一个跟头翻出的荣耀
神舟五号任务的成功实现了“三步走”战略的第一步:突破和掌握了载人飞船的天地往返技术。紧接着的第二步目标是:突破和掌握太空出舱和空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模、短期有人照料的空间应用问题。
2004年1月,一个冬阳普照的日子,火箭专家刘宇被任命为火箭系统的总指挥。他接手的第一项任务就是在即将到来的一年间,研制完成用于发射神舟六号飞船的长征二号F火箭。如何继承前人的辉煌,怎样开拓创新,是他面临的最大困难。
除了压力之外,还有一个长期困扰在刘宇心里的问题不得不面对。几个月前,杨利伟从太空返回后,曾告诉刘宇和刘竹生,火箭上升到三四十千米的高度抛掉逃逸塔后,出现了比预想要严重得多的箭体振动。长达26秒的强烈振动让他有濒临死亡的感觉。而在此之前,箭体的振动频率被认为对航天员是没有影响的。
杨利伟所描述的其实是一种共振现象。简单地说,就是当一个外力的振动频率与一个物体的固有频率相等时,会使这个物体的振动放大。
第一次世界大战时,一队士兵迈着整齐划一的步伐通过一座大桥,由于行军脚步的频率与大桥自身的振动频率恰好相同,竟然致使一座大桥瞬间坍塌,人落谷底,全军覆没。人体对10赫兹以下的低频振动非常敏感,它会让内脏产生共振。而对飞船上的杨利伟来说,振动叠加在几倍体重的负荷上,自然更是难以忍受甚至是致命的。
这是“长征”系列运载火箭第一次载人上天,共振情况也是首次被发现。从上级领导到普通研制人员都很关注这个“陌生”的问题,可要准确判断出症结所在绝非易事。
航天科技集团公司副总经理许达哲作为主管领导,和刘宇、刘竹生商量后决定,在研制新的火箭之前,首先要解决旧的问题。许达哲特意把一批有丰富工程经验的老专家、老院士请来,成立联合分析小组,一起进行“会诊”。他们收集了从发射神舟一号到神舟五号时火箭的所有数据,一步步分析查找、一项项加以验证。
数据分析工作不仅复杂,而且枯燥,面对不知从何下手的研制人员,刘竹生给大家举了一个钟和磬的例子。一座寺庙里的钟和磬因为发生了共振,总是同时响起来,和尚们都以为庙里在闹鬼,惶惶不可终日。后来,有人来到庙里,把磬锉掉了一小块儿后,钟和磬便相安无事,再也没有同时响起。大家听后明白了刘竹生的用意,火箭的振动和这个例子要说明的问题是一样的。但就是这个看起来并不复杂的问题,刘宇和刘竹生却带着大家苦干了一年多。400多个日日夜夜里,他们先是确定机理,之后从火箭一级发动机工作的0—140秒中,逐秒、逐段地查找振动频率,寻找问题“元凶”。
2005年3月,在火箭进入总装准备阶段时,这个困扰研制队伍1年多的问题终于得到了定位,火箭系统的副总设计师张智找到了原因。发射神舟五号时,火箭发动机造成的推力脉动与火箭结构振动频率在飞行的某一时间段接近和重合,造成了意外的共振,频率是8赫兹。而8赫兹的频率恰好是人体器官的频率,会加剧人体的不适感。这种现象在专业上被称为“谐振”或“耦合振动”。为了进一步确认这个结论,张智对火箭进行了真实状态的全箭振动试验和助推器振动试验,摸清了箭体结构纵向一阶频率和助推器、芯一级的管路液体脉动的频率范围,证明了判断的正确性。
为了消灭耦合振动现象,他们再次进行了助推器氧化剂管路的水介质和模拟介质振动试验、船罩组合体振动试验和全箭振动试验,在不同的飞行时段采取了不同的抑制参数。接下来,就是重新研制火箭发动机输送管路上的一个对振动频率有很大影响的装置—蓄压器。一般情况下,从画出图纸到拿出成品,研制蓄压器需要8个月时间,但为了赶进度,刘宇5次往返于试验场和协作厂家之间,亲自督战,日夜兼程,仅用了两个半月时间就完成了任务。2005年6月,新研制的蓄压器经过测试后,输送管路内液体的频率与火箭结构的振动频率已完全错开,谐振现象基本消失了。
运载火箭系统总指挥刘宇(右)与总设计师荆木春(左)在任务现场
故障解决了,正当大家要松口气时,刘竹生又下达了一项新的任务,为逃逸发动机配备安全点火机构。对于这一措施,大家有些不理解,毕竟火箭在设计中,已经安装了足够的保险措施,基本上可以保证航天员的安全。刘竹生却说:“这样的保险措施,虽然我们已经采取了很多,但载人航天,必须在高安全性、高可靠性上下功夫,我们应该有一种思想,始终认为自己做得还不够,安全性和可靠性没有终点。”听了刘竹生的话,大家愉快地接受了任务,在大家的共同努力下,不仅安全点火机构的研制任务提前完成,而且还制定出了一套非常完善的故障对策,一旦火箭出现安全问题,航天员可以迅速脱离危险区。
火箭系统增加的图像测量系统,是用于发射神舟六号的火箭的新亮点。以往火箭发射时,科研人员只能通过遥测数据判读火箭在飞行过程中的表现,而不能直观地观测火箭的飞行状态和各种分离动作。而增加这个系统后,人们可以第一时间近距离地看到火箭飞行的相关姿态。用于观测火箭运行状态的两个摄像头,一个装配在整流罩内,一个安装在箭体上,可以向地面实时显示最直观的火箭飞行情况。
虽然刘竹生早就有为火箭加装这个系统的打算,但限于过去我国图像压缩技术水平还不高,这个想法一直没有付诸实施。为了早日为火箭装上这只“神眼”,刘竹生组织设计人员从初样研制到产品生产,用了1年多的时间,逐一攻克了高动态下的传输延时和马赛克等高难度的技术问题,设计生产出令人惊叹的图像测量系统。这个系统安装后,还将为火箭的环境适应性提供依据,并可以根据飞行环境监测,为改进火箭的环境适应性提供依据。
神舟六号任务的来临,对新一代的航天人来说,是一次机会,也是一次考验。
任务下达后,神舟六号相对于神舟五号,结构虽然没有改变,但技术状态却截然不同。两名航天员在太空生活工作多天,衣食住行、冷凝水的收集、进出轨道舱安全等诸多新问题,一下子凸显在了刚刚接任总指挥的尚志和总设计师的张柏楠面前。
与之前的5艘神舟飞船相比,神舟六号变化最大的当数航天员要从返回舱进入轨道舱。两舱之间有一道圆形的舱门,用于为返回舱提供密封环境,以确保返回舱的舱内压力。由于它连接的是两个独立的舱室,如果两个舱室气压不同,舱门要么无法开启,要么会被弹开,撞击到航天员身上,对航天员造成伤害。舱门的密封性也至关重要,飞船返回前,两舱分离后,舱门必须严丝合缝地关闭,一旦漏气,返回舱在几秒钟之内就会变成“真空世界”。航天员从返回舱进入轨道舱,首先要打开的就是这道门。打开舱门的风险相对不大,关键是关闭舱门后能不能够保证密封,再入过程中会不会出现问题。因此,航天员进入轨道舱,是对飞船整个生命保障系统的全程考核,而这道舱门可以说是一道航天员的“生命之门”。
为了保证这扇门开关准确自如、绝对密封,张柏楠带领飞船结构与机构分系统的技术人员做了上万次试验,从改进密封性能、在轨检漏、舱门清洁等方面摸索出了一套规律,增加了8道“安全锁”。
第一道“安全锁”,是要确保设计加工准确无误。神舟六号的舱门设计和加工工艺十分复杂,仅设计图纸就有100多张。张柏楠带领科研人员边攻关、边试验、边总结,找到最佳数据,保证每一个零件和每一个尺寸都准确无误。
第二道“安全锁”,是在舱门安装密封锁。为了保证密封性,舱门设计了6把联动杆锁,只有这6把锁全部到位,舱门才能锁上。同样,打开舱门也必须完成一系列动作才可以解锁。为避免操作失误,还专门设计了一个防误开关,只有首先打开防误开关,才能进行下一个动作。
第三道“安全锁”,是用双保险来保证密封性。科研人员为舱门加了两道密封圈,安装在舱门的金属面周围,确保密封。
第四道“安全锁”,是利用“秘密武器”除掉绒毛。舱门金属圈上的密封圈上哪怕沾有细微的头发丝或绒毛,都可能导致舱门发生泄漏。而在太空飞行中,舱内飘浮物沾到密封圈上又不可避免。为此,科研人员找到了一种类似湿巾的无腐蚀、无气味、不掉毛的特殊材料,用这种材料擦拭密封圈不留水迹,不产生静电,又能一尘不染。
第五道“安全锁”,是舱门快速检漏仪。按常规做法,舱门检漏的方法是先把舱门密封起来,过一两天后再检查舱门压力,看看降低了多少。但航天员在太空中不可能等这么长的时间。为此,他们专门设计了一套快速检漏装置,可迅速判断漏气状况。
第六道“安全锁”,是为航天员设计了脚踏板。航天员在太空中常常是有劲没法使,为了保证操作方便,特意为航天员设置了许多着力点,手脚怎样用力,用多大的力,都有详细的规定。
第七道“安全锁”,是采用多种手段试验可靠性。为了提高舱门的密封性和操作的灵活性,采用降低摩擦等手段控制加工精度,能觉察出小如毛发和绒毛的异物。同时,根据不同的故障模式,在专门的真空罐里做开关舱门试验,保证舱门性能标准高度可靠。
第八道“安全锁”,就是让航天员在模拟失重条件下反复进行训练,熟练掌握操作要领。
除了舱门之外,飞船舱内的环境也是危及航天员生命的又一关口。从环境控制和生命保障技术来讲,两人的多天飞行,意味着产品规模和运行周期发生了很大变化,耗氧、产热、产湿、呼出二氧化碳都比“1人1天”多得多。飞船舱内的有效容积只有5.5立方米,两名航天员生活工作在里面,两三个小时湿度就会饱和。如果舱内空气不流通,呼出的二氧化碳就会自然堆积,滞留在口鼻附近,导致呼吸困难甚至窒息。所以,神舟六号任务对首次使用的生命保障系统也是一次考验。大到饮水储蓄箱、大小便收集箱,小到食品加热器、注水器等,160多件产品每一件产品都与航天员的太空生活及健康息息相关,这就对它们的整体性、匹配性,与外系统的协调性、接口关系等提出了很高的要求,尤其是调压供氧、通风净化等关键部件,一旦出现故障将直接危及航天员的生命安全。
为了“万无一失”,张柏楠率领队伍在地面营造了一个与太空相同的环境,模拟航天员太空七天七夜的生活,验证了湿度控制技术和通风换热技术的合理性。为增强冷凝水收集能力,他们扩大了飞船上冷凝水箱的容积,增加了被动的吸湿材料,保证船上设备能在湿度90%的环境下正常工作。
2003年春节前夕,已经苦干了一年多的飞船研制人员都在盼着这个一年中唯一可以放假的节日能好好休息几天。有些家在外地的技术人员提前与同事倒班替换,想早走几天。可谁承想被尚志不近情理地制止了。已经买了机票和车票的人,不管什么情况一律退票!此令一出,有的年轻人哭着找到尚志,说家里的老人在眼巴巴地等着团聚,希望通融一下。面对此情此景,尚志尽管心里理解同情,但仍下狠心坚持决定。这个“口子”不能开,一旦有人在正式放假前离开,必然导致更多的人“人心涣散”,产品质量肯定会受影响。经过层层做工作,大家对看似不近人情的尚志表示了理解。在这样的近乎“铁腕”的管理手段下,各个分系统的研制任务按照计划节点保质保量地完成了。
2003年11月,北京航天医学工程研究所召开了一次全体航天员参加的会议。胡世祥宣布:神舟六号任务即将展开。听到这个消息,每个航天员都感到了一阵激动。新的任务列入日程,就预示着又一次圆梦的机会即将到来。但大家也清楚,机会只能属于少数人。要想真正飞向太空,他们还要通过一次更为严格、苛刻的选拔。
经过7年的学习训练,许多航天员已经不再年轻,但他们仍用毅力和汗水将枯燥的重复性训练坚持了下来。虽然神舟六号的航天员只有两名,但在备战任务的两年多时间里,每一个航天员都力求以最好的成绩接受祖国挑选。
2005年8月24日,航天员评选委员会决定,由费俊龙和聂海胜组成的乘组执行神舟六号任务。费俊龙比较活泼,他是空军航校教员出身,是14名航天员中唯一的特级飞行员,在处理事情时协调能力很强;聂海胜在神舟五号任务时就是首飞梯队成员,他性格稳重,做事踏实,有很好的配合精神。
10月12日凌晨5时05分,航天员出征仪式即将开始的时刻,一片降雨云系忽然到达发射场区上空。由于强低温的缘故,降雨变成了降雪,雪花洋洋洒洒地飘落了下来。就在人们纷纷猜测神舟六号能否按时发射时,费俊龙和聂海胜走出了“问天阁”,他们把纷纷扬扬的雪花当作壮行的花瓣,踏雪出征。白色的航天服,标准的军礼,出征仪式简洁而有力。让人回味良久的是费俊龙洪亮的声音和聂海胜憨厚的笑容,还有他们相同的表情,透着刚毅,透着信心,透着力量。
5时40分,就在费俊龙和聂海胜登车前往发射场的一刹那,雪花戛然而止,戈壁滩迎来了徐徐清风。
9时整,“点火”命令下达,巨大的轰鸣声中,托举着神舟六号的长征二号F型运载火箭稳稳地离开了发射台。第一次安装在火箭上的摄像头,把火箭一路飞行的画面实时传送到北京航天飞行控制中心的大屏幕上。
12日17时03分,飞船进入第6圈飞行时,北京下达了“打开返回舱平衡阀”的指令。费俊龙离开返回舱座椅,聂海胜用手轻轻护着舱门,费俊龙把助力绳轻轻一拉,熟练地将舱门打开,随即缓缓穿过舱门,进入了轨道舱。
两天后,费俊龙和聂海胜完全适应了太空生活。费俊龙想起,他曾在国外的一些航天资料中看到过航天员在太空做空翻的镜头。他想,如果他也做个空翻,就能让全国人民都看到他们轻松愉快的样子,还可以证明外国航天员能做到的,中国航天员一样能做到。于是,费俊龙蜷曲身体,一连做了4个前空翻。这4个前空翻,用了3分钟时间,以飞船每秒7.8千米的飞行速度计算,一个“跟头”就飞了300多千米。费俊龙用自信而极富创造性的工作,将祖国的荣耀又一次写上了太空。
神舟六号飞船发射返回全程图
10月17日凌晨,神舟六号在飞行了近5天,绕地球77周,行程325万千米之后,回到祖国的怀抱。随着这次任务以零缺陷圆满收官,我国已经掌握了飞船较长时间在轨载人飞行的技术。