護(hù)航神舟回家的高科技

陳袁 周宓 劉淑芬

從1999年神舟一號飛船成功發(fā)射，到2003年神舟五號完成首次載人飛行，再到今年6月神舟十五號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸，20多年來，中國已圓滿完成了10次載人飛行任務(wù)。

?2023年6月4日，神舟返回艙內(nèi)，在中國空間站“出差”186天的航天員費(fèi)俊龍、鄧清明、張陸踏上回家路（圖片來源/中國載人航天工程辦公室）

隨著第一次載人飛行任務(wù)的圓滿成功，“神舟”這個(gè)名字就響徹了神州大地。作為護(hù)航航天員天地往返的“生命之舟”，20余年間，神舟飛船站好每一班崗，圓滿完成了每一次任務(wù)。

是什么讓神舟飛船如此“靠譜”？它有哪些“奇怪”的構(gòu)成，又是怎樣長成的呢？

神舟飛船由返回艙、軌道艙、推進(jìn)艙共同組成。其中，備受關(guān)注的就是航天員在發(fā)射段和返回段乘坐的返回艙。這篇文章就來為大家揭秘返回艙上的那些高科技。

返回艙的“奇怪”外形與“身體”構(gòu)成

神舟飛船返回艙的外形像一口中國古代的大鐘，呈大鈍頭倒錐體。和人一樣，返回艙也有“五官”“內(nèi)臟”“骨骼”“皮膚”，甚至也穿“外衣”。

所謂“五官”，其實(shí)是指返回艙外表面的幾個(gè)洞，其中最大的兩個(gè)洞，是降落傘的傘艙。

返回艙的“皮膚”和“骨骼”是緊密相連的，被稱為“蒙皮+筋”結(jié)構(gòu)。蒙皮即返回艙的“皮膚”，起到密封艙體的作用；筋即返回艙的“骨骼”，起到支撐加強(qiáng)的作用。

返回艙外面“穿”有一層特殊的“外衣”——熱控涂層，可以使它在太空超過200攝氏度的巨大溫差下，維持艙內(nèi)溫度適宜（詳見《知識就是力量》雜志2023年7月刊）。

返回艙的“內(nèi)臟”有很多的儀器載荷，單從結(jié)構(gòu)上來講，最有特點(diǎn)的當(dāng)屬航天員的3把座椅。

在了解了返回艙的“奇怪”外形與“身體”構(gòu)成之后，你是否好奇它們究竟是怎么造出來的呢？那就讓我們一起去看看吧！

?神舟七號載人飛船返回艙著陸后打開艙門

返回艙“成長”過程大揭秘

神舟返回艙的“靠譜”除了靠譜的設(shè)計(jì)，還有靠譜的制造工藝。返回艙的成長主要需要經(jīng)歷“銑（xǐ）”“吹”“卷”“縫”“熱”“穿”6個(gè)階段。

“銑”外形

銑是數(shù)控加工的一種形式，也稱為“銑削”。在銑的過程中，研制人員通過控制加工工具的旋轉(zhuǎn)和移動，為返回艙“雕刻”出標(biāo)準(zhǔn)“體形”，例如出艙艙門、艙門門框等部位都是采用這個(gè)方式打造的。

返回艙具有壁薄、精度高等特點(diǎn)，部分特征加工時(shí)如同在氣球上雕刻。為此，研制人員對加工工具的旋轉(zhuǎn)速度和加工路徑進(jìn)行了精密設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了保障航天員的安全，研制人員還通過選擇最佳的切削參數(shù)和過程控制，滿足返回艙密封部位對平面度、粗糙度嚴(yán)苛的加工要求，為后續(xù)高質(zhì)量裝配奠定基礎(chǔ)。

?銑是使用多刃旋轉(zhuǎn)刀具切削工件的工藝方法

“吹”座椅

神舟返回艙內(nèi)的航天員座椅有著特殊的外形輪廓，航天員坐在其中就像胎兒在母體中一樣，在強(qiáng)過載沖擊下，能夠最大程度地減輕傷害。但你可能想不到，這套座椅的頭靠、椅盆、椅背是“吹”出來的——這是一種比較先進(jìn)的熱成形工藝，學(xué)名為“超塑成形”。

超塑成形是利用金屬在特定條件（一定的成形溫度、一定的變形速度、一定的材料組織）下所具有的超塑性，來進(jìn)行塑性加工的方法。在特定的溫度和氣壓條件下，這種工藝方法可以實(shí)現(xiàn)返回艙大尺寸、復(fù)雜構(gòu)型零件的整體精密成形。

“卷”蒙皮

返回艙的“皮膚”是一層金屬蒙皮，其中艙門所在的返回艙“頭部”球形蒙皮和返回艙“底部”的大底蒙皮是“吹”出來的，而返回艙錐形“腰身”是“卷”出來的，即通過滾彎成形實(shí)現(xiàn)。

要“卷”得精確，就需要用到滾彎機(jī)這一利器。在它的幫助下，金屬板材從平面“卷”成了弧面，組合成為三維錐筒。

研制人員會提前裁剪出金屬板材，并確保平面狀態(tài)金屬板材的尺寸及輪廓精準(zhǔn)，為“卷”打好基礎(chǔ)。

魚鱗狀焊接紋路示意圖

“縫”艙體

返回艙由多個(gè)部分組成，需要通過焊接（包括手工焊接和自動焊接兩種）來保證它的“天衣無縫”，即保障艙體的密封性。而負(fù)責(zé)焊接的操作者被稱為“鐵裁縫”。

“鐵裁縫”通過10余套工裝、70余道工序、上百個(gè)零件，才能把返回艙完美打造出來。

在焊接時(shí)，“鐵裁縫”需要時(shí)刻觀察“縫合”質(zhì)量，因此往往一趴就是大半天，衣服總被汗水浸透。返回艙上魚鱗狀的焊接紋路，就是“鐵裁縫”的成果！

“熱”處理

在小說《西游記》中，孫悟空在太上老君的煉丹爐里煉就了火眼金睛?，F(xiàn)實(shí)中，返回艙也需要先后經(jīng)歷490～500攝氏度、160～190攝氏度的歷練，讓它的“骨骼”更健壯。

另外，在加工階段和整艙焊接過程中會產(chǎn)生殘余應(yīng)力（金屬加工過程中由于不均勻的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場以及不均勻的組織，在加工后，工件或產(chǎn)品內(nèi)保留下來的應(yīng)力），這使返回艙在任務(wù)執(zhí)行中有產(chǎn)生裂紋、變形的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研制人員會用“熱敷”的方式，以特定的溫度將返回艙體內(nèi)的殘余應(yīng)力釋放掉，從而保障返回艙在飛行時(shí)狀態(tài)良好。

?神舟飛船返回艙（供圖/中國載人航天辦公室）

如今，中國空間站已全面進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段。2023年5月30日，神舟十六號載人飛船發(fā)射取得圓滿成功。研制人員用心鑄就的返回艙將悉心守護(hù)乘組人員，保障他們在新任務(wù)、新征程中的工作和生活安全。期待3個(gè)月后，航天員在美麗的地球家園與我們再相聚！

（責(zé)任編輯 / 高琳? ? 美術(shù)編輯 / 周游）