大紅燈籠：添彩國慶

◎ 北京空間機電研究所 李 莉

2019年10月1日上午，中華人民共和國成立70周年慶祝大會在北京天安門廣場隆重舉行，由北京空間機電研究所承制的70盞大型充氣燈籠穩(wěn)穩(wěn)地飄立于天安門廣場上空，為整個慶典增添亮點和喜慶。

燈籠的外形設計參照了天安門城樓的紅慶燈，直徑5m，高度4.2m，莊嚴大氣；云臺采用金鑲紅設計，與宮燈整體相得益彰又不失靈動，通體流暢又充盈美感；8朵祥云下方流蘇下垂，隨風輕擺，盡顯中華氣度。

這70盞大型充氣燈籠的研發(fā)和生產(chǎn)運用的正是北京空間機電研究所的航天器回收著陸技術(shù)。用高強度柔性材料制成的燈籠，對所用材料提出了很高的要求，外部面料具有防水、阻燃性能，內(nèi)囊則采用耐壓且氣密性良好的高空氣球復合膜制成。通過計算流體力學對流場的分析，該所研制團隊為每個燈籠設計了5個系留點，包括1個燈籠下方的主系留點和4個側(cè)向的副系留點，副系留繩的一端通過掛鉤與鎮(zhèn)鐵上的系留孔連接，另一端連接在燈籠的輔助拉繩上，通過精確設計的牽拉角度確保燈籠在20多米的空中穩(wěn)穩(wěn)懸浮。燈籠釋放用的系留繩由高科技材料制成，這種材料常用作航天器著陸用降落傘的傘繩、傘帶，每根拉繩的抗拉強度可達1t，并具有防割性能，可確保燈籠在飄浮過程中的絕對安全。

10年前，慶祝中華人民共和國成立60周年慶祝大會中所使用的60盞大型充氣燈籠，也是由北京空間機電研究所承制的。10年之間，同樣的任務，同樣的天安門廣場，同樣的一群航天人，面對新中國60歲到70歲的時代跨越，面對更高的呈現(xiàn)效果要求，北京空間機電研究所航天人是用怎樣的技術(shù)創(chuàng)新讓一盞燈籠變得愈發(fā)美輪美奐？讓我們?nèi)タ纯窗桑?/p>

外形設計更莊重大氣

與新中國成立60周年慶祝大會的燈籠相比，新中國成立70周年慶祝大會上的大紅燈籠有了一些創(chuàng)新和提升，外形上更大氣，操作上更簡便可靠。

燈籠起源于漢朝，唐朝開元年間開始廣為流行。紅燈籠象征著闔家團圓、事業(yè)興旺、紅紅火火，象征著幸福、光明、活力、圓滿與富貴。

70周年慶祝大會的大型充氣燈籠外形充分借鑒了天安門城樓紅慶燈的外形和圖案設計，在此基礎上進行了放大。燈籠直徑5m，高4.2m，燈身上下各有8朵金色祥云，經(jīng)線方向裝飾有16條金色線條，與燈身渾然一體，寓意天順地順、天地人和。上下云臺直徑均為1.5m，高分別為0.4m和0.5m，表面裝飾有金色鑲嵌紅色線條。下云臺下部連接0.6m長的金黃色流蘇，整個燈籠莊嚴、大氣。

在大紅燈籠外囊的加工過程中，研制人員大量采用了航天器用降落傘的材料和加工工藝，特別對于關鍵部位，其縫合線跡密度要求每10cm不得少于30針，每一條縫合部位都要經(jīng)過嚴格的質(zhì)量檢驗，以確保燈籠的產(chǎn)品質(zhì)量萬無一失。

另外，燈籠外囊材料還做了特殊的涂層處理，一方面確保外囊的防水性能更好，另一方面還能保證陽光照射下燈籠顏色更加鮮艷、靚麗。

充放氣更省時省力

作為一個直徑5m、高4.2m的大型球體，燈籠內(nèi)部需要充入近70m3的氦氣。在充氣時，需要燈籠下部的充氣口盡量便于握持，以保證充氣時不發(fā)生大的擺動。10年前的燈籠采用的是充氣口和放氣口同軸設計，即充氣口和放氣口共用，口直徑為400mm，充氣速度可以保證，但放氣速度卻較慢，一盞燈籠放氣時間需要30min左右。為了既便于充氣，又能快速放氣，10年后的燈籠是一大一小兩個口，充氣口小、放氣口大，即在直徑600mm的放氣口側(cè)壁上連接直徑100mm的充氣口。這樣，不僅充氣的時候易于控制，放氣的時間還縮短了一半，確保撤收工作按時迅速完成。

數(shù)據(jù)監(jiān)測驗證更精準

為了能夠?qū)崟r監(jiān)測到大型充氣燈籠內(nèi)部的壓力、溫度參數(shù)，以及燈籠自身的位移、姿態(tài)變化與各系留繩的受力情況，研制人員在試驗中采用了多種無線傳感器進行測量。燈籠是柔性結(jié)構(gòu)，內(nèi)部測量設備不能對球體產(chǎn)生破壞，同時固定在球體上的姿態(tài)測量裝置又需要有良好的剛性連接。針對這些問題，研制人員集思廣益，將測量燈籠內(nèi)部壓力、溫度的傳感器安裝在一個泡沫球殼內(nèi)，但又讓傳感器露出。這樣，即便傳感器在燈籠內(nèi)部翻滾，也可以保證既準確測量到參數(shù)，又不會對球體造成破壞。

研制人員在燈籠頂部的無線傳感器安裝方面也花了心思。為了將姿態(tài)測量裝置固定在燈籠上，在燈籠頂部縫制了一圈扣襻，將姿態(tài)測量裝置的剛性支座通過繩帶連接在這圈扣襻上。當燈籠充氣達到設計壓力后，這圈扣襻上的繩帶都均勻繃緊，將支座牢牢地固定在宮燈頂部。此外，研制人員還在同一時間下對多種無線傳感器進行記錄，從而獲得燈籠在風力作用下的位移姿態(tài)變化、內(nèi)部壓力、溫度、系留繩上拉力等的相互關系，為燈籠的設計完善提供更精準的依據(jù)。

釋放裝置更安全可控

燈籠的釋放裝置是負責將宮燈升空或降下的設備。10年前，燈籠釋放裝置的操作是一項較難控制的工作。由于燈籠的升力較大，囿于當時條件的限制，升降裝置的絞盤沒有設計齒輪減速鎖定裝置，在釋放的時候，如果操作人員在前半圈和后半圈的施力方向不同，絞盤的搖把有滑脫的風險。研制人員在設計慶祝新中國成立70周年的大型充氣燈籠時，針對這一潛在風險進行了改進，絞盤采用齒輪減速鎖定裝置，即便沒有操作人員旋轉(zhuǎn)搖把，燈籠的升力也不會將絞盤拉動，真正做到了燈籠的升降由操作人員隨意精準控制。同時，操作人員只需要在搖把上施加升力1/4的力量就可以輕松升降燈籠，燈籠的升降過程變得更加安全、便捷。

鎮(zhèn)鐵設計更人性化

鎮(zhèn)鐵算得上大型充氣燈籠的“地面裝置”，每盞燈籠配置主副鎮(zhèn)鐵共計5組。主鎮(zhèn)鐵一組，重100kg，4個副系留點各配置一組鎮(zhèn)鐵，每組重達250kg。鎮(zhèn)鐵通過系留繩對燈籠起到固定作用，為大紅燈籠穩(wěn)穩(wěn)飄立于空中發(fā)揮著“定海神鐵”的重要作用。10年前，由于整個任務的周期極為緊張，在設計燈籠的鎮(zhèn)鐵時只考慮了鎮(zhèn)鐵的質(zhì)量，沒有全方位地考慮增大鎮(zhèn)鐵與地面的摩擦系數(shù)這一細節(jié)。10年后，研制人員在這一點下了不少工夫，通過對多種材料的選擇和試驗，確定了一種具有高摩擦系數(shù)的柔性摩擦材料，在專門設計的鎮(zhèn)鐵底板上鋪設該種材料，使得該材料在受壓情況下能夠很好地貼合地面起伏、形狀，產(chǎn)生更大的摩擦力。研制團隊經(jīng)過多次地面摩擦力試驗，獲得了較理想的試驗數(shù)據(jù)。

另外，考慮到鎮(zhèn)鐵的質(zhì)量，結(jié)合10年前搬運鎮(zhèn)鐵的體會，研制團隊還在鎮(zhèn)鐵的搬運上花了很多心思，定制了尺寸匹配、收放便利的小型四輪搬運車，一名壯小伙用它就能將250kg的鎮(zhèn)鐵托抬離地面3~5cm左右，移動到指定位置準確碼放，效率較10年前提升了數(shù)倍。