“神六”与计量趣话

中国计量科学研究院  卢敬叁

    从“东方红”到“神一”再到“神六”，中华儿女期待了很久、很久。那是几代人的梦想啊!2005年10月12日9时整，大漠震颤，烈焰升腾，巨龙喷射出耀眼的火光，“神舟”六号载人飞船在火箭的推动下直冲蓝天，全世界的目光一齐仰望追踪。中华儿女为之振奋而自豪。
    那么，在火箭与飞船发射中，计量是怎样发挥作用的，又含有什么有趣的知识？本文就此说几件有意思的计量事例吧。
    

一、速度关系到发射的成败

    在我国的航天事业中，在火箭、卫星、飞船的制造中，在发射、运行、返回的每个重要环节中，计量科学技术都发挥着重要的作用。比如，在火箭点火的那一瞬间，是火箭发射成功与否最关键的一瞬。火箭在运行时，时间、速度、角度、温度、通信等计量数据必须精确，否则自动控制就无法进行。卫星进入轨道的过程中，要使卫星能围绕地球运转，卫星运行的速度必须达到每秒7.9公里；要摆脱地球的引力，其速度必须达到每秒11.2公里；要使航天器脱离太阳系，其速度必须达到16.7公里。那么我国“神六”的速度是多少呢？当然要符合上述速度计量标准，每秒达到7.820185公里，时速是2.8万公里，90分钟绕地球一圈，共77圈，共飞行115小时32分钟，行程约325万公里。在科学实验中，飞机和“神六”的速度相比，超音速飞机实验时的最高时速约为1.12万公里，实验性汽车的最高时速约为696公里。可见在航天科技中，速度计量的准确与否是非常关键的。
    

二、42.4度角使飞船安全升空与着陆

    42.4度角是我国“神六”飞船升空与返回地面的角度，这个角度是设计的，还是一种巧合呢？事实是这样的，神舟六号飞船上升段飞行时间为583.828秒，把飞船送入椭圆轨道，前角是42.4度，可飞船返回着陆场也是位于42.4度，飞船在飞行时每次经过42.4度角时，也就是能通过着陆点一次，每天至少一次能有返回的机会。如果对着陆场要求不高的话，大约每天有两三次返回的机会。航天员返回还要具备一个条件，那就是圆形轨道。
    飞船入轨轨道近地点是200公里，远地点是347公里。第5圈时变为圆轨道，变轨距地面343公里。这是因为第1圈至第5圈由于受大气阻力影响，每圈降低1公里，因此飞船远地点高度347公里降为343公里。这样在重力场一样的情况下，一方面有利于科学实验，而且有利于航天员紧急救生，如果飞船座舱出现意外，随时启动返回地面。这说明飞船升空和返回的角度是在设计之中的。飞船有一套自动测试系统，什么时候制动，什么时候轨道舱和返回舱分离，包括调姿的角度，落点准确度，返回打开伞后的风大风小偏离距离的修正都在设计之中。
    

三、双马屁股为标准的沿革

    古罗马人使用两匹马拉车，车轮在石板路上磨出两道沟。由于车轮宽窄不一样，路上留下了不同宽窄的沟。这样路面就出现了高低不平的情况。后来，他们想把轮距统一起来，解决路面不平的问题，于是，就把两匹马并排，两匹马的屁股宽度当成标准，宽度为1.435米，后来英国人修铁路把铁轨轨距定为1.435米，这个标准被各国所沿用，按照这个轨距修铁路，这样能够使运输的货物最宽为3.72米，去掉车厢外壳，只剩下3.35米。因此，用标准铁路进行运输的火箭最大直径只能达到3.35米。为了方便运输，所以火箭芯级设计为3.35米。当然“神六”也不例外了。
    

四、志在九天上，细在毫微间

    神舟六号飞船有五大“器官”:“眼睛”可直播航天员的活动；“口耳”可让航天员与地面联系；“手臂”遥控飞船姿态；“神经”为飞船传递指令信息。而这些功能的实现都离不开计量科学技术的保障。载人航天是一个浩大的工程，更是一个极其精细的工程。在飞船研制过程中，条条框框繁多，手续多如牛毛。只有这样才能保证飞船没有缺陷，成为高可靠的精品。就说零部件生产加工吧，每一个零部件的尺寸都要进行非常精细的控制，不允许有超差，一旦出现超差就是废品。对于每一个设备产品出厂装船合盖前，要经过无数道关的检验、拍照，看其状态是否合格。对电子设备要严格检查双点引线的状况，必须要测出两点都是独立的，测了后要有严格记录，因为一旦合盖后，两个点引线是没法再测的。对于火工产品和机械设备，都要进行X光和CT等无损探伤检测，并保留照片，确保合格，而且这些工作都要归档保存。
    飞船中的每一台设备都是和其他设备配合工作的，科技人员为每一台设备的周围都设计了专用的被称之为“地检”设备的装置，对模拟设备装船以后进行环境试验，在单机生产完成后，再用“地检”设备进行性能模拟测试。检测之后交付给分系统。分系统再进行复测，检测后交整船，再进行测试，神舟六号飞船有600多台设备、十几万个元器件、数百万个焊点，都必须保证100%的合格。在神舟飞船的研制过程中，就是通过这样大量的试验、检测、验证，使每一个产品、设备都能保证过硬的质量，最终保证航天任务的圆满完成。
    

五、准确计量确保航天员的安全

    飞船在降落时，以每秒数千米的速度进入大气层，在大气阻力的作用下，速度会迅速下降。距地球15公里左右的高度时，飞船速度将稳定在每秒200米左右。如果飞船以这样的速度冲向地面，返回舱里的航天员就如同从100层高楼上飞身直下，其后果不堪设想。这时就要依靠降落伞把速度降下来。当下降到10公里高度时，返回舱可自动打开伞舱盖，带出引导伞，引导伞再拉出减速伞，减速伞工作16秒时，与返回舱分离，同时拉出主伞，主伞使返回舱下降速度减至每秒8米至10米。飞船即使在每秒8米的速度时着陆，冲击力也可能将航天员的脊柱震断。这时，飞船在即将着陆的一瞬间，也就是距地面1米时，4台反推火箭点火工作，使返回舱速度减至每秒2米以内，使航天员安全着陆。可见，计量的准确保证了航天员生命的安全。
    

六、用秒来控制飞船

    10月12日，在经历了583秒的激情飞行后，“神六”飞船进入预定轨道，开始了5天的太空之旅。可见时间计量583秒对飞船能否飞天成功至关重要。下面的程序可以说明秒的精确计量，确保了飞船成功飞翔的事实。9时0分0秒“点火”；9时02分时，火箭实施第一个分离动作，抛掉了顶部身高8米，状如避雷针的逃逸塔；9时02分16秒火前助推器分离；9时02分39秒时一、二级火箭分离；9时03分20秒整流罩上的32把锁同时开启，两瓣罩体落入空中，露出飞船；9时09分43秒，船箭成功分离，神舟飞船以每秒7.5公里的速度在我国黄海上空200公里高空进入预定轨道。9时39分“神舟”六号飞船发射成功。9时55分，天地通话；11时05分航天员进餐；15时54分45秒，飞船变轨开始，变轨发动机工作了63秒；17时29分航天员打开返回舱与轨道舱之间舱门，进入轨道舱开展科学实验。在距地面343公里太空中的这个小小动作，标志着我国载人航天飞行由“神舟”五号的验证性飞行试验完全过渡到真正意义上有人参与的空间飞行试验。21时30分南太平洋的远望三号测量船对飞船第一次测控取得成功，天地通话7分钟。
    

七、从7800米/秒到1米/秒

    飞船返回降落的过程，就是速度不断下降的过程。在48分钟时间内，“神六”飞船经历了从7800米/秒至1米/秒的生死时速。从343公里高空的圆形轨道上，速度大约在每秒7800米，在接到地面返回指令后，飞船在空中完成姿态调整，将轨道舱与返回舱、推进舱分离。制动发动机工作使飞船下降，脱离原轨道，自由下滑。大约距地面100公里高度时，推进舱与返回舱分离后进入稠密大气层。以每秒数千米的速度进入大气层，与大气层摩擦产生1800摄氏度高温，出现黑障现象，下降至40公里时，黑障现象结束，距15公里高度时，飞船的速度由超音速下降到亚音速，并稳定在每秒200米左右。距地面大约10公里时，引导伞、减速伞打开，速度下降到每秒80米左右，然后减到每秒8米、每秒2米再到每秒1米，最终安全着陆。时间、温度、长度、速度计量得到了精确应用。
    

八、计量挡住太空辐射

    航天员对太空辐射要保持警惕。太空中的“隐形杀手”来自6个方面，航天辐射、乘员舱化学污染、温度聚变、航天噪声、航天振动和冲击、超重及失重。太空中的辐射环境包括电磁辐射和电离辐射。一般来说，电磁辐射，包括无线电波、微波、红外、可见光、紫外线等，但贯穿物体的能力弱一些，对人体的伤害较小。电离辐射可直接或间接地使物质电离或激发，贯穿物质的能力较强，能使物体材料及生物细胞受到损害，对载人航天有较大的影响。为了保证航天员的安全，中国计量科学研究院为我国航天载人飞船的空间辐射测试仪器和X射线无损探伤设备进行检定校准，确保了飞船空间辐射测试仪器的准确可靠。计量院根据卫星搭载的热释光探测器及其他相关方法的测量结果，得到来自银河系宇宙辐射和太阳质子，高能带电粒子辐射，其辐射强度随飞行时间和飞行区域轨道而变化。强大的宇宙空间辐射将对飞船中航天员的身心健康带来伤害。根据搭载的热释光探测器及其他相关方法的测量结果，为我国航天飞船的设计，建立宇宙空间电离辐射系统，以及航天飞船舱内外及航天员个人在飞行过程的辐射水平进行计量研究，提供可靠科学依据。“神六”二人多天载人飞船发射成功，航天飞船舱内及航天员个人在飞行过程中佩带的所有热释光探测器，都经过计量院对刻度进行检定。从而保证了航天飞船舱内外及航天员个人在飞行过程中的辐射安全，获取空间辐射科学数据的准确可靠。中国计量科学研究院还对卫星制造厂送检的X射线探伤仪进行检定、校准，X射线探伤仪在卫星制造过程中用于检查卫星星体焊接部分，数百万个焊点是否有缝隙，以确保卫星整体的坚固，这也是卫星制造过程中重要的环节。
    

九、测天测地测飞船

    测控通信的确是个抽象的概念。没有发射场的壮观场面，看不见、摸不着、闻不到。测控任务主要是跟踪和获取航天器的各种信息，进行计算处理和分析，对航天器进行控制和管理。测控可分为两部分，即外测和内测。外测主要是对航天器在空间的位置进行测量。具体说就是测航天器当前时刻在什么位置、运行轨迹等。内测又称遥测，主要是测量飞船内部各种船载设备、仪器的状态，监测航天员的生理状况，以什么姿态在运行等。
    为了提高轨道准确度，我国创建了一套航天测控轨道的计量方法，准确度可以控制在米量级。使我国航天器返回舱着陆准确度由10公里提高到1公里以内。采用改进了的卫星定姿模型，使我国卫星姿态控制精确到0.1度，达到国际领先水平。对飞船着陆前5到7天内的浅层风力作出准确预报，可以预测飞船着陆时离地面300米以下的气象条件，预报准确率达到85%以上，这在国内还是第一次，在国外也是罕见的。
    

十、航天技术使人类放眼宇宙

    我国是一个能源短缺的国家，近年来，生活中的幕幕景象提醒人们，能源日益紧张，人类的摇篮地球正在资源、环境等问题的困扰下呻吟!怎么办？人类立足地球，放眼长天。科学家预言，21世纪对航天能力的依赖，可以和世纪对电力和石油的依赖相比。人类向宇宙广度和深度进军，是历史发展的必然进程。