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空间站里有个“超级维修工厂”

来源:中国科学报 高雅丽  发表时间:2022-12-1 10:00:30   浏览:

  11月29日,神舟十五号载人飞船发射成功,并于30日成功与空间站天和核心舱对接。神十五与神十四航天员成功会师。

  就在前不久,梦天实验舱成功发射,与天和核心舱、问天实验舱形成了空间站“T”字基本构型组合体,让航天员在太空住上了“三室大豪宅”。

  梦天实验舱搭载了8个科学实验柜,其中最特殊的就是在线维修装调操作柜(以下简称在线柜)。它像一个“超级维修工厂”,确保航天员在空间站住得舒心、科学实验做得顺心。

  在近日的《中国科学报社——走进国家太空实验室/系列直播特别节目》上,来自中科院空间应用工程与技术中心的实验柜总体主任设计师张立宪、在轨气液支持主任设计师薛晶、电子学主任设计师李策、在线柜副主任设计师王金准4位专家,对科学实验柜进行了详细解读。

  打造空间实验“梦工厂”

  此次梦天实验舱搭载的8个科学实验柜,每一个都相当于综合性的领域实验室。这些实验室看起来整洁舒适,丝毫不见盘根错节的线缆、管路,这归功于科学家前期的规划。

  据张立宪介绍,科学实验柜由基础支撑系统和科学实验系统两部分构成。科学家对其中较共性的结构安装、基础电子学与热控功能进行提炼,统一开发研制高水平基础支撑系统,使得科学实验柜“对外接口一致、对内接口规范”,便于航天员操作和长期运营保障,也方便不同实验柜的科学家团队根据规范来设计不同的科学仪器设备。

  为了尽可能完成更多实验,所有科学设施都要装在柜子中。那么,如何让实验柜“既轻便又牢固”?

  张立宪说:“在实验柜建造期间,通过多轮次‘材料优选、轻量化设计、仿真分析、力学试验验证’的迭代,使实验柜具备以不到100千克的柜体主结构承载500千克重量的优异承载性能。”

  如果把空间站比作一个大房子,科学实验柜就是里面的“家用电器”,自然需要用电和网络通信。

  李策说:“实验柜做了特别设计,具有自我保护能力。每个实验柜都被分配了一定功率的电力,其中大约4/5分配给了科学实验系统,另外的1/5则用于基础保障设施。每个实验柜有8路1000兆的网络供给,以传输实验数据。此外,实验柜还能通过光纤和空间站其他设备进行数据传输,在通信方面最大化满足科学实验需求。”

  科学实验柜中,不同的科学载荷会有不同的散热需求,有的科学家希望设备用液体散热,有的则希望用风冷散热。因此,气、液多场自适应快速重构的模块化热控应运而生。它是每个实验顺利进行的“幕后英雄”。

  “地面上风扇是很常见的冷源,热量吹到空气里,很快就会消散掉。但是在轨的风扇可不是随便用的,既要考虑设备是否会被吹跑,又要考虑热气吹向哪里。相比之下,液冷散热效率更高、路径更清晰。”薛晶说。

  变身“超级维修工”

  在线柜最核心的部分是一个非常大的多功能操作箱——在线维修操作支持单元,有效操作体积在360升以上。

  “操作箱前面有个透明的面板,航天员可以透过它看到箱内环境,并通过面板上的两个操作孔,利用手套,从外部对箱体内的载荷进行操作。此外,航天员还可以把透明面板打开,直接对里面的载荷进行操作。不仅如此,箱体内部还有监测温度、湿度、压差的传感器,相机和照明设备,供电、信息接口,液体、气体接口。”王金准说。

  如果空间站内的科学实验产生了废弃物质,在线柜还装有一套风路循环系统,可以同时实现风冷散热、废弃颗粒物吸附和部分气体的吸收处理。

  梦天实验舱配备的科学载荷,尺寸不一,会有不同的维修需求。对此,在线柜做了充分准备。

  在线柜配备有一套7自由度的灵巧机械手,可以实现多种类的精密操作,操作精度达0.1毫米。航天员可将有需要的载荷放到底部作业台上进行维修,充分利用箱内现有资源。

  如果需要维修的载荷尺寸很大,在线柜还额外设计了一个可展开的移动维修平台,折叠存放于箱体下方。

  “航天员使用的时候,可以把移动维修平台抽出展开,固定在柜子的任意高度上,一个拓展式的操作平台就架设好了。这个平台可提供多种固定方式,以适应不同载荷。”王金准说。

  最特别的是,在线柜还有一套基于增强现实技术的智能诱导维修系统,可以让航天员秒变“超级维修工”。

  王金准介绍,航天员如果需要维修一些复杂的设备,可以不再使用传统的说明书、操作手册等产品,戴上增强现实眼镜,配合诱导维修软件的指引,在真实的待操作产品上叠加预先制作好的操作指引动画,按动画进行操作即可。

  “航天员还可以直接在虚拟界面上选择需要的操作步骤演示,这样能够更轻松、清晰、直观地了解操作过程,并完成操作。”王金准说。

  (原载于《中国科学报》 2022-12-01 第3版 综合)
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