科学史：为中国空间站打造防护“铠甲”

为中国空间站打造防护“铠甲”如今，中国空间站已在轨安全运行一年多，经受住恶劣空间环境的严峻考验，保障了航天员安全顺利出舱，成功完成多项空间科学任务——这些，都离不开航天科技集团五院总体设计部空间碎片防护设计团队。20年来，该团队通过不懈探索与努力，打造出固若金汤的防护“铠甲”，为中国空间站长期在轨安全运行提供了强大的空间碎片防护能力。“空间碎片行动计划”的起源宇宙无垠，空间轨道资源却并非无限。最具应用价值的地球轨道主要集中在2000公里以下的轨道区域，而这里也成为空间碎片的“集散地”。空间碎片是指人类空间活动的产物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间碰撞产生的碎块等，是空间环境的主要污染源。“载人飞船是典型的低轨道航天器，其轨道所处区域空间碎片密度较大，碎片的撞击对飞船运行的可靠性和安全性构成严重威胁。特别是当航天员进行舱外活动时，由于失去了舱壁的保护，碎片撞击的危害会更加严重，甚至直接威胁到航天员的生命安全。”航天科技集团五院动力学专家曲广吉介绍。1993年，全世界主要航天国家发起成立了机构间空间碎片协调委员会（IADC），空间碎片问题正式进入世界航天领域的研究范畴。2000年，在国家财政的支持下，国防科工委组织实施了“空间碎片技术研究”专项，并制定了“空间碎片行动计划”。从无到有，天宫一号经受住考验从2002年起，航天科技集团五院总体设计部曲广吉、杨雷、闫军等专家敏锐地察觉到空间碎片领域对未来载人航天的重要性，迅速开始组建团队，逐渐形成以航天科技集团五院动力学专业研发副总师闫军研究员为带头人、老中青技术骨干为主的技术力量，全面启动了空间碎片领域的技术储备进程。当时，国内有空间碎片防护概念的人寥寥无几，相关技术资料也屈指可数。于是，在每周一次的技术讨论会上，大家畅所欲言，分享最新获得的信息，表达自己的感悟和困惑，让思想的火花在交流碰撞中尽情迸发。短短几年，团队完成一系列相关课题项目，突破数学建模、编程语言开发、编程算法推演等多项关键技术，成功开发出“空间碎片风险评估与防护设计软件”，相关成果得到国际同行的认可。2005年，在天宫一号初样设计之际，团队多次汇报空间碎片的危害及对策。型号总指挥、总设计师经过慎重考虑，决定在天宫一号上率先开展空间碎片防护设计，并指定由他们来承担天宫一号空间碎片评估及防护设计的全部工作。面对空间碎片防护技术的首次工程应用，团队成员们如履薄冰，多次向总体设计师、结构设计师、热控设计师们请教与沟通，深入了解总体和分系统设计需求。为了尽量减少重量，他们通过大量试验，大胆提出利用辐射器担当部分防护功能的思路，充分利用舱外原有的辐射器作为防护板，在只增加支撑柱重量的情况下，把舱体防护能力提高了3倍多。同时，通过把辐射器管路更改为内藏式设计，显著减小了辐射器管路的单点失效概率。在航天科技集团五院新飞船试验船技术负责人杨雷看来，天宫一号的防护设计，“完美结合了超高速撞击防护理念与工程中简单、经济、可靠等原则”。2011年9月29日，天宫一号发射成功。作为我国首个使用空间碎片防护设计的航天器，天宫一号于在轨四年半的时间里经受住空间碎片环境的考验，表明我国空间碎片防护技术取得重大突破。防护设计新进程全面启动在天宫一号防护工程实践快要收官时，该团队又开始着眼我国载人航天三期工程，针对空间站更长的在轨时间、更大的组装规模、更苛刻的防护需求，全面启动了防护设计新进程。他们以自主可控和可持续发展为宗旨，提出“材料立足国内、指标对标国际”的研发原则，决定开发性能更先进的复合材料填充式防护结构。第一关要攻克材料问题。“我们独辟蹊径提出了‘基于冲击压力的防护材料评估方法’，定量评估材料防护性能，从国内几十种复合材料中筛选出具有防护潜力的两种材料，后续撞击试验与前期评估结果完全吻合。”闫军说。关键的第一关突破后，他们又通过数百次数值仿真计算和试验，掌握了复合材料的重量和位置等参数对防护性能的影响规律。后续，设计师就可以