太空出差 | 发射回收搜索定位、航天冰箱、三维实时可视技术—— 青岛力量保障“吃与行”

半岛全媒体记者　王丽平

“神舟”问天又出征。10月16日0时23分,长征二号F遥十三运载火箭在酒泉点火升空,搭载神舟十三号飞船如利剑般刺破苍穹飞向太空,在中国航天史上留下浓墨重彩的一笔,这凝聚了无数航天人的拼搏与梦想,其中就有来自青岛的科研力量,他们就是中国电子科技集团公司第二十二研究所(下称“中国电科22所”)。

上世纪90年代初,国家载人航天工程启动,中国电科22所921团队随之成立。30年来,921团队始终坚守“为航天器着陆回收提供科技支撑”的初心和使命,圆满完成神舟一号到神舟十二号载人航天发射保障任务,10月16日再次完成神舟十三号载人航天发射保障任务。

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凌晨气温0℃

返回时唱主角

10月16日0时23分,长征二号F遥十三运载火箭搭载神舟十三号飞船,在酒泉卫星发射中心成功发射。

“看着神舟十三号顺利发射,我们的心情无比激动。”10月16日凌晨,中国电科22所高级工程师、22所载人航天工程任务团队负责人宋磊,第一时间向半岛全媒体记者分享了他的心情。虽然已经多次参与神舟飞船发射保障任务,神舟十三号飞船发射成功后,宋磊依然激动不已。

正值10月中旬,大漠戈壁凌晨气温已经在0℃左右,宋磊和团队成员从10月15日一大早,就一直守候在酒泉卫星发射中心东风基地回收待命区,进行着一系列前期准备工作,整个过程他们精神高度集中、严阵以待。

宋磊介绍,此次神舟十三号飞船发射中,中国电科22所承担的任务主要分为两个阶段。

第一个阶段就是发射阶段,飞船在上升段至准确入轨期间,一旦发生应急返回,布设于海上、陆上应急着陆区的搜索定向设备和人员,会在第一时间发现返回舱营救航天员。宋磊说,在此阶段希望他们的装备“备而不用,但必须常备不懈”,“因为这是确保航天员安全健康返回的最强保障”。

第二个阶段是六个月后,神舟十三号航天员完成所有在轨任务正常返回时,在东风主着陆场,中国电科22所研制的搜索定向装备就要唱主角,它们是名副其实的“千里眼”,能够在全天候、全天时条件下,快速捕获着陆返回舱,引导空中、地面力量迅速抵达着陆点进行处置。

“与此同时,我们还要随时应对航天员在轨运行时随时返回。”宋磊介绍道。

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保障“连轴转”

假期守在战位

“今年是我国载人空间站建设元年,也是迄今为止22所承担载人航天工程任务最重的一年。”宋磊告诉记者,这种高频次的载人航天发射与回收任务,对参与的技术人员也是挑战和考验。

“9月17日,神舟十二号飞船返回,之后团队经过短短几天休整,就立马进入到神舟十三号飞船发射任务中。”宋磊说,“在执行神舟十二号飞船返回任务时,我们已经知道10月中旬要进行神舟十三号飞船发射,大家的心情可以说是既紧张又兴奋,航天任务多是对我们团队的考验,同时,航天任务多也是我们国家航天事业快速发展的体现。”

神舟十二号飞船返回任务之后不久,宋磊和团队就开始为神舟十三号飞船发射作准备,进行设备调试、维护,经常到野外、海上等搜救区域进行演练,“团队的许多成员,都是在战位上过的国庆假期。”

宋磊告诉记者,为保障搜救设备的性能,在发射前的几天时间里,团队成员会对每一台参试设备进行巡视检查,不放过每一个细节,仔细检查测试设备各项指标,保证设备能够在任务期间正常工作。

“中电科22所此次的参试装备数量、新研装备数量、保障点位数量均达到历史极值,并派出12人的保障团队,分布在各个搜救点,全天待命。”宋磊说,为确保任务顺利完成,中国电科22所应急保障演练工作早已提前完成,并拥有一套严格完备的应急方案预案,为航天员顺利着陆提供坚强保障。

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三位一体搜救

被誉为“眼睛”

宋磊所在的921团队,是中国电科22所一个有着辉煌成就和光荣历史的团队。上世纪90年代初,国家载人航天工程启动,这个团队随之成立,自成立起便以工程代号“921”命名。

30年来,921团队始终坚守“为航天器着陆回收提供科技支撑”的初心和使命,几代人接续奋斗,创造我国航天器着陆回收史上多个第一:第一台“车载定向仪”、第一台“船载定向仪”、第一台“机载定向仪”。

伴随着一代代航天人的不断付出,中国电科22所在“为航天器着陆回收提供科技支撑”这一领域不断完成技术突破,先后研制出“天地通”短波通信系统,船载短波/超短波定向仪、机载定向仪、机载指挥平台和模拟双频信标机等返回搜救设备,形成海陆空三位一体搜救手段,被誉为搜救飞船的“眼睛”,为载人航天工程作出重要贡献。

宋磊告诉记者,在去酒泉卫星发射中心的路上,他给921团队第一代负责人打去电话,老人家已经80多岁仍然心系国家航天事业,有颇多关心和嘱托。从老一代航天人手中接过这项光荣而艰巨的任务,宋磊和团队成员深感责任重大。“所以,我们要把这项事业继续发扬光大,将载人航天精神继续发扬光大,为我们的航天梦作出自己的贡献。”宋磊说。

目前,921团队共有20人,年龄最小的23岁,年龄最大的47岁,团队比较年轻化。目前,已经建立起一张近、中、远程搭配,海、陆、空协同的立体化搜索定向网络,确保航天员安全健康返回,走出一条具有我国自主特色的航天器着陆回收技术创新发展之路。

讲述

担心船载设备状态60多岁总师爬上20米桅杆

一代人有一代人的梦想,一代人有一代人的担当。”宋磊说,伴随着国家载人航天工程三步走的战略征程,中国电科22所921团队在30年逐梦的征程上,留下了一个个光辉的身影,其中有耄耋之年仍然矢志不渝的老科学家,有荣誉等身依旧坚守一线的领军人物,也有锐意进取不断成长的青年专家,更有矢志航天的年轻一代。

作为中国电科22所载人航天工程任务团队负责人,他一步步从一个毛头小子,成长为现在独当一面的负责人,“在921团队每个人身上,最鲜明的色彩是传承,是航天精神的传承,也是航天使命的传承。”

提起“921”会让别人赞慕

“作为921团队的一员,我深感荣幸。”宋磊伴随着我国载人航天事业发展,也在不断成长进步。宋磊1980年出生,2007年从院校毕业后,就来到中国电科22所,今年是入职第十五个年头。

至今,宋磊还清晰记得办入职手续时的情景,工作人员问他所入职的部门时,都会不由地说一声“噢,是921的”,而且会不自觉地流露出些许赞慕。

当时宋磊有点纳闷,后来他才慢慢明白,921是载人航天工程代号,在22所921也是烙在团队每名成员身上最鲜明的符号,这是一支有着辉煌成就和光荣历史的队伍。

就这样,宋磊的职业生涯就从921团队开始,从此便与载人航天结下了不解之缘。

到现在,宋磊还清晰记得第一次正式执行任务的情形。

那是2008年7月份,在神舟七号发射任务之前,根据任务总体安排,需要在海上应急溅落区部署返回舱搜索救援力量,确保一旦启动海上应急着陆程序,可以在第一时间发现返回舱营救航天员。为此,中电科22所研制了船载定向仪,实现对海上着陆返回舱快速跟踪定位。

说起船载定向仪,宋磊说它可是明星装备,之前总是听老同志们讲述它的传奇,它开创了我国海上搜救定向装备的先河,圆满完成了历次神舟飞行海上保障任务,受到多位总部首长的高度赞扬。

当年7月的上海外高桥救助局码头骄阳似火,宋磊和团队在此进行船载定向仪设备加复装。这其中发生的一件事让宋磊很受触动,有一天中午太阳非常厉害,大家都在驾驶舱短暂休息,突然门外有人指着桅杆喊了一声“看,戴总!”。

宋磊和同事不约而同地奔出舱外,看见中国电科22所载人航天工程任务第一任总师戴陆村研究员,不顾烈日亲自爬到了20多米高桅杆顶端,“他当时可是已经60多岁的老人了,他说担心下午会有雷雨,要亲自确认天线状态后才能放心。”

从第一任总师身上,宋磊真切体会到了老一代科技工作者的严谨、忠诚和奉献,自己在内心也埋下了吃苦奉献、勇攀高峰的种子。

放弃节假日通宵达旦攻坚

经过多年载人航天任务的磨练,宋磊也成长为一名真正的921人。

2015年,宋磊担任新型船载定向仪研制的副总设计师,后来升为总设计师,主持设备研发。经过两年的刻苦攻关,宋磊和团队研制出的新装备实现小型化、环境适应性强、抗电磁干扰能力强,2017年经鉴定部分关键指标达到国际先进水平,当年获航海学会科技进步一等奖。

现在回想起新型船载定向仪的研制历程,宋磊说那就是两个字“艰苦”,这期间他几乎放弃了所有节假日,为解决关键技术问题通宵达旦都是家常便饭,对家庭、对当时刚刚出生的孩子他一直心存愧疚。

神舟十一号任务之后,国家载人航天工程进入空间站阶段,宋磊在着陆场系统也摸爬滚打了10余年,从当年的毛头小伙子成长为系统总师,并担任22所921团队负责人。之后,宋磊带领团队抓住载人航天工程着陆场调整建设的历史机遇,坚持创新驱动促进重大项目落地,以智慧着陆场建设为切入点,总结数十年来中国电科22所深耕着陆场建设的宝贵经验,从实战出发,论证了新型机载/车载/便携式定向仪,新型模拟信标机、新型航天员电台等项目。

同时,宋磊带领团队一举拿下重点项目研制任务,实现了“当年方案论证、当年批复立项、当年首样鉴定、当年批产列装”的纪录,统筹产品研制、对外协调和外场试验三条主线。

这些年来,宋磊和团队成员的身影出现在草原上、在大漠里、在大洋上……不断创新、攻坚克难,用坚韧和创新确保项目按节点顺利实施。

科技助力

天地冷链,太空出差能吃新鲜蔬果

航天医用冷储箱原型机。　海尔提供 

空间站食品冷藏箱原型机。　海尔提供

半岛全媒体记者　王丽平

三名航天员开启为期6个月的太空“出差”生活。在浩瀚太空之上,航天员如何正常生活、驻留太空这么久,他们一日三餐吃什么,能保证营养均衡吗?

物联网全程遥控食品冷藏箱

从2011年到2021年,从神舟八号到神舟十三号,海尔生物航天冰箱“六入太空”,已成为中国载人航天项目的标配设备,成为继美国、俄罗斯之后第三个掌握航天冰箱核心技术的国家。

“其实,在2021年初,海尔食品冷藏箱已经跟随天和号核心舱升入太空,为航天员提供食品保鲜服务。此次,食品冷藏箱还将继续为航天员们提供为期6个月的空间食品冷链储存保障。”海尔生物航天冰箱研发团队相关负责人介绍。

据了解,天和号核心舱上搭载的这台食品冷藏箱其大小为10升,箱内温度保持在2℃～8℃,主要功能为航天员在轨飞行时提供食品储存保鲜功能。

“由于太空的特殊环境,食品冷藏设备应用于航空航天领域,不仅要克服发射升空过程中的强烈震动冲击,同时还要克服太空微重力环境下传热机理及均匀温度场的难题。”海尔生物航天冰箱研发团队负责人陈海涛说,他们历时六年自主研发出空间站食品冷藏箱,实现了抗震性能、制冷效率等方面的技术突破,为航天员长期在轨驻留生活提供食品低温存储服务。

此外,通过物联网技术的应用,还能实现食品冷藏箱全程遥测、遥控及状态分析,降低了航天员的在轨工作量,保障了飞行任务的顺利实施。

无能源供应恒温存储20小时

跟随神舟十三号飞船升空的还有海尔航天医用冷储箱,为空间医学样本提供存储保障。

据了解,海尔生物的航天医用冷储箱项目从2006年启动,经过5年研制,到2011年交付第1台航天医用冷储箱产品并于2011年11月1日随神舟八号飞船入轨。

“航天医用冷储箱对技术的要求更高,我们主要突破了3项关键技术。”海尔生物航天冰箱研发团队相关负责人说,首先是轻强结构,通过制冷系统选择、结构紧凑性设计等方面实现了箱体重量的大幅降低,大大节约飞船发射成本。此外,在满足质量要求的前提下,保证了航天冰箱的高强度要求,即能够承受震动12G和冲击500G的瞬间最大加速度,这一指标超过了飞机零部件的抗震动、抗冲击的要求。

“我们实现的第二项技术突破是高效智能控制。我们根据制冷系统特性,采用智能化控制,实现制冷效率较民用产品提高25%,较设计能耗限值降低25%。”该负责人介绍,同时可以实现航天冰箱在30万米高空运行状态实时监控,节省了航天员乘组在轨工作量,保障了空间医学实验顺利进行。

“第三能实现恒温蓄冷,高效恒温蓄冷技术的突破,保证了飞船在上升阶段以及返回阶段,无能源供应条件下恒温存储20个小时,从单一的冰箱装备,拓展为完整的天地冷链,保障了整个飞行任务中的安全存储。”该负责人介绍。

三维实时可视化,飞船“近”在眼前

半岛全媒体记者　王丽平　刘金震

0.1毫秒内快速将数据“翻译”成直观画面,实时再现空间在轨航天器的运行状态,地面控制人员可以据此快速作出决策……10月15日,记者从青岛理工大学复杂网络与可视化研究所了解到,航天可视化团队自主研发的深空探测三维实时可视化技术,再次披挂上阵应用到神舟十三号发射任务中。据介绍,该项技术久经检验已经非常成熟,可将航天器拉近到地面控制人员眼前,实时精准展示飞行器的运行轨道、姿态以及位置等信息,成为执行任务时重要的辅助系统。

“我们团队研制的深空探测实时三维可视化系统,相当于为我们观测太空中的飞船状态提供了一个‘上帝视角’。”青岛理工大学复杂网络与可视化研究所郭阳博士介绍,“这套系统能够实时再现和监测在轨航天器的轨道、位置、状态及其部件操作过程”。

航天器在太空飞行过程中会将位置、姿态等数据通过地面测控站传回地面控制中心,每秒数据传输量达8G左右,并且都是原始的数据,数据传输需要时间,地面控制人员通过数据进行航天器状态的判断也需要时间。同时,飞船的运行速度高达每秒钟8千米,可谓瞬息万变,这对控制中心的数据及状态分析和指挥决策提出了极高的要求。

“我们团队研制的实时三维可视化系统实时加载测控数据,在接收到测控数据的0.1毫秒内快速将数据‘翻译’成直观画面,实时再现空间在轨航天器的运行状态,地面控制人员可以据此快速作出决策。”郭阳说,如此一来,即使飞船相隔万里,我们看到的也仿佛就在眼前。

深空探测三维实时可视化技术完全依靠真实数据驱动,对海量测控数据进行实时精准解析,可以实时呈现飞船的运行轨道、姿态以及位置等信息,仿佛将远在太空的飞行器“拉近”眼前,实现航天器在飞行过程的三维实时可视化,为地面控制人员的精准控制和决策提供依据。

据了解,复杂网络与可视化研究所成立于2008年,截至目前,航天可视化团队参与执行近30次航空航天工程、探月工程以及深空探测工程任务,深空探测三维实时可视化系统的可靠性不断得到验证,在任务中发挥关键作用。