神九背后的大學(xué)

曹曉晨 江利娜

2012年6月29日，我國第四艘載人航天飛船神舟九號成功返回地球。三名航天員出色的表現(xiàn)令國人驚嘆，同時，神九背后的技術(shù)支持團(tuán)隊也功不可沒。除了各大科研單位，不少高校也為神九提供了關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品。小到宇航員的坐墊，大到航天飛船返回途中的降落傘，每一個產(chǎn)品和創(chuàng)新都凝聚著一群人的心血。值得一提的是，在這次研發(fā)過程中，許多80、90后大學(xué)生也紛紛加入進(jìn)來，在研究的隊伍中發(fā)光發(fā)熱。

天津大學(xué)——賦形緩沖減震坐墊

神九上天，最關(guān)鍵的一步就是火箭發(fā)射。航天飛船內(nèi)的宇航員若在升空時顛簸嚴(yán)重，就會對脊椎、頸椎產(chǎn)生強大的沖擊。因此，航天員需要一系列在大幅度高頻震動的條件下降低傷害的保護(hù)裝置，坐墊就是其中最重要的一項。“賦形緩沖減震坐墊”是目前廣泛運用于神舟系列飛船的坐墊，它是天津大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊多年來集體智慧的結(jié)晶。

坐墊雖小，但關(guān)系到宇航員的直接安全。“賦形緩沖減震坐墊”最大的亮點就在于“賦形”上，它需要針對航天員的身體形狀量身定做，目的就是讓宇航員的身體外形與坐墊內(nèi)表面均勻貼合，降低接觸應(yīng)力，將宇航員的頸椎和腰椎有效地保護(hù)起來。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所副所長、快速成型技術(shù)工程中心主任崔國起研究員告訴我們，神舟飛船在升空急劇加速和著陸急劇減速的過程中會產(chǎn)生10～20g的加速度，這時候人處于超重的狀態(tài)，相當(dāng)于體重增加了10～20倍。當(dāng)加速度超過一定程度之后，會給航天員內(nèi)臟、脊柱等造成傷害，甚至威脅生命安全?！拔覀兊哪康木褪潜M可能合理地增加宇航員身體與坐墊的接觸面積，減少沖擊加速度的影響，所以要求坐墊盡可能地貼身?！?/p>

今年女航天員劉洋的加入，對原本較為成熟的“賦形緩沖減震坐墊”技術(shù)又提出了新的挑戰(zhàn)。“女航天員與男航天員的身材存在明顯的差別，因此，對女宇航員的坐墊設(shè)計，我們花了很多心思。”例如，快速成型技術(shù)工程中心專門派出了三名女研究員參與女航天員的坐墊制作?！耙粊矸奖憬涣?，二來也方便做相關(guān)的驗證工作。”最終，劉洋的坐墊相比男性航天員，考慮得更為精細(xì)，在量體、設(shè)計、制作模型、模型驗證和制作過程中也具備了更高的技術(shù)含量。

在為劉洋“量身定制”的過程中，收集宇航員的身體參數(shù)信息是關(guān)鍵的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。天津大學(xué)研二學(xué)生小唐有幸參與了這個工作?！皠e以為信息采集只限于腰圍、胸圍、肩寬等簡單的數(shù)據(jù)，設(shè)計一個坐墊需要使用流動式光學(xué)測量儀等特殊設(shè)備，在宇航員身上采集幾十萬個數(shù)據(jù)點?！闭f起這段經(jīng)歷，小唐依然歷歷在目：“就算是腰部的一個數(shù)據(jù)差錯或遺漏，都有可能使宇航員在飛行過程中感覺不適，所以必須精細(xì)再精細(xì)?！背酥猓O(shè)計過程中還采用了三維CAD、激光快速成形等一系列現(xiàn)代化的數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，這些高新的尖端技術(shù)，更是讓小路獲益匪淺：“雖然數(shù)據(jù)處理過程非常繁瑣，但能接觸到那么多高精尖的技術(shù)，讓我有一種異常興奮和自豪的感覺?！?/p>

正是在如此細(xì)致精密的測算中，劉洋的坐墊一次設(shè)計制造成功，研發(fā)團(tuán)隊僅用三個月就完成了所有宇航員“賦形緩沖減震坐墊”的研制工作，在神九發(fā)射中也發(fā)揮出了應(yīng)有的效用，最大程度地保證了航天員的安全。

中北大學(xué)——黑匣子

“黑匣子”學(xué)名叫力學(xué)參數(shù)記錄器，它能記錄飛行工程中的飛行力學(xué)參數(shù)，也能為今后火箭的研究和改進(jìn)提供重要參考?！氨确秸f當(dāng)初楊利偉‘上天時感覺是坐著卡車上去的，而后來的人感覺是坐著小轎車上去的，原因就是我們通過對黑匣子記錄數(shù)據(jù)的分析，讓改進(jìn)后的火箭不止更可靠，也更舒適?！敝斜贝髮W(xué)微米納米工程技術(shù)研究中心主任助理李錦明老師向我們生動地做出了解釋。

在神九“黑匣子”的研制過程中，為了實現(xiàn)火箭發(fā)射過程中對逃逸系統(tǒng)和一、二級火箭所有力學(xué)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的采集存儲，微米納米工程技術(shù)研究中心在之前的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在發(fā)射任務(wù)中新增了一個位于一級火箭上的力學(xué)參數(shù)“黑匣子”。加上之前已經(jīng)有的較成熟的逃逸艙工作狀況“黑匣子”（用于完成對逃逸艙工作狀況的記錄和評價）、火箭體工作狀況“黑匣子”（作為無線遙測的一種補充，可以完整、全面地記錄火箭整個發(fā)射過程的工作狀態(tài)），“這三個記錄器分別裝在不同部位，記錄下的數(shù)據(jù)為火箭技術(shù)節(jié)點轉(zhuǎn)接、設(shè)計優(yōu)化指標(biāo)等提供了大量寶貴數(shù)據(jù)支持，對未來火箭的研制和改進(jìn)也是大有意義的?！崩铄\明老師表示。

不過我們的疑問隨之而來，既然如此重要的信息記錄裝置，如何能確?！昂谙蛔印痹诨鸺l(fā)射過程中完好地保存下來，并且保證數(shù)據(jù)不丟失呢？

原來，在地面實驗時，“黑匣子”早就經(jīng)過了這批經(jīng)驗豐富的研究者的嚴(yán)格測試：將“黑匣子”放在炮膛里像炮彈一樣打出去，在鐵板上經(jīng)受相當(dāng)于自身15000倍重力的力量沖擊；在海水中浸泡一個月；在超過1000攝氏度的高溫中燒半個小時……只有經(jīng)過這些極其嚴(yán)格的測試而依舊能夠正常讀取數(shù)據(jù)的“黑匣子”才算通過實驗，才可以投入使用。

“‘黑匣子內(nèi)部還有3個互相獨立的存儲區(qū)，分別用特種鋼保護(hù)起來。飛船工作期間，只能往‘黑匣子里寫入數(shù)據(jù)而不能讀取，待飛船返回地面后，工作人員會使用專門的設(shè)備讀取。這也能避免被人惡意盜取‘黑匣子內(nèi)部重要信息的可能性?！崩铄\明老師進(jìn)一步解釋道。

中北大學(xué)測試計量技術(shù)專業(yè)研二學(xué)生唐博也參與了“黑匣子”測試的工程，他做的大多是對測試和實驗的支持性工作?！爸?，我從來沒有想過要需要這么多高強度的測試和實驗?！碧撇┎粺o感慨地告訴我們，他以前做研究往往都是低著頭啃書或者每天泡在實驗室里做驗證實驗，很少有機(jī)會參與到真正的實戰(zhàn)中去，這次經(jīng)歷著實讓他十分難忘?！安粌H為祖國航天事業(yè)出力讓我覺得倍兒有成就感，更多的是不斷創(chuàng)新、不斷驗證的學(xué)術(shù)精神讓我有了很多領(lǐng)悟?！?/p>

南京航空航天大學(xué)——牽頂傘+環(huán)帆傘

航天飛船返回過程中，最重要的階段就是“著陸”。降落傘作為使返回艙安全著陸的關(guān)鍵技術(shù)手段，承擔(dān)著把返回艙從高速減到安全著陸速度的任務(wù)。而在神舟飛船之前多次空投試驗和飛行試驗中，降落傘的主傘傘衣都不同程度地存在局部破損問題，這給返回艙的著陸和宇航員的返航帶來了極大的安全隱患。

承擔(dān)神舟九號降落傘的技術(shù)計算工作的南京航空航天大學(xué)回收系統(tǒng)課題組在分析后發(fā)現(xiàn)，傘衣局部破損的主要原因是在高速開傘的過程中，傘衣之間出現(xiàn)摩擦抽打，在隨后降落的過程中還會進(jìn)一步遭到破壞。課題組負(fù)責(zé)人童明波教授告訴我們，如果想減少傘衣破損，最關(guān)鍵的就是要維持降落傘開傘的穩(wěn)定性，減少傘衣纏繞和抽打。但是如何最大程度地維持傘衣穩(wěn)定？這成為首先需要解決的問題。

經(jīng)過反復(fù)設(shè)計和實驗，航天五院508所的研究人員發(fā)現(xiàn)，只要在降落傘主傘頂部增加一個 “小傘”，就能在主傘開傘的時候，提供一個頂端的牽引力，從而改善主傘的張力分布。課題組成員張紅英副教授打開保護(hù)傘模擬視頻，我們在畫面中看到，相對于1200平方米的主傘，這個僅1平方米大的牽頂傘雖然很難被發(fā)現(xiàn)，但它的確在維持開傘穩(wěn)定性上發(fā)揮著巨大的作用。張紅英說：“別看傘小，它可不好設(shè)計，小了不能提供充足的拉力，大了則會影響主傘的展開。我們僅對這個牽頂傘的力度計算就用了一年多的時間?！?/p>

張紅英還告訴我們：“此次南航不僅參與了牽頂傘的相關(guān)技術(shù)研究，降落傘主傘上的保護(hù)布也是運用了南航的研究技術(shù)?！睘榱颂岣叻祷嘏摻德涞陌踩裕虾交厥障到y(tǒng)課題組還對保護(hù)布對主傘的開傘性能影響進(jìn)行了計算。

這是南航回收系統(tǒng)課題組承擔(dān)的另一項課題，對傘衣保護(hù)布的仿真計算驗證。張紅英說：“當(dāng)空氣團(tuán)進(jìn)入傘衣底邊后，由于受到傘衣保護(hù)布和縫線的阻礙，空氣團(tuán)向四周堆積，促使傘繩和徑向帶繃直，傘衣向外擴(kuò)張，同時，崩斷阻礙空氣團(tuán)前進(jìn)的縫線，傘衣保護(hù)布相當(dāng)于一個不斷移動的頂孔，有利于改善傘衣充氣的對稱性和穩(wěn)定性?！?/p>

布料的選擇也要經(jīng)過不斷計算和實驗驗證，“我們采用了結(jié)構(gòu)動力學(xué)和計算流體力學(xué)的技術(shù)來模擬仿真它。近幾年我們課題組也開發(fā)了一些程序、一些計算方法，最主要是驗證加了傘衣保護(hù)布以后，保護(hù)布對主傘的影響。比如縫線的力度大小合不合適，尤其是保護(hù)布增加了以后，它對主傘開傘性能會有什么樣的影響?！睆埣t英說。

對于布料在復(fù)雜氣流場中的透氣性，南航回收系統(tǒng)課題組計算開發(fā)出了一種新的計算方法，并獲得國家發(fā)明專利?！斑h(yuǎn)看它是一大塊綢布，其實它是由許許多多加強帶將1900多塊小布像魚鱗一樣連接而成?！边@種傘被稱作“環(huán)帆傘”。研發(fā)過程中，課題組對每環(huán)傘衣之間縫隙的寬度、面積、強度和重量等都進(jìn)行了精密的計算。

在這項研究中，科研團(tuán)隊包括了南航的很多研究生和優(yōu)秀的本科生?！昂芏嗤瑢W(xué)都是因為我們在為神九做這個事情，特地?fù)Q了課題組加入進(jìn)來的，大家都為自己是這個課題組的成員而感到自豪?！比缃?，課題組的師生們正在進(jìn)行翼傘的研究，致力于提高返回艙定點著陸的精確性，同時課題組也在配合兄弟學(xué)院為日后探月工程中返回艙返回地面時需要的群傘做技術(shù)研究準(zhǔn)備。