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钨合金:神州十二号航天员安全最后的守护神

[ 信息发布:本站 | 发布时间:2021-09-24 | 浏览:32334次 ]

2021年9月17日,在太空生活工作了90天的神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波乘坐神舟十二号载人飞船返回舱在位于巴丹吉林沙漠的东风着陆场安全着陆,这标志着中国空间站建造阶段首次载人飞行任务取得圆满成功。中国航天的巨大成就不仅凝聚了我国航天人的艰苦努力和心血,也汇聚了我国材料等各行各业的智慧和辛劳。中钨在线认为,我国钨制品行业的科研人员和企业也对此付出了自己应有的贡献,高密度钨合金屏蔽材料对于伽马(γ)射线的屏蔽应是其中之一。

对此,我们可以通过飞船返回舱返回过程的高度控制过程、使用技术及其材料展开分析。

神州十二号


飞船返回舱在飞回过程中需要经过空气制动、降落伞减速、和底部反推发动机喷射反推自动三个阶段来完成减速制动使返回舱安全着陆,以确保航天员的安全。为了完成返回舱返回过程中的精准定位和准时自动,我国的精密跟踪相控阵雷达、北斗卫星定位系统和高分遥感卫星负责精确定位,不同阶段使用的高度仪则是精确控制安全降落的关键因素。

“回收着陆是载人飞船飞行任务的最后阶段,也决定着飞行任务的最终成败。”中国航天科技集团五院神舟十二号载人飞船副总设计师邵立民说,为确保航天员安全回家,该院为神舟十二号飞船研制了高可靠性和安全性的结构、降落伞、着陆缓冲、程序控制等多类型回收着陆系统,确保飞船返回舱走稳归航的“最后一段路”,其中精确测高是各环节精确控制的重要依据,而高精度测高仪在其中发挥了决定性作用。

神舟十二号飞船返回舱穿越大气层时其外表有烧蚀材料制成的防热大底使飞船能够在外表温度超过2000摄氏度的情况下,通过烧蚀脱落带走大量的热能,确保飞船内部能够维持在20度左右的适宜温度,直到飞船穿越黑障、穿越大气层。返回舱自由下落至距地10千米高度时,静压高度控制器判断高度,发出回收系统启动信号,回收着陆系统开始工作。静压高度控制器是程序控制的子系统,它与回收配电器、火工控制器、程序控制器、行程开关等分工配合,控制不同的功能,发出程序控制指令信号给执行机构完成规定的弹伞舱盖拉引导伞、拉减速伞、减速伞分离拉主伞、主伞解除收口、抛防热大底、转垂挂等一系列不可逆的动作,每个环节必须精准无误,其中高度是最为重要的判断依据。因此高度的精确判断就成为了飞船回收是否成功的重要数据。

由于返回舱空间极为有限,其降落伞不能制作太大以免占有宝贵的空间和重量,同时太大的降落伞也会使返回舱在地面风的作用下飘离预定区域太远,因此返回舱在返回到大气层时,打开降落伞后其速度仍然很大,减速后也在每秒8-10米左右,即28.8-36千米/小时,以这样的速度直接着陆对背靠底部的航天员的颈椎是一个很大的伤害,因此就需要依靠数台反推发动机精准启动产生4台大约3吨共计超过10吨左右的反推力,在距离地面约1米的高度启动,使返回舱的速度降为2米/秒左右,这样就能够确保航天员的安全。因此反推发动机的点火启动时间点就尤为关键,而控制其点火时间的关键就是精确的高度测量。

那么精准测量高度是如何做到的呢?

我们知道,一般的测量高度,采用大气压的原理就可以实现,海拔越高,气压越低,反之亦然。一般的生产生活中,气压高度计是没有问题的,普通的民航飞机在高空使用的高度表也是利用这样的原理制成的。但这样的测量精度误差很大,并且在地面和地面上1米高度上的气压几乎没有任何差别,因此也就很难根据该原理精确测出其高度。

即使是普通的民用航空飞机,在高度低于760米之后,也不会再使用大气压原理的高度表,而是采用无线电高度表测量飞机与地面之间的高度。无线电高度表采用的是无线电波射向地面再返回两个行程中光速时间差的二分之一计算的,对于很小高度上的测高数值差异也是微乎其微的,因此一般采用调频的方法,让无线电波的频率随时间变化而变化,这样发出的频率和接受的频率之间会产生差值,再根据差值得出往返需要的时间和高度。这样的计算精度由于无线电波波长较长,误差也较大,虽然对于一般的民航飞机是可以满足安全需要的,但对于飞船返回舱的精度要求还远远不够。

相较于无线电波,使用精度更高的电磁波,其精度可以得到大幅度提高,这就是激光高度计,我国的嫦娥四号就是采用激光高度计测高的,在距离月面30千米到15米的高度上,测距误差只有60毫米,这个精度对于月球探测器是可以满足其要求的,但在低于15米之后的高度上,激光高度计的精度误差就会扩大,这对于载人飞船返回舱来说仍相当危险。

以上的测高方式和仪器设备对于1米左右的高度都不具备即时精准测高的能力,这就需要更高频率的电磁波来实现,目前已知的最高频率电磁波就是伽马射线。伽马射线有放射性,物质发出的射线到达地面后会产生散射,部分光子反射回到发射源后被接收器接收,距离越近接收到的伽马射线就越多,特别在1米左右的高度上,反射回来的射线急剧增加,敏感性很高,因此最为适合在贴近地面的高度上进行精确测高。俄罗斯的联盟号飞船上就成功使用伽马射线测高技术进行反推发动机启动。

我国自主研制的伽马射线高度测量仪器在返回舱临近地面时的测高发挥了至关重要的作用,它可以在距离地面1米的高度上进行误差仅为40毫米的精确测量,其测高精度远远高于其他测高方式,而反推发动机在收到信号后可以在20毫秒内启动发动机进而产生巨大推力,确保飞船平稳落地。

中国航天科工研制的一系列优质晶体元器件,火工锁、弹簧分离推杆、抛底火工锁等产品承担提供稳定的时间频率基准、解锁与分离等任务,为确保航天员安全返回地球起到关键作用。航天科工三院35所研制的最后刹车制动系统中的伽马射线测高仪精确测量返回舱底部距离地表的高度。邵立民介绍,飞船返回舱在接近地面高度时,在神舟十二号返回舱底部的伽玛射线高度控制装置就会开始工作,通过发射γ射线,可以穿透地表植被,实时测量距地高度。当飞船返回舱降至距离地面1米高度时,返回舱底部的γ表发出信号,飞船返回舱上的4台反推发动机点火,施加反推力,向上抬升返回舱,进一步减小其落地速度,确保航天员着陆安全。

飞船返回舱在落地时由于其携带的伽马射线测高仪的存在,其自身是具有放射性的,不过伽马射线放射源使用对飞船内部的屏蔽材料以保护舱内的航天员,但是此时对外是开放的,所以我们看到,返回舱落地后,并不会急着打开返回舱,除了地面人员要确定地面安全性之外,更重要的是地面人员要第一时间前往对放射源进行屏蔽保护,以免伤及地面人员和即将出舱的航天员的安全。中钨在线估计,这就是我们看到的第一时间有一名地面人员快速跑步到返回舱并在返回舱底部展开工作的主要内容,先使用特制的屏蔽盖将底部的放射源屏蔽起来,等航天员出舱离开后,地面工作人员才会将放射源取出,用专门的特制容器将放射源带走。

中钨在线根据自身的专业知识分析认为,同样厚度的材料,其密度越大,对辐射的屏蔽效果就越好,其屏蔽射线的效果和密度是高度正相关关系。到目前为止,高密度钨合金的密度可以达到19g/cm3 ,是最为理想的屏蔽材料;并且中钨在线认为,为防止屏蔽材料自身对返回舱内的仪器和通讯产生影响,使用97%钨-镍-铜(97W-2Ni-1Cu)的高比重钨合金,既可以达到最大密度,又可以进行一定形状机械加工的强度,同时不会因自身具有的磁性对返回舱的仪器和通讯信号产生影响。这样的屏蔽材料在飞船返回舱自身结构中对舱内进行保护,落地后也是用同样的高密度钨合金盖子密封其射线对外暴露的部分进行屏蔽,同样,也是用钨合金材料的屏蔽罐体将返回舱内的伽马射线发射源密封带走以确保返回舱之后的工作处于无辐射的安全环境之下。

作为钨业人,我们感到骄傲和自豪,我国的钨业界从中华苏维埃建设,到改革开放,再到我们日新月异的航空航天科技领域已经并将继续做出自己的贡献!


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