作，從而提高了人機(jī)運行效率。
“軟硬”兼施。根據(jù)以往的經(jīng)驗，航天員在太空的活動對扶手的依賴程度很高，它起著保持平衡與助力的重要作用。從航天員從空間返回后的反饋得知，艙內(nèi)部分扶手的“手感”不佳，不能很好地適應(yīng)艙內(nèi)活動的需要，這引起了設(shè)計者的高度重視。與“神五”、“神六”不同的是，設(shè)計者根據(jù)實際情況，更加重視扶手的便捷性與實用性，在艙體內(nèi)外安置了數(shù)量不等、共20余個“軟”、“硬”扶手。艙體內(nèi)部則以軟扶手為主，其被安置在儀器板的側(cè)面和艙壁上，這便于航天員在艙內(nèi)自如地活動。而“硬”扶手則被安置在艙門和軌道艙腳踏板上，及艙外行走路線上，用作著力點，這給航天員出入艙體以及進(jìn)行艙外實驗提供了極大的便利。
集智攻“新”面面觀
提起“神七”在軌飛行的技術(shù)創(chuàng)新點，搞飛船總體設(shè)計的人員都能如數(shù)家珍。采訪時，飛船應(yīng)急救生系統(tǒng)主任設(shè)計師馬曉兵談到：保證氣閘艙功能，艙外航天服支持，首次三人滿載返回，相關(guān)出艙程序設(shè)計等都屬于“神七”設(shè)計上的亮點。
據(jù)神舟飛船副總設(shè)計師潘騰介紹，在“神六”成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)“神七”任務(wù)的要求，設(shè)計上進(jìn)行了多項改動，3年中進(jìn)行了各種試驗達(dá)80多項，設(shè)計改動可以概括為三大方面。
軌道艙內(nèi)添新意?！吧裎濉焙汀吧窳鄙系能壍琅搩H是航天員在太空中的生活艙，航天員的吃喝拉撒睡全在這個艙段進(jìn)行。眾所周知，在“神五”飛行時，楊利偉作為中國第一位航天員在太空停留了一天，勝利凱旋；“神六”飛行時，費俊龍和聶海勝兩人執(zhí)行了五天的飛行任務(wù)后，載譽而歸；到“神七”這次發(fā)射，是三名航天員在太空停留三至五天，并且還要出艙進(jìn)行太空行走。為此，軌道艙增添了許多新的功能，設(shè)計人員稱作的“氣閘艙”實際就是軌道艙。兩名航天員要在這個艙段換上出艙服，一人出艙進(jìn)行太空行走。所以設(shè)計人員脫口而出的“氣閘艙功能”就是為航天員出艙設(shè)計的，盡管添置這些功能后，軌道艙的空間比以前小了一些，但經(jīng)過精心設(shè)計，航天員在其中的空間活動還是可以得到最大的滿足。“氣閘艙功能”包括增添了艙內(nèi)氣壓泄除和恢復(fù)系統(tǒng)，艙內(nèi)有線和艙外無線的出艙活動通信系統(tǒng)，出艙活動操作顯示界面、照明和攝像裝置，艙外航天服接口支持系統(tǒng)等。
座椅“安全”改造。為保證“神七”發(fā)射成功和航天員安全回家，設(shè)計人員強(qiáng)化安全意識，不斷改進(jìn)思路，優(yōu)化設(shè)計。在“神五”“神六”返回艙里的座椅都采用火工品爆燃提升的設(shè)計，而在“神七”返回艙座椅的設(shè)計上一改“從前”，設(shè)計人員考慮到盡管飛船的密封性已經(jīng)萬無一失了，但是座椅下的一個壓力燃?xì)獍锏挠泻怏w萬一要是發(fā)生了泄露，后果就不堪設(shè)想。為了保證3名航天員安全回歸，最終確定了用“壓縮空氣”來取代燃?xì)?，并相?yīng)地增加了一套“氣源組件系統(tǒng)”作為動力源。座椅的提升原理沒有變化，只是工作介質(zhì)采用了安全的氣體——壓縮空氣，這意味著即便發(fā)生泄露，也不會對航天員的身體產(chǎn)生任何不利的影響。
夜發(fā)晝返好觀察?！吧衿摺绷硪粋€不同之處是發(fā)射時間進(jìn)行了調(diào)整?！吧裎濉薄吧窳倍际前l(fā)射時間都是在上午八九點，飛船返回的時間都是在凌晨。而這次“神七”的發(fā)射時間是晚上，飛船返回的時間是下午6點左右。飛船發(fā)射的首區(qū)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，飛船返回的落區(qū)在內(nèi)蒙古的四子王旗，所以首區(qū)和落區(qū)的時間被稱為“一黑一白”。
發(fā)射時間的調(diào)整，主要是考慮到航天員出艙時間是在陽照區(qū)。航天員出艙進(jìn)行太空行走的活動都會被觀測得“一清二楚”。當(dāng)飛船返回時是在白天，不僅便于對航天員的搜救，也便于飛船回收試驗隊及時對返回艙進(jìn)行快速處置。
道道“安全”護(hù)平安
“神七”發(fā)射是第三次載人航天飛行，同前兩次一樣，確保航天員生命安全是重中之重。飛船設(shè)計師們把“安全設(shè)計”視為第一準(zhǔn)則，哪怕是個細(xì)微之處，哪怕是幾經(jīng)驗證過的技術(shù)，他們還是追求萬無一失。采訪時，記者捕捉到幾個鮮活的事例。
“生死之門”。不論是航天員出艙進(jìn)行太空行走，還是返回軌道艙，關(guān)好艙門非常重要，因而飛船艙門被設(shè)計師們稱為“生死之門”。航天英雄楊利偉首次上太空時，不存在開關(guān)艙門的問題，費俊龍和聶海勝再次進(jìn)入太空，在軌道艙和返回艙中活動，僅僅需要打開一個艙門。而“神七”的任務(wù)涉及航天員出艙行走，在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要開關(guān)好兩道艙門。親身經(jīng)歷過太空飛行的航天員深有體會，開關(guān)好艙門，看似簡單，實際要完成多項步驟。毫無疑問，“神七”上的航天員開關(guān)艙門時，要完成開保險鎖、開關(guān)轉(zhuǎn)動手柄、拉開艙門、給艙門套上保護(hù)罩等一套規(guī)定動作。
飛船結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)副主任設(shè)計師游巍說：考慮到航天員身著出艙航天服，充壓后服裝體積會增大，因此把“神七”的艙門通徑變大了，由“神六”時的750毫米加大到850毫米。在沿用了“神六”艙門的工作原理和設(shè)計形式等成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了十多個項目的改進(jìn)設(shè)計，特別是在主傳動鏈設(shè)計上，只要有一個尺寸變動，整個艙門設(shè)計尺寸都要隨之變動，為此設(shè)計出了80多張圖。
艙門打得開、關(guān)得上、密封可靠成為三個非常重要的環(huán)節(jié)。太空環(huán)境又直接影響到開關(guān)艙門，特別是在真空、高低溫、失重等太空環(huán)境下，將艙門打開，并不是像地面開關(guān)門那么輕而易舉。而且艙門若不能保證密封，軌道艙內(nèi)就無法復(fù)壓，意味著2名航天員將無法脫掉艙外航天服，不能回到返回艙。
要百分之百地保證艙門打得開、關(guān)得上、密封可靠，必須在地面做真空和高低溫環(huán)境下的試驗驗證。2004年，設(shè)計人員特意研制了真空熱環(huán)境艙門開關(guān)裝置。游巍描述說：艙門專用的“真空罐”里，設(shè)置了開關(guān)艙門的機(jī)構(gòu)，像個機(jī)械手在模擬航天員的操作。設(shè)計人員為了獲得艙門在更為惡劣的太空環(huán)境中的數(shù)據(jù)，在真空環(huán)境中，還把溫度拉偏到零下45度和零上45度?？蒲腥藛T通過計算機(jī)操作，獲得了試驗驗證數(shù)據(jù)。自2005年起，對生產(chǎn)出的艙門和開關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大大小小的各種試驗達(dá)數(shù)十次。低溫環(huán)境對艙門開關(guān)影響最大，設(shè)計人員進(jìn)一步對艙門進(jìn)行可靠性試驗，在零下20度的低溫環(huán)境下打開艙門的動作反復(fù)做了數(shù)百次，獲得了可靠的數(shù)據(jù)。
氣瓶穿“衣”。“神七”發(fā)射升空后，將在341公里的高度繞軌道漫游，那么也就是在這個軌道高度，出艙的航天員要進(jìn)行30分鐘的太空行走。同時飛船還將攜帶的一顆小衛(wèi)星放飛太空，上演一部人、星、船曼舞太空的大戲。根據(jù)此次的任務(wù)要求，設(shè)計師們對飛船外觀作了不少新的改進(jìn)。取消了以往飛船上的留軌功能和附加段，還取消了飛船上的一對太陽帆板等。通俗地說，過去看到飛船上的四只翅膀，在“神七”上只有兩只了。同時增加了艙外攝像機(jī)、照明燈、艙外扶手、復(fù)壓氣瓶，還有各種閥門和管路系統(tǒng)等。
為確保釋放小衛(wèi)星時更加安全，飛船研制人員“奇思妙想”，特意為安裝在軌道艙外的5個復(fù)壓氣瓶穿上了“防護(hù)衣”。被釋放的小衛(wèi)星位于軌道艙前端，離5個復(fù)壓氣瓶近在咫尺，如果釋放小衛(wèi)星時爆炸螺栓產(chǎn)生碎片，就會像子彈一樣打到氣瓶身上，一旦氣體泄漏，后果不堪設(shè)想。為了航天員的安全，為了“神七”的萬無一失和載譽而歸，研制人員慎之又慎，把“安全”做到了極致。
該院下屬的北京空間機(jī)電研究所在上世紀(jì)90年代初，利用航天技術(shù)研制出了國內(nèi)第一件軟質(zhì)防彈衣。該所憑借過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和良好的營銷服務(wù)屢獲殊榮，“奇盾牌”系列防護(hù)產(chǎn)品就是其中的佼佼者。當(dāng)接到院里總體設(shè)計人員提出的為“神舟七號”艙外氣瓶量身訂制保護(hù)罩的任務(wù)時，研制人員既感到欣喜，又非常有壓力。
面對五個圓圓的氣瓶，選用何種材料，采用何種形式，安全性能如何保證等一系列的問題，開始在研制人員腦海里打轉(zhuǎn)。首先選擇最佳材料。盡管多年來，研制人員一直密切跟蹤世界先進(jìn)防彈材料的研制，并與多個廠家建立了長期合作關(guān)系，但“神舟七號”任務(wù)重大，為此，研制人員初步選定了五種防護(hù)材料。為更好地檢驗材料在真空環(huán)境下的技術(shù)性能，帶著這些備選的材料，研制人員專程到外地有關(guān)研究單位進(jìn)行真空可凝揮發(fā)、真空質(zhì)損等多種試驗。經(jīng)過對試驗結(jié)果的反復(fù)比對，研制人員優(yōu)中選優(yōu)，最終確定了保護(hù)罩的材料。
以前設(shè)計制作的防彈衣是給人穿的，做生物損傷試驗時也給動物穿過，但給球狀物體設(shè)計衣服還是頭一回。研制人員拿出幾套設(shè)計方案，最終瓜瓣型設(shè)計方案獲得大家一致認(rèn)可。為了保證防護(hù)衣與氣瓶配合“默契”，研制人員從打樣、修改到試穿，反反復(fù)復(fù)，不厭其煩。樣衣做出來了，安全性能格外引人關(guān)注，為此，研制人員多次進(jìn)行實彈打靶，現(xiàn)場分析，獲得了可靠數(shù)據(jù)。
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