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将太空环境搬回实验室──记者走进天津航天机电设备研究所

   日期:2020-12-21     浏览:716    
核心提示:为了真实地验证“精准接,无缝转”的交会对接和样品转移过程,需要在地面开展GNC全物理仿真试验,而这个试验就是在天津市微低重力环境模拟技术重点实验室完成的。近日记者来到位于高新区的天津航天机电设备研究所,探访这个“将太空环境搬回地球”的实验室。
        近日,“嫦娥五号”探测器探月任务圆满完成。探月返回过程中,轨道器、返回器组合体与上升器能否完成交会对接是决定“嫦娥五号”是否可以将月壤带回地球的关键环节之一。为了真实地验证“精准接,无缝转”的交会对接和样品转移过程,需要在地面开展GNC全物理仿真试验,而这个试验就是在天津市微低重力环境模拟技术重点实验室完成的。近日记者来到位于高新区的天津航天机电设备研究所,探访这个“将太空环境搬回地球”的实验室。

走进实验室,总面积达1200平方米的大型超平支撑平台吸引了记者的注意。据了解, 平台本体是由200块特供的天然济南青花岗岩拼接而成的,济南青花岗岩具有抗压强度高、耐腐蚀等良好的物理特性,是建造大平台的理想材料,但只在特定区域产出,且产量很少。在设计之初科研人员曾考虑过铸铁,但是铸铁的平台维护性较差,手触、生锈、除锈都会破坏平台的平整度,最终还是选择了济南青花岗岩。

“地面交会对接试验使用的敏感器和执行器都是真实产品,要模拟它们在太空环境中的对接状态,需要用通过发动机喷嘴喷气产生的只有数十牛的推力来让数吨重的模拟器改变轨道和姿态。” 实验室技术负责人李跃华告诉记者,“为此,研究所研制了总面积达1200平方米,单块平台水平度达到2角秒,拼缝高度差达到10微米的大型超平支撑平台。保证‘嫦娥五号’的模拟器在平台上进行近乎无摩擦的运动,从而验证探测器交会对接过程中的制导、导航与控制技术。”

除了选材,大型超平支撑平台在建设时从地基、支撑机构、平台本体到控制系统和调平系统等多方面都充满了挑战。针对天津的地质条件,科研人员采用摩擦桩和高标号水泥浇筑的方法,为整个大平台建设提供了一个稳定的基础。为了加强设备基础与支撑调节机构之间的连接贴合性与接触刚度,科研人员还将高精度的花岗岩垫石浇注在地基内。

地基与平台之间采用的支撑调节机构是天津航天机电设备研究所具备自主知识产权的产品。每块平台下方由六套支撑调节机构进行调节,由于三点确定一个平面,因此,其中三根为主支撑,负责调节平台位姿;三根为辅助支撑,负责增加平台的支撑刚度,1200根支撑调节机构,保证了开展试验的模拟器即便在最恶劣工况下仍能顺利通过拼接缝。

控制系统是平台下方1200根支撑调节机构的大脑,负责接收检测车回传的平台水平度数据,并精确计算每个支撑的运行量。天津航天机电设备研究所科研人员设计了基于CANopen总线的分布式控制系统,通过闭环控制,保障了调节精度要求。

要将200块3米×2米的花岗岩调整到水平度和拼接缝高度满足试验参数要求,工作量极其庞大且繁琐,且数据差之毫厘,谬之千里。“我们研制了自主巡航的检测车对整个平台进行精度测量和自动调平,相比传统人工检测与调节,调节时间从1—2个月缩短到24小时,大幅提高了工作效率和支撑平台的保障能力。” 李跃华告诉记者。

“大型超平支撑平台”是气浮式微重力试验研究的基础设施,在其上能够开展大量的试验研究工作。目前除“嫦娥五号”任务外,该平台还开展了空间站大型展开机构等十余项各类型号和创新的试验任务。未来还将为载人登月、空间编队飞行、深空探测等重大工程任务提供强有力的支撑。

“大型超平支撑平台的成功研制使我国彻底告别了手工调试平台的历史,气浮支撑平台物理仿真一举跃进世界领先水平。”李跃华表示。后续,天津航天机电设备研究所将不断迭代发展大型超平支撑平台技术和低微重力模拟仿真技术,为更多的用户提供优质的服务。

 
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