10月31日，長征五號B遙四運載火箭在文昌航天發射場成功將夢天實驗艙送入預定軌道。記者從航天科技(000901)集團五院獲悉，為保證空間站在軌運行及航天員生命安全，在發射之前，夢天實驗艙要在地面環境模擬容器中經歷“大考”——真空熱試驗。此外，在發射過程中，夢天實驗艙還會經受嚴酷的振動和噪聲環境考驗。
為克服三項“大考”，航天科技集團五院總裝與環境工程部建成了容積世界第三大的空間環境模擬器KM8、世界最大推力的140噸電動振動臺、容積世界第二大的4000立方米高聲強混響室，在地面對夢天實驗艙發射過程中的環境進行有效復現。
考驗一：真空熱試驗
【資料圖】
天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙“身材”高大，大型空間環境模擬設備KM6、KM7和KM7A等空間環境模擬器的尺寸不夠，為滿足以空間站工程為代表的大型航天器總裝集成測試需求，航天科技集團五院總裝與環境工程部在天津AIT中心建成了容積世界第三大的空間環境模擬器KM8。
據介紹，KM8擁有獨立自主知識產權，設計直徑17米、高度達32米，不僅個子大，很多設計理念也是國內外首創。2022年6月，在試驗團隊的操作下，KM8對空間環境進行了有效復現。
中國空間站運行在距地面約400公里高度的軌道上，將長期處于高真空、冷黑的環境中。為了能在巨大容積內有效模擬太空中的高真空環境，KM8真空系統配備30多臺真空泵，可保證容器內部6000多立方米空間真空度達到要求。
為了模擬冷黑空間，KM8內壁裝有一層近2200平方米可充氣充液的密閉“內殼”——熱沉。熱沉通入液氮可持續進行冷卻從而模擬出“冷”；同時，在熱沉表面刷一層吸收率很高的黑漆模擬出“黑”。KM8擁有強大的低溫系統，維持液氮在熱沉內長時間穩定循環，來保證將近2200平方米的熱沉表面的平均溫度指標低于-180℃。
空間站在軌飛行過程中，由于沒有大氣層的保護，空間站艙體表面處于陽照陰影交變狀態。在太陽光直射下，空間站表面溫度最高可達150℃以上，在背陽面，溫度最低可達-100℃以下。為真實模擬“冷熱交替”的環境考驗，試驗團隊通過嚴密的熱仿真分析，為夢天實驗艙量身定制了一套專用“外衣”，即紅外加熱籠。
紅外加熱籠是一種以電阻片做輻射源的紅外模擬器，通過控制所加電流改變電阻片的溫度，從而實現“外衣”溫度的交替變化。夢天實驗艙尺寸龐大、外形復雜、表面凸出結構多，要在KM8容器狹小的作業空間下用最短的時間完成近百余片紅外籠的吊裝工作，猶如在洞穴內給“刺猬”穿衣服，還要保證不能與“刺猬”的身體發生接觸。
未來在軌運行期間，航天員需要多次出艙執行任務，同時，空間站時刻面臨著空間微流星以及空間碎片撞擊的威脅，因此，夢天實驗艙的壓力維持系統必須具備在規定時間內有效維持空間站內部壓力狀態的能力。KM8通過自身的壓力控制系統模擬艙內壓力異常變化的情況，在地面提前對夢天實驗艙進行嚴格考驗，為航天員的生命安全保駕護航。
考驗二：振動
空間站艙段在進行地面振動環境考核時所需的最大推力約120噸，而此前世界上最大的單個激振器推力只能達到35噸。基于現有能力、圍繞技術指標，航天科技集團五院研制團隊經過深入探討，確定了四臺激振器并聯工作的基本方案，就像為振動臺裝上了四只手，通過互相配合來實現140噸的最大推力。
力學試驗人員把140噸電動振動臺稱為“動地”。“動地”的“手勁兒”已經可以滿足技術要求，為了精準控制四只“手”能夠通過并聯方式同步施力、避免效果相互抵消，研制團隊為其裝上足夠聰明的“大腦”，通過差異化一次性幅值相位同步補償技術，有效保證了四個激振器能“勁往一處使”。
此外，為使激振器的推力有效地傳遞給空間站艙體，放置航天器的臺面需要重量輕且基頻盡量高。針對臺面剛度、質量和尺寸之間存在相互制約的難題，研制團隊在“夾縫中”找到了問題的解決方案，提出了網格狀封閉式擴展臺面構型和分區優化設計等方法，成功研制了國內單體最大的鎂鋁合金臺面，保證模擬效果盡可能貼近實際發射環境。
考驗三：噪聲
綽號“胖五”的長征五號運載火箭采用新型的大推力火箭發動機，發射時產生的噪聲比其他火箭更高，其高音部（4000~10000赫茲）特別高亢嘹亮（是其他火箭聲壓的4倍），受高音影響，空間站如何保證結構和功能完好？
據介紹，由航天科技集團五院總裝與環境工程部自主研制的“驚天”——4000立方米高聲強混響室，有效空間長14.5米、寬11.5米、高24米，容積是國內原有最大混響室的兩倍，專門用于考核大型航天器承受高聲強噪聲環境的能力。
模仿起飛時的聲音，既要學好“腔調”，又要控制好“嗓門”。此前，國內外還沒有滿足這種“腔調”和“嗓門”的聲源，給“演奏”帶來極大難度。由此，研制團隊提出了20個“歌唱家”齊上陣的設計方案，在混響室墻面布置了不同頻率的喇叭，研制過程中，團隊成員不僅對每個喇叭的發聲性能進行嚴格把關，還為整個“合唱隊”精心分配聲部、排布站位，實現了最大聲壓級158分貝的混響聲場。
此外，優秀的合唱團離不開專業的指揮家——噪聲試驗控制系統。研制團隊對聲源的發聲機理進行深入研究，揭示了聲源輸出與氣源壓力、驅動電流、控制頻率帶寬等參數的規律，通過這套系統，實現了試驗聲場全頻段、長時間精準穩定控制。
4000立方米混響室的大門達到10米寬、24米高、0.7米厚，保證夢天實驗艙等大型航天器輕松出入。如果按傳統的鋼筋混凝土隔聲門工藝，整個大門的重量將超過600噸，這將給地基處理、大門施工帶來巨大的難度和成本投入。為此，團隊進行大膽創新，采用具有完全知識產權的混響室鋼結構大門專利，通過優化設計使大門重量減輕到180噸。結合增加外部輕質卷簾門的雙層結構，保證系統的隔聲量超過70分貝，不會影響到混響室附近工作區員工的身心健康。
新京報記者 張建林
編輯 白爽 校對 盧茜
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