“神六”與計量趣話

中國計量科學(xué)研究院  盧敬叁

    從“東方紅”到“神一”再到“神六”，中華兒女期待了很久、很久。那是幾代人的夢想啊!2005年10月12日9時整，大漠震顫，烈焰升騰，巨龍噴射出耀眼的火光，“神舟”六號載人飛船在火箭的推動下直沖藍天，全世界的目光一齊仰望追蹤。中華兒女為之振奮而自豪。
    那么，在火箭與飛船發(fā)射中，計量是怎樣發(fā)揮作用的，又含有什么有趣的知識？本文就此說幾件有意思的計量事例吧。
    

一、速度關(guān)系到發(fā)射的成敗

    在我國的航天事業(yè)中，在火箭、衛(wèi)星、飛船的制造中，在發(fā)射、運行、返回的每個重要環(huán)節(jié)中，計量科學(xué)技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用。比如，在火箭點火的那一瞬間，是火箭發(fā)射成功與否最關(guān)鍵的一瞬?；鸺谶\行時，時間、速度、角度、溫度、通信等計量數(shù)據(jù)必須精確，否則自動控制就無法進行。衛(wèi)星進入軌道的過程中，要使衛(wèi)星能圍繞地球運轉(zhuǎn)，衛(wèi)星運行的速度必須達到每秒7.9公里；要擺脫地球的引力，其速度必須達到每秒11.2公里；要使航天器脫離太陽系，其速度必須達到16.7公里。那么我國“神六”的速度是多少呢？當(dāng)然要符合上述速度計量標(biāo)準(zhǔn)，每秒達到7.820185公里，時速是2.8萬公里，90分鐘繞地球一圈，共77圈，共飛行115小時32分鐘，行程約325萬公里。在科學(xué)實驗中，飛機和“神六”的速度相比，超音速飛機實驗時的最高時速約為1.12萬公里，實驗性汽車的最高時速約為696公里?？梢娫诤教炜萍贾校俣扔嬃康臏?zhǔn)確與否是非常關(guān)鍵的。
    

二、42.4度角使飛船安全升空與著陸

    42.4度角是我國“神六”飛船升空與返回地面的角度，這個角度是設(shè)計的，還是一種巧合呢？事實是這樣的，神舟六號飛船上升段飛行時間為583.828秒，把飛船送入橢圓軌道，前角是42.4度，可飛船返回著陸場也是位于42.4度，飛船在飛行時每次經(jīng)過42.4度角時，也就是能通過著陸點一次，每天至少一次能有返回的機會。如果對著陸場要求不高的話，大約每天有兩三次返回的機會。航天員返回還要具備一個條件，那就是圓形軌道。
    飛船入軌軌道近地點是200公里，遠地點是347公里。第5圈時變?yōu)閳A軌道，變軌距地面343公里。這是因為第1圈至第5圈由于受大氣阻力影響，每圈降低1公里，因此飛船遠地點高度347公里降為343公里。這樣在重力場一樣的情況下，一方面有利于科學(xué)實驗，而且有利于航天員緊急救生，如果飛船座艙出現(xiàn)意外，隨時啟動返回地面。這說明飛船升空和返回的角度是在設(shè)計之中的。飛船有一套自動測試系統(tǒng)，什么時候制動，什么時候軌道艙和返回艙分離，包括調(diào)姿的角度，落點準(zhǔn)確度，返回打開傘后的風(fēng)大風(fēng)小偏離距離的修正都在設(shè)計之中。
    

三、雙馬屁股為標(biāo)準(zhǔn)的沿革

    古羅馬人使用兩匹馬拉車，車輪在石板路上磨出兩道溝。由于車輪寬窄不一樣，路上留下了不同寬窄的溝。這樣路面就出現(xiàn)了高低不平的情況。后來，他們想把輪距統(tǒng)一起來，解決路面不平的問題，于是，就把兩匹馬并排，兩匹馬的屁股寬度當(dāng)成標(biāo)準(zhǔn)，寬度為1.435米，后來英國人修鐵路把鐵軌軌距定為1.435米，這個標(biāo)準(zhǔn)被各國所沿用，按照這個軌距修鐵路，這樣能夠使運輸?shù)呢浳镒顚挒?.72米，去掉車廂外殼，只剩下3.35米。因此，用標(biāo)準(zhǔn)鐵路進行運輸?shù)幕鸺畲笾睆街荒苓_到3.35米。為了方便運輸，所以火箭芯級設(shè)計為3.35米。當(dāng)然“神六”也不例外了。
    

四、志在九天上，細在毫微間

    神舟六號飛船有五大“器官”:“眼睛”可直播航天員的活動；“口耳”可讓航天員與地面聯(lián)系；“手臂”遙控飛船姿態(tài)；“神經(jīng)”為飛船傳遞指令信息。而這些功能的實現(xiàn)都離不開計量科學(xué)技術(shù)的保障。載人航天是一個浩大的工程，更是一個極其精細的工程。在飛船研制過程中，條條框框繁多，手續(xù)多如牛毛。只有這樣才能保證飛船沒有缺陷，成為高可靠的精品。就說零部件生產(chǎn)加工吧，每一個零部件的尺寸都要進行非常精細的控制，不允許有超差，一旦出現(xiàn)超差就是廢品。對于每一個設(shè)備產(chǎn)品出廠裝船合蓋前，要經(jīng)過無數(shù)道關(guān)的檢驗、拍照，看其狀態(tài)是否合格。對電子設(shè)備要嚴(yán)格檢查雙點引線的狀況，必須要測出兩點都是獨立的，測了后要有嚴(yán)格記錄，因為一旦合蓋后，兩個點引線是沒法再測的。對于火工產(chǎn)品和機械設(shè)備，都要進行X光和CT等無損探傷檢測，并保留照片，確保合格，而且這些工作都要歸檔保存。
    飛船中的每一臺設(shè)備都是和其他設(shè)備配合工作的，科技人員為每一臺設(shè)備的周圍都設(shè)計了專用的被稱之為“地檢”設(shè)備的裝置，對模擬設(shè)備裝船以后進行環(huán)境試驗，在單機生產(chǎn)完成后，再用“地檢”設(shè)備進行性能模擬測試。檢測之后交付給分系統(tǒng)。分系統(tǒng)再進行復(fù)測，檢測后交整船，再進行測試，神舟六號飛船有600多臺設(shè)備、十幾萬個元器件、數(shù)百萬個焊點，都必須保證100%的合格。在神舟飛船的研制過程中，就是通過這樣大量的試驗、檢測、驗證，使每一個產(chǎn)品、設(shè)備都能保證過硬的質(zhì)量，最終保證航天任務(wù)的圓滿完成。
    

五、準(zhǔn)確計量確保航天員的安全

    飛船在降落時，以每秒數(shù)千米的速度進入大氣層，在大氣阻力的作用下，速度會迅速下降。距地球15公里左右的高度時，飛船速度將穩(wěn)定在每秒200米左右。如果飛船以這樣的速度沖向地面，返回艙里的航天員就如同從100層高樓上飛身直下，其后果不堪設(shè)想。這時就要依靠降落傘把速度降下來。當(dāng)下降到10公里高度時，返回艙可自動打開傘艙蓋，帶出引導(dǎo)傘，引導(dǎo)傘再拉出減速傘，減速傘工作16秒時，與返回艙分離，同時拉出主傘，主傘使返回艙下降速度減至每秒8米至10米。飛船即使在每秒8米的速度時著陸，沖擊力也可能將航天員的脊柱震斷。這時，飛船在即將著陸的一瞬間，也就是距地面1米時，4臺反推火箭點火工作，使返回艙速度減至每秒2米以內(nèi)，使航天員安全著陸?？梢?，計量的準(zhǔn)確保證了航天員生命的安全。
    

六、用秒來控制飛船

    10月12日，在經(jīng)歷了583秒的激情飛行后，“神六”飛船進入預(yù)定軌道，開始了5天的太空之旅?？梢姇r間計量583秒對飛船能否飛天成功至關(guān)重要。下面的程序可以說明秒的精確計量，確保了飛船成功飛翔的事實。9時0分0秒“點火”；9時02分時，火箭實施第一個分離動作，拋掉了頂部身高8米，狀如避雷針的逃逸塔；9時02分16秒火前助推器分離；9時02分39秒時一、二級火箭分離；9時03分20秒整流罩上的32把鎖同時開啟，兩瓣罩體落入空中，露出飛船；9時09分43秒，船箭成功分離，神舟飛船以每秒7.5公里的速度在我國黃海上空200公里高空進入預(yù)定軌道。9時39分“神舟”六號飛船發(fā)射成功。9時55分，天地通話；11時05分航天員進餐；15時54分45秒，飛船變軌開始，變軌發(fā)動機工作了63秒；17時29分航天員打開返回艙與軌道艙之間艙門，進入軌道艙開展科學(xué)實驗。在距地面343公里太空中的這個小小動作，標(biāo)志著我國載人航天飛行由“神舟”五號的驗證性飛行試驗完全過渡到真正意義上有人參與的空間飛行試驗。21時30分南太平洋的遠望三號測量船對飛船第一次測控取得成功，天地通話7分鐘。
    

七、從7800米/秒到1米/秒

    飛船返回降落的過程，就是速度不斷下降的過程。在48分鐘時間內(nèi)，“神六”飛船經(jīng)歷了從7800米/秒至1米/秒的生死時速。從343公里高空的圓形軌道上，速度大約在每秒7800米，在接到地面返回指令后，飛船在空中完成姿態(tài)調(diào)整，將軌道艙與返回艙、推進艙分離。制動發(fā)動機工作使飛船下降，脫離原軌道，自由下滑。大約距地面100公里高度時，推進艙與返回艙分離后進入稠密大氣層。以每秒數(shù)千米的速度進入大氣層，與大氣層摩擦產(chǎn)生1800攝氏度高溫，出現(xiàn)黑障現(xiàn)象，下降至40公里時，黑障現(xiàn)象結(jié)束，距15公里高度時，飛船的速度由超音速下降到亞音速，并穩(wěn)定在每秒200米左右。距地面大約10公里時，引導(dǎo)傘、減速傘打開，速度下降到每秒80米左右，然后減到每秒8米、每秒2米再到每秒1米，最終安全著陸。時間、溫度、長度、速度計量得到了精確應(yīng)用。
    

八、計量擋住太空輻射

    航天員對太空輻射要保持警惕。太空中的“隱形殺手”來自6個方面，航天輻射、乘員艙化學(xué)污染、溫度聚變、航天噪聲、航天振動和沖擊、超重及失重。太空中的輻射環(huán)境包括電磁輻射和電離輻射。一般來說，電磁輻射，包括無線電波、微波、紅外、可見光、紫外線等，但貫穿物體的能力弱一些，對人體的傷害較小。電離輻射可直接或間接地使物質(zhì)電離或激發(fā)，貫穿物質(zhì)的能力較強，能使物體材料及生物細胞受到損害，對載人航天有較大的影響。為了保證航天員的安全，中國計量科學(xué)研究院為我國航天載人飛船的空間輻射測試儀器和X射線無損探傷設(shè)備進行檢定校準(zhǔn)，確保了飛船空間輻射測試儀器的準(zhǔn)確可靠。計量院根據(jù)衛(wèi)星搭載的熱釋光探測器及其他相關(guān)方法的測量結(jié)果，得到來自銀河系宇宙輻射和太陽質(zhì)子，高能帶電粒子輻射，其輻射強度隨飛行時間和飛行區(qū)域軌道而變化。強大的宇宙空間輻射將對飛船中航天員的身心健康帶來傷害。根據(jù)搭載的熱釋光探測器及其他相關(guān)方法的測量結(jié)果，為我國航天飛船的設(shè)計，建立宇宙空間電離輻射系統(tǒng)，以及航天飛船艙內(nèi)外及航天員個人在飛行過程的輻射水平進行計量研究，提供可靠科學(xué)依據(jù)?！吧窳倍硕嗵燧d人飛船發(fā)射成功，航天飛船艙內(nèi)及航天員個人在飛行過程中佩帶的所有熱釋光探測器，都經(jīng)過計量院對刻度進行檢定。從而保證了航天飛船艙內(nèi)外及航天員個人在飛行過程中的輻射安全，獲取空間輻射科學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。中國計量科學(xué)研究院還對衛(wèi)星制造廠送檢的X射線探傷儀進行檢定、校準(zhǔn)，X射線探傷儀在衛(wèi)星制造過程中用于檢查衛(wèi)星星體焊接部分，數(shù)百萬個焊點是否有縫隙，以確保衛(wèi)星整體的堅固，這也是衛(wèi)星制造過程中重要的環(huán)節(jié)。
    

九、測天測地測飛船

    測控通信的確是個抽象的概念。沒有發(fā)射場的壯觀場面，看不見、摸不著、聞不到。測控任務(wù)主要是跟蹤和獲取航天器的各種信息，進行計算處理和分析，對航天器進行控制和管理。測控可分為兩部分，即外測和內(nèi)測。外測主要是對航天器在空間的位置進行測量。具體說就是測航天器當(dāng)前時刻在什么位置、運行軌跡等。內(nèi)測又稱遙測，主要是測量飛船內(nèi)部各種船載設(shè)備、儀器的狀態(tài)，監(jiān)測航天員的生理狀況，以什么姿態(tài)在運行等。
    為了提高軌道準(zhǔn)確度，我國創(chuàng)建了一套航天測控軌道的計量方法，準(zhǔn)確度可以控制在米量級。使我國航天器返回艙著陸準(zhǔn)確度由10公里提高到1公里以內(nèi)。采用改進了的衛(wèi)星定姿模型，使我國衛(wèi)星姿態(tài)控制精確到0.1度，達到國際領(lǐng)先水平。對飛船著陸前5到7天內(nèi)的淺層風(fēng)力作出準(zhǔn)確預(yù)報，可以預(yù)測飛船著陸時離地面300米以下的氣象條件，預(yù)報準(zhǔn)確率達到85%以上，這在國內(nèi)還是第一次，在國外也是罕見的。
    

十、航天技術(shù)使人類放眼宇宙

    我國是一個能源短缺的國家，近年來，生活中的幕幕景象提醒人們，能源日益緊張，人類的搖籃地球正在資源、環(huán)境等問題的困擾下呻吟!怎么辦？人類立足地球，放眼長天?？茖W(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)對航天能力的依賴，可以和世紀(jì)對電力和石油的依賴相比。人類向宇宙廣度和深度進軍，是歷史發(fā)展的必然進程。