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            空间站上天前 经历了他的微低重力“模拟考”

            科技日报 2021-06-21 作者:陈 曦

             

              侯玮杰在实验室 受访者供图

              编者按 有这么一群科研人员,他们年龄不大,却已身经百战、挑起大梁,在神舟五号、北斗导航等国家重大科技项目中贡献着自己的智慧与汗水。在一次次艰难险重面前,胸佩党徽的他们,发扬红色传统,冲锋在前、勇担重任,以实际行动彰显了青年一代党员的本色。从今日起,本报推出“红色力量”专栏,讲述这些青年科技工作者的奋斗故事与光辉事迹。

              一项航天任务的完成可能需要上万名航天人的共同努力,我们做的是把好航天器飞入太空前的最后一道关:以最直观的方式实测在太空微低重力环境中航天器的各项性能,在地球上给它进行微低重力“模拟考”。

              侯玮杰 中国航天科技集团公司五院518所试验与测试技术研究室副主任

              6月17日,神舟十二号载人飞船成功把3名航天员送到空间站天和核心舱,未来3个月,空间站将成为他们工作生活的大本营。

              对于未来空间站的表现,中国航天科技集团公司五院518所试验与测试技术研究室副主任侯玮杰信心满满。因为在进入太空前,这些航天器早已在实验室里进行了上百次的实物仿真实验。

              除了该项目,从业6年来,32岁的侯玮杰还组织实施了多个型号航天器任务仿真试验系统的研发工作,先后圆满完成了嫦娥五号环月轨道交会对接、空间站、巡天光学舱等多个型号任务的地面全物理仿真试验。

              “一项航天任务的完成可能需要上万名航天人的共同努力,我们做的是把好航天器飞入太空前的最后一道关:以最直观的方式实测在太空微低重力环境中航天器的各项性能,在地球上给它进行微低重力‘模拟考’。”侯玮杰感慨道,中国航天事业承载了太多的希望,凝聚了几代航天人的心血,任何环节都不容闪失。

              祖国的需要就是我的专业

              侯玮杰的太空梦始于2003年,那年我国航天员杨利伟乘坐神舟五号飞船进入太空。

              “杨利伟是我们这一代航天人的偶像,很多同龄人都是受他影响走上航天路的。”侯玮杰回忆道,从那时起,探索宇宙的奥秘成了他最大的业余爱好。

              侯玮杰在实现梦想的道路上一步一个脚印,走得十分扎实。他本科学的是机械工程、研究生阶段选择了北京理工大学固体火箭发动机专业,在校期间他就参与了多个型号任务的研究工作,还光荣地加入了中国共产党。

              2015年,侯玮杰终于正式成为一名航天人,进入中国航天科技集团公司五院518所工作,开始从事航天器微低重力模拟与仿真技术研究工作。

              “航天器微低重力模拟与仿真技术研究”涉及结构力学、流体力学等多个专业,与侯玮杰所学的火箭发动机专业截然不同。补齐专业短板,成为入职初期侯玮杰的主要任务。

              对于没能从事与自己专业对口的工作,侯玮杰也从没感到遗憾。“我很喜欢物理学家钱伟长说的一句话:‘我没有专业,祖国的需要就是我的专业。’”他说。

              为了能快速掌握岗位所需知识,侯玮杰查阅了20世纪60年代以来能找到的各类中外文献。“大概有2000多个文件,加起来有十几个G。”侯玮杰回忆道,那时候白天进行试验,只能利用晚上的下班时间进行学习。

              为了能早些适应工作,侯玮杰必须要加快学习速度,为此他发明了一套关键字阅读法。不过,很快他就发现,不能读得太快,因为文献中埋了不少“雷”。“读文献时,我发现其中很多数据是错的,极易把研究引入相反的方向。”他回忆道。

              最终,用了一年半的时间,侯玮杰系统掌握了这一研究领域的理论知识。

              从0到1打造新理论体系

              2018年,侯玮杰接到了为嫦娥五号进行微低重力仿真试验的任务。

              “航天器在被送入太空前,都要进行仿真试验。通常要先经过建模,在电脑上进行‘数字模拟’。‘数字模拟’无误后,我们再制作出与航天器1:1比例的实物模型,将其置于模拟太空的微低重力环境中,进行实物仿真试验。”侯玮杰介绍,该仿真试验非常重要,因为太空情况非常复杂,仅依靠“数字模拟”是不够的,仍可能会出现意想不到的状况。可以说,实物仿真实验是航天器进入太空前要通过的最后一道关口。

              侯玮杰指着试验平台上的一个庞然大物说,这个“大家伙”就是嫦娥五号的轨道器和返回器的组合体模型,为了模拟太空微低重力状态,就需要用气浮轴承把它们托起“悬空”。

              侯玮杰口中的气浮轴承就是一个个直径约20厘米的圆形托盘,当给气浮轴承通上气,气浮轴承底面与地面之间就会产生一层具有刚性的气膜,能将庞大的航天器稳稳托起,而且几乎没有摩擦力。

              仿真试验开始后,困难随之而来,航天器在试验中出现了剧烈抖动。“航天器不稳会严重影响试验数据。通过排查,我们发现问题出在气浮轴承上。”侯玮杰回忆道,以往进行微低重力仿真实验的航天器只有几百公斤重,但是嫦娥五号的航天器足足有3吨重。“这样的超负荷运转,让气浮轴承‘压力山大’,载荷难以承受如此之重。”

              为了解决这个难题,侯玮杰团队设想,能否通过加上一个减震器以解决抖动的问题。可是,团队按此思路做试验发现,加上了减震器的航天器依旧不稳定,抖动还是时有发生。此时,团队意识到,这种解决办法治标不治本,如果以后再遇到“块头”更大的航天器还是会出现该问题。

              于是,侯玮杰和团队成员下定决心要制作出性能更加优良、载荷更大的重载气浮轴承。

              “航天领域的研究之所以艰难,是因为需要从业者不停地创新,而且很多创新都是从0到1的原始创新,没有任何经验可以借鉴。”侯玮杰感慨道,气浮轴承距地距离只有0.015毫米,还不到一根头发丝的粗细。在如此细微方寸之间做文章,困难可想而知,而且之前团队使用的气浮轴承技术基本都是来自国外。

              “看似简单的气浮轴承,涉及流体力学、结构力学等多学科的复杂理论知识。此外,如果要搞创新,就要从基础理论开始把这套体系弄明白,把基础打牢。”侯玮杰回忆道,当时很多老科研人员都对此不理解,觉得他们不可能重新研究出一套新的理论体系。不过,好在单位领导给予支持,新气浮轴承的研发与试验同步展开了。

              通过与湖南大学、天津大学等高校合作,经过十几个月的昼夜奋战,新的气浮轴承终于从理论变成实物,最终成功实现了工程应用。

              侯玮杰让记者把手放在新旧两个气浮轴承表面,感受气流的变化,很明显新一代的气浮轴承气流更有力。“你如果仔细看,就可以看到它表面上细小的孔,这对制作工艺要求极高。”他说。

              成品做出来只是第一步,用新轴承进行试验时,侯玮杰又发现了新问题:航天器时抖时不抖。“当时,我最担心的就是前期基础理论出错,因为这将是对我们研究的全盘否定。不过,后期通过各种验证,我们坚信理论没有问题。”他说。

              最终通过一项项的排查,原来是制作工艺出了问题。通过改进工艺,新的重载气浮轴承终于通过了考验。

              边做实验边“撸”上百次“铁”

              最近,侯玮杰正带领团队成员完成包括天和核心舱在内的空间站项目实验。

              “我们承担了空间站角动量管理气浮式全物理仿真试验系统、空间站光学舱超大型单轴气浮试验系统、空间机械臂零重力模拟试验系统等多个试验项目。”侯玮杰介绍,这3个实验各有各的难度。第一个实验针对天和核心舱,这也是空间站最重要的组成部分。在微低重力的环境下,新的重载气浮轴承发挥了重要作用,让这个重量相当于20多吨重型卡车的航天器能很好地控制自己的姿态,而且没有产生任何抖动。

              在太空中,光学舱需要保持超高的姿态稳定和控制精度。“光学舱在太空中偏离极小的角度,就可能是谬以千里了。只有保持绝对的平稳,才能保证拍摄到清晰的画面。”侯玮杰说。

              为了保证按时完成实验任务,侯玮杰和团队成员每天大部分时间都“泡”在实验室,他笑称,来我们实验室工作可以省去健身的时间。“我们的实验室有1200平方米,每天做试验来回走几趟,轻轻松松步数过3万。此外,我们每天的工作和‘撸铁’没有两样。”侯玮杰指着实验室边上放着的各种大铁块说,这些是实验用天平的砝码,团队成员每天要搬几十次、甚至上百次,因此大家从来没有发胖的烦恼。

              下半年,侯玮杰和团队将投入到嫦娥七号的项目中。

              “这次任务是开展月球极区环境与资源勘查。”侯玮杰说,“虽然这又是一条无人走过的路,但我们会勇往直前、永不停歇。”

            责任编辑:王超

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