“神六”與計量趣話(huà)

中國計量科學(xué)研究院  盧敬叁

    從“東方紅”到“神一”再到“神六”，中華兒女期待了很久、很久。那是幾代人的夢(mèng)想啊!2005年10月12日9時(shí)整，大漠震顫，烈焰升騰，巨龍噴射出耀眼的火光，“神舟”六號載人飛船在火箭的推動(dòng)下直沖藍天，全世界的目光一齊仰望追蹤。中華兒女為之振奮而自豪。
    那么，在火箭與飛船發(fā)射中，計量是怎樣發(fā)揮作用的，又含有什么有趣的知識？本文就此說(shuō)幾件有意思的計量事例吧。
    

一、速度關(guān)系到發(fā)射的成敗

    在我國的航天事業(yè)中，在火箭、衛星、飛船的制造中，在發(fā)射、運行、返回的每個(gè)重要環(huán)節中，計量科學(xué)技術(shù)都發(fā)揮著(zhù)重要的作用。比如，在火箭點(diǎn)火的那一瞬間，是火箭發(fā)射成功與否最關(guān)鍵的一瞬?；鸺谶\行時(shí)，時(shí)間、速度、角度、溫度、通信等計量數據必須精確，否則自動(dòng)控制就無(wú)法進(jìn)行。衛星進(jìn)入軌道的過(guò)程中，要使衛星能?chē)@地球運轉，衛星運行的速度必須達到每秒7.9公里；要擺脫地球的引力，其速度必須達到每秒11.2公里；要使航天器脫離太陽(yáng)系，其速度必須達到16.7公里。那么我國“神六”的速度是多少呢？當然要符合上述速度計量標準，每秒達到7.820185公里，時(shí)速是2.8萬(wàn)公里，90分鐘繞地球一圈，共77圈，共飛行115小時(shí)32分鐘，行程約325萬(wàn)公里。在科學(xué)實(shí)驗中，飛機和“神六”的速度相比，超音速飛機實(shí)驗時(shí)的最高時(shí)速約為1.12萬(wàn)公里，實(shí)驗性汽車(chē)的最高時(shí)速約為696公里?？梢?jiàn)在航天科技中，速度計量的準確與否是非常關(guān)鍵的。
    

二、42.4度角使飛船安全升空與著(zhù)陸

    42.4度角是我國“神六”飛船升空與返回地面的角度，這個(gè)角度是設計的，還是一種巧合呢？事實(shí)是這樣的，神舟六號飛船上升段飛行時(shí)間為583.828秒，把飛船送入橢圓軌道，前角是42.4度，可飛船返回著(zhù)陸場(chǎng)也是位于42.4度，飛船在飛行時(shí)每次經(jīng)過(guò)42.4度角時(shí)，也就是能通過(guò)著(zhù)陸點(diǎn)一次，每天至少一次能有返回的機會(huì )。如果對著(zhù)陸場(chǎng)要求不高的話(huà)，大約每天有兩三次返回的機會(huì )。航天員返回還要具備一個(gè)條件，那就是圓形軌道。
    飛船入軌軌道近地點(diǎn)是200公里，遠地點(diǎn)是347公里。第5圈時(shí)變?yōu)閳A軌道，變軌距地面343公里。這是因為第1圈至第5圈由于受大氣阻力影響，每圈降低1公里，因此飛船遠地點(diǎn)高度347公里降為343公里。這樣在重力場(chǎng)一樣的情況下，一方面有利于科學(xué)實(shí)驗，而且有利于航天員緊急救生，如果飛船座艙出現意外，隨時(shí)啟動(dòng)返回地面。這說(shuō)明飛船升空和返回的角度是在設計之中的。飛船有一套自動(dòng)測試系統，什么時(shí)候制動(dòng)，什么時(shí)候軌道艙和返回艙分離，包括調姿的角度，落點(diǎn)準確度，返回打開(kāi)傘后的風(fēng)大風(fēng)小偏離距離的修正都在設計之中。
    

三、雙馬屁股為標準的沿革

    古羅馬人使用兩匹馬拉車(chē)，車(chē)輪在石板路上磨出兩道溝。由于車(chē)輪寬窄不一樣，路上留下了不同寬窄的溝。這樣路面就出現了高低不平的情況。后來(lái)，他們想把輪距統一起來(lái)，解決路面不平的問(wèn)題，于是，就把兩匹馬并排，兩匹馬的屁股寬度當成標準，寬度為1.435米，后來(lái)英國人修鐵路把鐵軌軌距定為1.435米，這個(gè)標準被各國所沿用，按照這個(gè)軌距修鐵路，這樣能夠使運輸的貨物最寬為3.72米，去掉車(chē)廂外殼，只剩下3.35米。因此，用標準鐵路進(jìn)行運輸的火箭最大直徑只能達到3.35米。為了方便運輸，所以火箭芯級設計為3.35米。當然“神六”也不例外了。
    

四、志在九天上，細在毫微間

    神舟六號飛船有五大“器官”:“眼睛”可直播航天員的活動(dòng)；“口耳”可讓航天員與地面聯(lián)系；“手臂”遙控飛船姿態(tài)；“神經(jīng)”為飛船傳遞指令信息。而這些功能的實(shí)現都離不開(kāi)計量科學(xué)技術(shù)的保障。載人航天是一個(gè)浩大的工程，更是一個(gè)極其精細的工程。在飛船研制過(guò)程中，條條框框繁多，手續多如牛毛。只有這樣才能保證飛船沒(méi)有缺陷，成為高可靠的精品。就說(shuō)零部件生產(chǎn)加工吧，每一個(gè)零部件的尺寸都要進(jìn)行非常精細的控制，不允許有超差，一旦出現超差就是廢品。對于每一個(gè)設備產(chǎn)品出廠(chǎng)裝船合蓋前，要經(jīng)過(guò)無(wú)數道關(guān)的檢驗、拍照，看其狀態(tài)是否合格。對電子設備要嚴格檢查雙點(diǎn)引線(xiàn)的狀況，必須要測出兩點(diǎn)都是獨立的，測了后要有嚴格記錄，因為一旦合蓋后，兩個(gè)點(diǎn)引線(xiàn)是沒(méi)法再測的。對于火工產(chǎn)品和機械設備，都要進(jìn)行X光和CT等無(wú)損探傷檢測，并保留照片，確保合格，而且這些工作都要歸檔保存。
    飛船中的每一臺設備都是和其他設備配合工作的，科技人員為每一臺設備的周?chē)荚O計了專(zhuān)用的被稱(chēng)之為“地檢”設備的裝置，對模擬設備裝船以后進(jìn)行環(huán)境試驗，在單機生產(chǎn)完成后，再用“地檢”設備進(jìn)行性能模擬測試。檢測之后交付給分系統。分系統再進(jìn)行復測，檢測后交整船，再進(jìn)行測試，神舟六號飛船有600多臺設備、十幾萬(wàn)個(gè)元器件、數百萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)，都必須保證100%的合格。在神舟飛船的研制過(guò)程中，就是通過(guò)這樣大量的試驗、檢測、驗證，使每一個(gè)產(chǎn)品、設備都能保證過(guò)硬的質(zhì)量，最終保證航天任務(wù)的圓滿(mǎn)完成。
    

五、準確計量確保航天員的安全

    飛船在降落時(shí)，以每秒數千米的速度進(jìn)入大氣層，在大氣阻力的作用下，速度會(huì )迅速下降。距地球15公里左右的高度時(shí)，飛船速度將穩定在每秒200米左右。如果飛船以這樣的速度沖向地面，返回艙里的航天員就如同從100層高樓上飛身直下，其后果不堪設想。這時(shí)就要依靠降落傘把速度降下來(lái)。當下降到10公里高度時(shí)，返回艙可自動(dòng)打開(kāi)傘艙蓋，帶出引導傘，引導傘再拉出減速傘，減速傘工作16秒時(shí)，與返回艙分離，同時(shí)拉出主傘，主傘使返回艙下降速度減至每秒8米至10米。飛船即使在每秒8米的速度時(shí)著(zhù)陸，沖擊力也可能將航天員的脊柱震斷。這時(shí)，飛船在即將著(zhù)陸的一瞬間，也就是距地面1米時(shí)，4臺反推火箭點(diǎn)火工作，使返回艙速度減至每秒2米以?xún)?，使航天員安全著(zhù)陸?？梢?jiàn)，計量的準確保證了航天員生命的安全。
    

六、用秒來(lái)控制飛船

    10月12日，在經(jīng)歷了583秒的激情飛行后，“神六”飛船進(jìn)入預定軌道，開(kāi)始了5天的太空之旅?？梢?jiàn)時(shí)間計量583秒對飛船能否飛天成功至關(guān)重要。下面的程序可以說(shuō)明秒的精確計量，確保了飛船成功飛翔的事實(shí)。9時(shí)0分0秒“點(diǎn)火”；9時(shí)02分時(shí)，火箭實(shí)施第一個(gè)分離動(dòng)作，拋掉了頂部身高8米，狀如避雷針的逃逸塔；9時(shí)02分16秒火前助推器分離；9時(shí)02分39秒時(shí)一、二級火箭分離；9時(shí)03分20秒整流罩上的32把鎖同時(shí)開(kāi)啟，兩瓣罩體落入空中，露出飛船；9時(shí)09分43秒，船箭成功分離，神舟飛船以每秒7.5公里的速度在我國黃海上空200公里高空進(jìn)入預定軌道。9時(shí)39分“神舟”六號飛船發(fā)射成功。9時(shí)55分，天地通話(huà)；11時(shí)05分航天員進(jìn)餐；15時(shí)54分45秒，飛船變軌開(kāi)始，變軌發(fā)動(dòng)機工作了63秒；17時(shí)29分航天員打開(kāi)返回艙與軌道艙之間艙門(mén)，進(jìn)入軌道艙開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗。在距地面343公里太空中的這個(gè)小小動(dòng)作，標志著(zhù)我國載人航天飛行由“神舟”五號的驗證性飛行試驗完全過(guò)渡到真正意義上有人參與的空間飛行試驗。21時(shí)30分南太平洋的遠望三號測量船對飛船第一次測控取得成功，天地通話(huà)7分鐘。
    

七、從7800米/秒到1米/秒

    飛船返回降落的過(guò)程，就是速度不斷下降的過(guò)程。在48分鐘時(shí)間內，“神六”飛船經(jīng)歷了從7800米/秒至1米/秒的生死時(shí)速。從343公里高空的圓形軌道上，速度大約在每秒7800米，在接到地面返回指令后，飛船在空中完成姿態(tài)調整，將軌道艙與返回艙、推進(jìn)艙分離。制動(dòng)發(fā)動(dòng)機工作使飛船下降，脫離原軌道，自由下滑。大約距地面100公里高度時(shí)，推進(jìn)艙與返回艙分離后進(jìn)入稠密大氣層。以每秒數千米的速度進(jìn)入大氣層，與大氣層摩擦產(chǎn)生1800攝氏度高溫，出現黑障現象，下降至40公里時(shí)，黑障現象結束，距15公里高度時(shí)，飛船的速度由超音速下降到亞音速，并穩定在每秒200米左右。距地面大約10公里時(shí)，引導傘、減速傘打開(kāi)，速度下降到每秒80米左右，然后減到每秒8米、每秒2米再到每秒1米，最終安全著(zhù)陸。時(shí)間、溫度、長(cháng)度、速度計量得到了精確應用。
    

八、計量擋住太空輻射

    航天員對太空輻射要保持警惕。太空中的“隱形殺手”來(lái)自6個(gè)方面，航天輻射、乘員艙化學(xué)污染、溫度聚變、航天噪聲、航天振動(dòng)和沖擊、超重及失重。太空中的輻射環(huán)境包括電磁輻射和電離輻射。一般來(lái)說(shuō)，電磁輻射，包括無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)等，但貫穿物體的能力弱一些，對人體的傷害較小。電離輻射可直接或間接地使物質(zhì)電離或激發(fā)，貫穿物質(zhì)的能力較強，能使物體材料及生物細胞受到損害，對載人航天有較大的影響。為了保證航天員的安全，中國計量科學(xué)研究院為我國航天載人飛船的空間輻射測試儀器和X射線(xiàn)無(wú)損探傷設備進(jìn)行檢定校準，確保了飛船空間輻射測試儀器的準確可靠。計量院根據衛星搭載的熱釋光探測器及其他相關(guān)方法的測量結果，得到來(lái)自銀河系宇宙輻射和太陽(yáng)質(zhì)子，高能帶電粒子輻射，其輻射強度隨飛行時(shí)間和飛行區域軌道而變化。強大的宇宙空間輻射將對飛船中航天員的身心健康帶來(lái)傷害。根據搭載的熱釋光探測器及其他相關(guān)方法的測量結果，為我國航天飛船的設計，建立宇宙空間電離輻射系統，以及航天飛船艙內外及航天員個(gè)人在飛行過(guò)程的輻射水平進(jìn)行計量研究，提供可靠科學(xué)依據?！吧窳倍硕嗵燧d人飛船發(fā)射成功，航天飛船艙內及航天員個(gè)人在飛行過(guò)程中佩帶的所有熱釋光探測器，都經(jīng)過(guò)計量院對刻度進(jìn)行檢定。從而保證了航天飛船艙內外及航天員個(gè)人在飛行過(guò)程中的輻射安全，獲取空間輻射科學(xué)數據的準確可靠。中國計量科學(xué)研究院還對衛星制造廠(chǎng)送檢的X射線(xiàn)探傷儀進(jìn)行檢定、校準，X射線(xiàn)探傷儀在衛星制造過(guò)程中用于檢查衛星星體焊接部分，數百萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)是否有縫隙，以確保衛星整體的堅固，這也是衛星制造過(guò)程中重要的環(huán)節。
    

九、測天測地測飛船

    測控通信的確是個(gè)抽象的概念。沒(méi)有發(fā)射場(chǎng)的壯觀(guān)場(chǎng)面，看不見(jiàn)、摸不著(zhù)、聞不到。測控任務(wù)主要是跟蹤和獲取航天器的各種信息，進(jìn)行計算處理和分析，對航天器進(jìn)行控制和管理。測控可分為兩部分，即外測和內測。外測主要是對航天器在空間的位置進(jìn)行測量。具體說(shuō)就是測航天器當前時(shí)刻在什么位置、運行軌跡等。內測又稱(chēng)遙測，主要是測量飛船內部各種船載設備、儀器的狀態(tài)，監測航天員的生理狀況，以什么姿態(tài)在運行等。
    為了提高軌道準確度，我國創(chuàng )建了一套航天測控軌道的計量方法，準確度可以控制在米量級。使我國航天器返回艙著(zhù)陸準確度由10公里提高到1公里以?xún)?。采用改進(jìn)了的衛星定姿模型，使我國衛星姿態(tài)控制精確到0.1度，達到國際領(lǐng)先水平。對飛船著(zhù)陸前5到7天內的淺層風(fēng)力作出準確預報，可以預測飛船著(zhù)陸時(shí)離地面300米以下的氣象條件，預報準確率達到85%以上，這在國內還是第一次，在國外也是罕見(jiàn)的。
    

十、航天技術(shù)使人類(lèi)放眼宇宙

    我國是一個(gè)能源短缺的國家，近年來(lái)，生活中的幕幕景象提醒人們，能源日益緊張，人類(lèi)的搖籃地球正在資源、環(huán)境等問(wèn)題的困擾下呻吟!怎么辦？人類(lèi)立足地球，放眼長(cháng)天?？茖W(xué)家預言，21世紀對航天能力的依賴(lài)，可以和世紀對電力和石油的依賴(lài)相比。人類(lèi)向宇宙廣度和深度進(jìn)軍，是歷史發(fā)展的必然進(jìn)程。