如何保障航天員安全？如何維修航天器設(shè)備？這些科技你想象不到！

央視網(wǎng)消息：幾天前(10月31日)，神舟十六號(hào)航天員安全返回地球家園，而神舟十七號(hào)乘組三名航天員湯洪波、唐勝杰、江新林則開(kāi)啟了在中國(guó)空間站為期六個(gè)月的在軌駐留，今天(11月4日)已經(jīng)是他們?cè)谲壍牡谑�天了。這次神舟十七號(hào)飛行任務(wù)中有一項(xiàng)特殊的任務(wù)，航天員將通過(guò)出艙活動(dòng)首次進(jìn)行空間站艙外試驗(yàn)性維修作業(yè)。

空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，航天員的安全如何保障、航天器的設(shè)備怎樣維修維護(hù)?接下來(lái)我們一起來(lái)了解。

在線(xiàn)維修裝調(diào)操作柜 空間站里的維修利器

在中國(guó)空間站的艙內(nèi)艙外有大量的設(shè)備，這些設(shè)備一旦出現(xiàn)故障該怎么處理呢?我國(guó)科研人員創(chuàng)新性地研發(fā)了一套“在線(xiàn)維修裝調(diào)操作柜”，有了它，空間站的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和載荷一旦出現(xiàn)故障，就可以在軌進(jìn)行維修。下面記者就帶我們一起來(lái)了解這個(gè)中國(guó)空間站的設(shè)備維修“利器”。

總臺(tái)央視記者 褚爾嘉：這里是中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的鏡像大廳，在這里一共有十四臺(tái)像我身后這樣的實(shí)驗(yàn)柜。這些實(shí)驗(yàn)柜實(shí)際上跟在中國(guó)空間站中的實(shí)驗(yàn)柜是一模一樣的。在我身后這里有一個(gè)叫在線(xiàn)維修裝調(diào)操作柜，在中國(guó)空間站的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙里就有一個(gè)完全一樣的操作柜，它可以實(shí)現(xiàn)在軌對(duì)出現(xiàn)故障的一些設(shè)備進(jìn)行維修。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員 張璐：其他的(實(shí)驗(yàn)柜)都屬于科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，都會(huì)有一個(gè)或者多個(gè)比較固定的研究主題。這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜實(shí)際上更多的是一個(gè)支撐類(lèi)的實(shí)驗(yàn)柜，它并沒(méi)有一個(gè)比如說(shuō)像生命科學(xué)、流體科學(xué)這方面的專(zhuān)一的、獨(dú)立的一個(gè)研究方向。以前的時(shí)候，有些(設(shè)備)比如說(shuō)壞了，航天員不是很方便地去進(jìn)行在軌的一些維修和更換。這個(gè)在線(xiàn)實(shí)際上就是指在軌的狀態(tài)下，航天員可以對(duì)其他的科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，包括其他的空間應(yīng)用系統(tǒng)的一些載荷裝置更換、維修，或者有操作需求的時(shí)候，這個(gè)實(shí)驗(yàn)柜提供了一系列包括結(jié)構(gòu)安裝、潔凈空間的處理，包括還有機(jī)械臂(手)的輔助操作，相應(yīng)的一些真空、排廢氣，很多工具類(lèi)的支撐，來(lái)保障這些維修操作能夠在軌順利展開(kāi)。

自身體積并不大的在線(xiàn)維修裝調(diào)操作柜是如何實(shí)現(xiàn)維修中國(guó)空間站中的大型設(shè)備呢?張璐告訴記者，設(shè)計(jì)之初，他們就已經(jīng)考慮到了這個(gè)問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了一些拓展空間功能。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員 張璐：這里面，我們主要是進(jìn)行一些比如說(shuō)小載荷、標(biāo)準(zhǔn)載荷的維修操作，包括有一些有密閉要求的載荷，我們可以通過(guò)更換手套進(jìn)行操作。艙外有一些大型載荷有一些安裝、升級(jí)甚至拆裝的操作，我們可以通過(guò)這個(gè)移動(dòng)維修平臺(tái)，把這個(gè)平臺(tái)拉開(kāi)以后，它可以展開(kāi)成一個(gè)大概900毫米x700毫米的一個(gè)大平板。艙外的這些大載荷可以在這個(gè)大平板上安裝固定，然后航天員在這個(gè)平板上結(jié)合內(nèi)部豐富的各種載荷的接口，來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的維修操作。

靈巧機(jī)械手協(xié)助操作 精度可達(dá)0.1毫米內(nèi)

大家之前可能已經(jīng)了解到，中國(guó)空間站的艙外有大小兩個(gè)機(jī)械臂，大機(jī)械臂展開(kāi)后長(zhǎng)約10米，最大負(fù)載能力25噸，可以在艙外爬行，也可以抓取像問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙這樣的大型艙段�？臻g站外的小機(jī)械臂，臂長(zhǎng)約5米，最大負(fù)載3噸，小機(jī)械臂操作精度更高，可以單獨(dú)使用，也可以和大機(jī)械臂連接，形成約15米長(zhǎng)的組合臂，從而擴(kuò)大航天員在艙外搭乘機(jī)械臂可以到達(dá)的范圍。

不過(guò)你知道嗎，咱們的空間站內(nèi)還有一個(gè)靈巧機(jī)械手，就在剛才說(shuō)到的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙在線(xiàn)維修裝調(diào)操作柜里，它展開(kāi)后大約七八十厘米長(zhǎng)，操作精度可達(dá)0.1毫米以?xún)?nèi)，可以幫助航天員進(jìn)行維修裝調(diào)操作。

張璐介紹，在這臺(tái)在線(xiàn)維修裝調(diào)操作柜里，擁有一個(gè)功能非常強(qiáng)大的靈巧機(jī)械手，它擁有十分靈活的7自由度關(guān)節(jié)，可以輕松地旋轉(zhuǎn)到各種姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)在狹小的空間內(nèi)做復(fù)雜的軌跡規(guī)劃，操作精度可以達(dá)到0.1毫米以?xún)?nèi)，且響應(yīng)速度快，能夠幫助航天員在軌完成大量復(fù)雜維修工作。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員 張璐：像有些艙外的載荷進(jìn)艙之后，包括一些生物學(xué)的載荷，做完實(shí)驗(yàn)之后，有一些殺毒、消菌需求的時(shí)候，我們可以通過(guò)更換機(jī)械臂(手)的末端工具。未來(lái)我們可以有不同的末端工具，更換之后可以執(zhí)行不同的操作任務(wù)。有一些很繁瑣的擰螺釘或者是做一些簡(jiǎn)單的采樣，我們可以換上一個(gè)小型的末端，一個(gè)夾爪或者是一個(gè)電動(dòng)的剪刀，就可以把這個(gè)操作完成。

智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng) 在軌維修更便利

除了有靈巧機(jī)械手幫忙，科研人員還設(shè)計(jì)了搭載增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的在線(xiàn)維修系統(tǒng)，只要戴上一副眼鏡，航天員不用翻看任何操作手冊(cè)，就可以實(shí)時(shí)接收操作指令，實(shí)現(xiàn)便捷的在軌設(shè)備維修工作。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員 張璐：大家知道空間站實(shí)驗(yàn)柜就有14個(gè)，這14個(gè)實(shí)驗(yàn)柜都是由各種各樣不同的部組件、科學(xué)診斷手段、科學(xué)探測(cè)的一些設(shè)備組成的。這些設(shè)備就像我們家里用的電器一樣，一定會(huì)有到壽命時(shí)間的或者說(shuō)有一些故障了，航天員必須要在在線(xiàn)的狀態(tài)下、在軌的狀態(tài)下對(duì)這些故障進(jìn)行診斷、維修、組裝。

為了更快、更便捷地進(jìn)行在軌維修操作，科研人員開(kāi)發(fā)了一套智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng)。航天員會(huì)戴一副眼鏡，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)接收語(yǔ)音、文字、視頻等操作指令，使維修操作變得不再?gòu)?fù)雜繁瑣。

據(jù)介紹，這套基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能誘導(dǎo)維修系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地將所需要的數(shù)字化維修誘導(dǎo)信息疊加到實(shí)物對(duì)象上，使得航天員能夠獲取視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等方式的維修提示，提高了航天員在軌維修作業(yè)效率，為空間站在軌維修維護(hù)、裝調(diào)、實(shí)驗(yàn)操作等任務(wù)提供了可靠的技術(shù)支撐。

有備無(wú)患!從沒(méi)用過(guò) 但不能沒(méi)有的逃逸塔

通過(guò)維修作業(yè)，空間站的運(yùn)行能夠更加安全、穩(wěn)定。其實(shí)，對(duì)于載人航天工程而言，安全的理念貫穿在每一個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。從空間站任務(wù)開(kāi)始，為了確保航天員的安全，長(zhǎng)二F火箭和神舟飛船都會(huì)采取“雙發(fā)并行、一主一備”的模式。就在神舟十七號(hào)發(fā)射的同時(shí)，神舟十八號(hào)的飛船和火箭就已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心待命了。

執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭，它的外觀非常有標(biāo)志性，它頭頂上有一個(gè)像避雷針一樣的裝置，這就是火箭的逃逸塔，逃逸塔也是載人航天發(fā)射的一個(gè)關(guān)鍵裝置，長(zhǎng)二F火箭的歷次發(fā)射，它從沒(méi)有被用到過(guò)，卻是決不能沒(méi)有的裝置。接下來(lái)，記者帶您到神舟十八號(hào)的逃逸塔廠房里去近距離地看一看，我們一起結(jié)合逃逸塔飛行試驗(yàn)的鏡頭，來(lái)了解長(zhǎng)二F火箭逃逸塔的作用。

總臺(tái)央視記者 陶嘉樹(shù)：長(zhǎng)征二號(hào)F火箭是我國(guó)目前唯一一型可以運(yùn)送航天員的火箭，那么運(yùn)送航天員也有一個(gè)前提，那就是一定要保障航天員的安全，如何保障呢?在我身邊的裝置就是長(zhǎng)征二號(hào)F火箭的逃逸塔，也就是我們看到火箭頂端像避雷針一樣的裝置，它由1臺(tái)逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)、1臺(tái)分離發(fā)動(dòng)機(jī)和4臺(tái)俯仰偏航發(fā)動(dòng)機(jī)組成，它的作用就是在火箭飛行的前120秒內(nèi)，一旦火箭發(fā)生危及航天員生命的故障時(shí)，可以迅速將神舟飛船的軌道艙和返回艙帶離故障火箭，將航天員帶到安全地帶。

航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)師 陳牧野：逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)，大家可以看到它噴管相比其他的都比較大，它的推力也是這幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中最大的。它的作用就是當(dāng)火箭發(fā)生重大故障的時(shí)候、可能威脅到航天員安全的時(shí)候，它把整個(gè)逃逸飛行器帶離故障火箭，然后能夠使逃逸飛行器打到一安全的區(qū)域。

記者：它是相當(dāng)于把飛船從火箭里面拽出來(lái)的一個(gè)用處?

航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)師 陳牧野：對(duì)。這一圈有8個(gè)相對(duì)小一點(diǎn)的噴管發(fā)動(dòng)機(jī)是逃逸分離發(fā)動(dòng)機(jī)，它有兩個(gè)作用，第一個(gè)是當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)候，由剛才介紹的逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)把逃逸飛行器拽離之后，返回艙和逃逸塔之間的分離使用的是逃逸分離發(fā)動(dòng)機(jī)。在正常飛行過(guò)程中，我們還有一個(gè)拋逃逸塔的動(dòng)作，拋逃逸塔的動(dòng)作就是由逃逸分離發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)完成的。

記者：下面這幾個(gè)小一點(diǎn)的呢?

航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)師 陳牧野：我們叫俯仰和偏航發(fā)動(dòng)機(jī)，它有不同的方向，它的作用就是當(dāng)發(fā)生逃逸的時(shí)候，它的工作是使整個(gè)逃逸飛行器偏離故障火箭的飛行管道。就相當(dāng)于我從旁邊推你一下，本來(lái)咱們是在一條跑道上跑的，然后你受到一個(gè)力，你就去到旁邊的跑道，這樣能夠使整個(gè)逃逸飛行器更加安全。

逃逸塔是載人火箭至關(guān)重要的裝置，雖然不用，但不可不備。截至目前，逃逸塔從未真正意義上使用過(guò)。2021年，中國(guó)載人航天工程進(jìn)入空間站階段后，要求長(zhǎng)征二號(hào)F火箭發(fā)射一發(fā)、備份一發(fā)，神舟十七號(hào)已經(jīng)成功發(fā)射，我們?cè)趶S房?jī)?nèi)看到的這個(gè)逃逸塔，正是下一發(fā)長(zhǎng)二F火箭的逃逸塔。

記者：這個(gè)是遙十八火箭的逃逸塔嗎?

航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)師 陳牧野：對(duì)，咱們現(xiàn)在看見(jiàn)的逃逸塔是遙十八火箭的，它目前處于應(yīng)急待命值班的狀態(tài)。不光是遙十八的逃逸塔，遙十八火箭的箭體目前也已經(jīng)豎立在總裝測(cè)試廠房中，處于應(yīng)急救援值班的狀態(tài)。當(dāng)比如空間站中有什么問(wèn)題需要我們?cè)俅蛞凰覀浞莸木仍�飛船上去的時(shí)候，應(yīng)急救援火箭，包括逃逸塔就會(huì)組合成一個(gè)整體，把應(yīng)急救援飛船送上去執(zhí)行救援任務(wù)，這是有備無(wú)患的一種方式。

有備無(wú)患!確保航天員安全的多種方式

載人航天人命關(guān)天，航天員的安全永遠(yuǎn)是要考慮的第一要素。在實(shí)施載人飛行任務(wù)過(guò)程中，在不同的階段，有不同的方式來(lái)全流程確保航天員的生命安全。這些方式在正常情況下不會(huì)被用到，卻是必須做足準(zhǔn)備的，寧可備而不用，不可用時(shí)不備，一旦需要，要確保萬(wàn)無(wú)一失。

防爆電梯和逃逸滑道

在火箭待發(fā)段，航天員抵達(dá)發(fā)射塔架后，如果出現(xiàn)火箭、飛船發(fā)生一些突發(fā)狀況，在可控的情況下，由航天員救助隊(duì)協(xié)助航天員在最短時(shí)間內(nèi)通過(guò)防爆電梯完成緊急撤離。如果情況危急，就要從逃逸滑道撤離至地下掩體。逃逸滑道如同一個(gè)軟管，從發(fā)射塔架9層平臺(tái)至地下負(fù)一層，全長(zhǎng)約57米，滑道內(nèi)襯通過(guò)改良，航天員用手和腳的動(dòng)作控制下滑速度�；�道出口放置有加厚的緩沖墊，能最大程度避免人員在下落過(guò)程中受傷。逃逸滑道出口通往地下5米的避險(xiǎn)室，這里可以提供非�？煽康陌踩�庇護(hù)。

逃逸塔

航天員進(jìn)入神舟飛船后，從火箭發(fā)射前15分鐘到火箭點(diǎn)火后2分鐘這段時(shí)間，是依靠火箭的逃逸塔來(lái)保障航天員安全。長(zhǎng)二F的逃逸塔有8米高，相當(dāng)于兩三層樓的高度。如果這時(shí)遇到故障需要逃逸，只需要3秒，逃逸塔就能像拔蘿卜一樣拽著飛船一起分離出去，把飛船帶離危險(xiǎn)區(qū)域。隨后，飛船返回艙會(huì)與逃逸塔分離，而后打開(kāi)降落傘回到地面。在一切正常的情況下，火箭點(diǎn)火2分鐘后，距離地面近40公里的高度時(shí)，逃逸塔完成使命被分離出去。

高空逃逸

在逃逸塔分離后到整流罩分離前這段時(shí)間，如果火箭出現(xiàn)問(wèn)題需要逃逸，這時(shí)包裹著飛船的整流罩將發(fā)揮作用。整流罩上設(shè)有高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)能夠帶動(dòng)飛船脫離故障火箭，保證航天員生命安全。長(zhǎng)二F火箭配備故障檢測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，判斷火箭故障，發(fā)出逃逸指令和終止飛行指令。

飛船自動(dòng)識(shí)別處置故障

火箭飛行到205秒左右，沖出稠密大氣層。沒(méi)有了空氣阻力，包裹著飛船的整流罩也就完成使命，與火箭分離，這時(shí)飛船就暴露在了太空中。獨(dú)自飛行的神舟飛船，船上設(shè)備能夠自動(dòng)識(shí)別和處置故障，如果在飛船自主飛行過(guò)程中發(fā)生緊急故障，飛船可以隨時(shí)應(yīng)急返回地球。如果飛船在與空間站自動(dòng)對(duì)接過(guò)程中發(fā)生故障，飛船可轉(zhuǎn)由航天員手動(dòng)控制完成對(duì)接。飛船完成對(duì)接后、在�？科陂g，如果空間站發(fā)生嚴(yán)重威脅航天員生命安全的事故，神舟飛船具備隨時(shí)緊急撤離空間站、安全返回地球的能力。

一主一備 應(yīng)急救援

空間站在太空中飛行，可能會(huì)遇到航天器故障或空間碎片襲擊等風(fēng)險(xiǎn)。目前，每個(gè)航天員乘組在軌時(shí)間為半年左右，為應(yīng)對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)、更好地保障航天員安全，需要長(zhǎng)二F火箭和神舟飛船具備快速發(fā)射、應(yīng)急救援的能力。從神舟十二號(hào)開(kāi)始，每一艘神舟飛船發(fā)射時(shí)都有一發(fā)火箭和一艘飛船在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)入值班狀態(tài)，如果需要應(yīng)急救援，10天內(nèi)就能實(shí)施應(yīng)急救援發(fā)射。

防護(hù)裝備和維修作業(yè)

空間站在軌運(yùn)行，受空間環(huán)境影響在所難免�？臻g站的航天器外本身設(shè)有一些防護(hù)裝備，能夠抵御一些微小空間碎片影響。對(duì)于大的碎片，空間站可以進(jìn)行主動(dòng)預(yù)警和規(guī)避。如果遇到被空間碎片撞擊破損，還可以采用在軌維修的方式更換受損設(shè)備。這次神舟十七號(hào)飛行任務(wù)，航天員將通過(guò)出艙活動(dòng)首次進(jìn)行空間站艙外試驗(yàn)性維修作業(yè)。

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