张崇峰:让中国航天完美呈现“万里穿针”
转自:中国科学报
空间交会对接技术是一个国家航天技术实力的集中体现,空间交会对接也被形象地称为“万里穿针”。
为此,我国载人飞船副总设计师、空间实验室副总设计师张崇峰和团队一起为中国的对接机构提出了跨越式的发展策略,即研发与国际空间站兼容的周边式对接机构,突破了被动自适应碰撞捕获、大冲量耗散、并联机构位姿调整等技术,解决了大偏差高可靠捕获、大惯量高效率缓冲的难题。
他和团队发明的对接机构成功应用在神舟八号与天宫一号的首次对接,使我国成为当时世界上除俄罗斯之外,第二个具备对接机构研制能力的国家。
2022年我国将正式完成中国空间站的在轨建造,约百吨重的组合体靠火箭一次发射是上不了太空的,于是,航天人将一个个航天器陆续发射上去,在太空“搭积木”。这个建造过程,离不开关键部件——对接机构。
研制独特的对接机构
作为上海航天技术研究院科技委常委、中国航天科技集团有限公司空间结构与机构技术实验室主任,张崇峰的航天梦从1993年启航。那年,毕业不久还在哈尔滨工业大学做讲师的张崇峰得到了去俄罗斯进修的机会,开始接触对接机构。
当时,只有俄罗斯和美国掌握了空间交会对接技术,而能够独立研制对接机构的只有俄罗斯。要向俄方购买,却是一个天文数字,仅设计专利费就高达一亿美元。那时,张崇峰心里就埋下了一个种子:“一定要研制属于中国人自己的对接机构。”
1996年,张崇峰受邀加入中国航天科技集团上海航天技术研究院,成为对接机构研究团队的技术负责人。
对标国际先进,张崇峰研制团队一开始便提出了跨越式发展的思路,研制能与国际空间站相匹配的异体同构周边式对接机构。这种对接机构适应性强、承载能力大,便于航天员在不同飞行器之间自如进出,但与之相应的是重量大、对接初始条件要求严格、构造复杂。
为此,张崇峰作为技术负责人,提出了系统参数设计优化模型,解决了系统方案、动力学建模等关键问题。在极其缺乏参考资料的情况下,完成了对接机构关键技术攻关,研制出了空间对接机构正样产品。
在此过程中,张崇峰带领团队,研制出了世界上首个十自由度气浮式对接缓冲试验台、六自由度对接综合试验台、热真空对接试验台和对接机构整机特性测试台等国际一流的大型地面试验设备。一位俄罗斯专家在参观时,羡慕地对张崇峰说:有了这些设备,你们的对接机构一定能成功。
2011年11月3日凌晨,当坐在北京飞控中心大屏幕前,亲眼目睹天宫一号与神舟八号首次交会对接取得圆满成功时,张崇峰长期紧绷着的神经一瞬间得到了放松。中国自此成为世界上第三个独立掌握空间交会对接技术的国家。
16年攻关成就“太空一吻”
太空一吻,见证的是16年的风雨兼程和执着坚守,也见证了张崇峰从初出茅庐成长为中青年技术领军人才的历程。长期高负荷的压力和脑力劳动,使张崇峰患上了严重的头痛病。
交会对接让张崇峰圆梦,但在他心里,还有更大的梦想—中国航天人还要建设自己的空间站。2013年,张崇峰担任“神舟”系列载人飞船、“天宫”空间实验室副总设计师,全面负责上海航天所承担的载人航天领域技术工作,主持包括电源系统、对接系统、推进舱和测控分系统单机研制。2021年4月29日,长征五号B运载火箭成功将我国空间站天和核心舱精准送入预定轨道,我国正式拉开了空间站建造的大幕。
我国空间站的设计寿命要求不小于10年,对核心舱上的5个被动对接口来说,要如此长时间地暴露在太空环境中,承受88000次超过200摄氏度范围的高低温循环、低轨空间原子氧的剥蚀、多频次的对接与分离后仍确保可靠,是一个全新的艰难考验。
“通常来说,对接机构的设计寿命为3年,而这五个被动对接口足以算得上长寿命了。”为此,张崇峰带领团队全面系统地为它们做了“深度体检”,分析出5项影响它们健康的寿命敏感要素,并为它们量身定制了“延寿保险”,包含了可能发生的故障预案共79项,并针对每个可能发生的故障都制定了详细处置措施,确保它们在轨期间的健康稳定工作。
“最终一刻的惊喜一定会到来”
从2011年至今,11年里,在张崇峰和团队的有力保障下,我国共成功实施21次精准可靠对接,经历了从无人到有人、从自动到手控、从几天到6.5小时、从轴向对接到径向对接的创新突破。目前,张崇峰和团队负责的对接机构已随“神舟”飞船、“天宫”空间实验室、“天舟”货运飞船、“天和”核心舱升空,正服务于中国空间站建设,为载人航天工程贡献着力量。
按照后续空间站建造及运营规划,张崇峰带领的对接机构团队每年都要至少保证5套对接机构的生产交付,才能跟得上空间站工程高密度发射的步伐。每一次“太空之吻”的完美亮相,都有他和团队在背后的默默付出。
张崇峰说,中国航天经历了从跟跑到并跑的发展阶段,当下,有些领域已从并跑进入领跑阶段。
“现在是中国航天走到了要自己把新的路走出来的时刻。”27年坚守在中国航天一线的张崇峰自信地表示,“最终一刻的惊喜一定会到来。”