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計量論壇

標(biāo)題: [02-20] 神六與計量趣話 [打印本頁]

作者: admin 時間: 2006-2-20 23:40
標(biāo)題: [02-20] 神六與計量趣話
從“東方紅”到“神一”再到“神六”，中華兒女期待了很久、很久。那是一代又一代，多少人的夢想啊！2005年10月12日9時整，大漠震顫，烈焰升騰，巨龍噴射出耀眼的火光，神六飛船在火箭的推動下直沖藍(lán)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，又有什么有趣的知識發(fā)生？本文就以數(shù)字計量說幾件有意思事例吧。

一、速度關(guān)系到發(fā)射的成敗

在我國的航天事業(yè)中，計量在火箭、衛(wèi)星、飛船的制造中，在發(fā)射、運(yùn)行、返回的個個環(huán)節(jié)中，計量科學(xué)技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用。比如，在火箭點(diǎn)火的1秒那一瞬間，是火箭發(fā)射成功與否最關(guān)鍵的一瞬。火箭在運(yùn)行時，時間、速度、角度、溫度、通信等計量數(shù)據(jù)必須精確，否則自動控制就無法進(jìn)行。衛(wèi)星進(jìn)入軌道的過程中，要擺脫地球的引力，其速度必須達(dá)到每秒11.2公里；要使衛(wèi)星能圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，衛(wèi)星運(yùn)行的速度必須達(dá)到每秒7.9公里；要使航天器脫離太陽系，其速度必須達(dá)到16.7公里。那么我國神六飛船的速度是多少呢？當(dāng)然要符合上述速度計量標(biāo)準(zhǔn)，每秒達(dá)到了7.820185公里，時速是2.8萬公里，共77圈，90分鐘繞地球一圈，共飛行115小時32分鐘，行程約325萬公里。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，飛機(jī)和神六的速度相比，超聲速飛機(jī)實(shí)驗(yàn)時的最高時速約為1.12萬公里，實(shí)驗(yàn)性汽車的最高時速約為696公里。可見在航天科技中，速度計量的準(zhǔn)確與否是非常關(guān)鍵的。

二、42.4度角使飛船安全升空與著陸

42.4度角是我國神六飛船升空與返回地面的角度，這個角度是設(shè)計中設(shè)計的，還是一種巧合呢？實(shí)事是這樣的，神舟六號飛船上升段飛行時間為583.828秒，把飛船送入橢圓軌道，前角是42.4度，可飛船返回著陸場也是位于42.4度，飛船在飛行時每次經(jīng)過42.4度角時，也就是能通過著陸點(diǎn)一次，每天至少一次能有返回的機(jī)會。如果對著陸場要求不高的話，大約每天有兩三次返回的機(jī)會。航天員返回還要具備一個條件，那就是圓形軌道。

飛船入軌軌道近地點(diǎn)是200公里，運(yùn)地點(diǎn)是347公里。第5圈時變?yōu)閳A軌道，變軌距地面343公里。這是因?yàn)榈?圈至第5圈由于大氣阻力影響，每圈降底1公里，因此飛船遠(yuǎn)地點(diǎn)高度347公里降為343公里。這樣在重力場一樣的情況下，一方面有利于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且有利于航天員緊急救生，如果與飛船座艙出現(xiàn)意外，隨時啟動返回地面。這說明飛船升空和返回的角度是在設(shè)計之中的。飛船有一套自動測試系統(tǒng)，什么時候制動，什么時候軌道艙和返回艙分離，包括調(diào)姿的角度，落點(diǎn)精度，返回打開傘后的風(fēng)大風(fēng)小偏離距離的修正都在設(shè)計中。

三、雙馬屁股為標(biāo)準(zhǔn)的沿革

古羅馬人使用兩匹馬拉車，車輪在石板路上磨出兩道溝。由于車輪寬窄不一樣，路上留下了不同寬窄的溝。這樣路面就出現(xiàn)了高低不平的情況。后來，他們想把輪距統(tǒng)一起來，解決路面不平的問題，于是，就把兩匹馬并排，兩匹馬的屁股寬度當(dāng)成標(biāo)準(zhǔn)，寬度為1.435米，后來英國人修鐵路把鐵軌軌距定為1.435米，這個標(biāo)準(zhǔn)被各國所沿用，按照這個軌距修鐵路，這樣能夠使運(yùn)輸?shù)呢浳镒顚挒?.72米，去掉車廂外殼，只剩下3.35米。因此，用標(biāo)準(zhǔn)鐵路進(jìn)行運(yùn)輸?shù)幕鸺畲笾睆街荒苓_(dá)到3.35米。為了方便運(yùn)輸，所以火箭芯級設(shè)計為3.35米。那么，我國的火箭直徑是多少呢，當(dāng)然也不例外了。

四、志在九天上，細(xì)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；“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(xiàn)都離不開計量科學(xué)技術(shù)的保障。載人航天是一個浩大的工程，更是一個極其精細(xì)的工程。在飛船研制過程中，條條框框繁多，手續(xù)多如牛毛。只有這樣才能保證飛船沒有缺陷，成為高可靠的精品。就說零部件生產(chǎn)加工吧，每一個零部件的尺寸都要進(jìn)行非常精細(xì)的控制，不允許有超差，一但出現(xiàn)超差就是廢品。對于每一個設(shè)備產(chǎn)品出廠裝船合蓋前，要經(jīng)過無數(shù)道關(guān)的檢驗(yàn)、拍照，看其狀態(tài)是否合格。對電子設(shè)備要嚴(yán)格檢查雙點(diǎn)引線的狀況，必須要測出兩點(diǎn)都是獨(dú)立的，測了后要有嚴(yán)格記錄，因?yàn)橐坏┖仙w后，兩個點(diǎn)引線是沒法再測的。對于火工產(chǎn)品和機(jī)械設(shè)備，都要進(jìn)行X光和CT等無損探傷檢測，并保留照片，確保合格，而且這些工作都要?dú)w擋保存。

飛船中的每一臺設(shè)備都是和其它設(shè)備配合工作的，科技人員為每一臺設(shè)備周圍都設(shè)計了專用的被稱之為“地檢”設(shè)備的裝置，對摸擬設(shè)備裝船以后進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，在單機(jī)生產(chǎn)完成后，在用“地檢”設(shè)備進(jìn)行性能模擬測試。檢測之后交付給分系統(tǒng)。分系統(tǒng)再進(jìn)行復(fù)測，檢測后交整船，再進(jìn)行測試，神舟六號飛船有600多臺設(shè)備，十幾萬個元器件，數(shù)百萬個焊點(diǎn)都必須保證100％的合格。在神舟飛船研制中，就是通過這樣大量的試驗(yàn)、檢測、驗(yàn)證，使每一個產(chǎn)品、設(shè)備都是過硬的質(zhì)量，最終保證航天任務(wù)的圓滿完成。

五、準(zhǔn)確計量確保航天員的安全

飛船在降落時，以每秒數(shù)千米的速度進(jìn)入大氣層，在大氣阻力的作用下，速度會迅速下降。距地球15公里左右的高度時，飛船速度將穩(wěn)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，其后果不可設(shè)想。這時就要依靠降落傘把速度降下來。當(dāng)下降到10公里高度時，返回艙可自動打開傘艙蓋，帶出引導(dǎo)傘，引導(dǎo)傘再拉出減速傘，減速傘工作16秒時，與返回艙分離，同時拉出主傘，主傘使返回艙下降速度減至每秒8米至10米。飛船即在每秒8米的速度時著陸，沖擊力可能將航天員的脊柱震斷。這時，飛船在即將著陸的一瞬間，也就是距地面1米時，4臺反推火箭點(diǎn)火工作，使返回艙速度減至每秒2米以內(nèi)，使航天員安全著陸。可見，計量的準(zhǔn)確保證了航天員生命的安全。

六、用秒來控制飛船

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(yù)定軌道，開始了5天的太空之旅。可見時間計量583秒對飛船能否飛天成功至關(guān)重要。下面的程序可以說明秒的精確計量，確保了飛船成功飛翔的事實(shí)。9時0分0秒“點(diǎn)火”；02分時，火箭實(shí)施第一個分離動作，拋掉了頂部身高8米，狀如避雷針的逃逸塔；02分16秒火前助推器分離；02分39秒時一、二級火箭分離；03分20秒整流罩上的32把鎖同時開啟，兩瓣罩體落入空中，露出飛船；9時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(yù)定軌道。9時39分神舟六號飛船發(fā)射成功。9時55分，天地通話；11時05分航天員進(jìn)餐；15時54分45秒，飛船變軌開始，變軌發(fā)動機(jī)工作了63秒；17時29分航天員打開返回艙與軌道艙之間艙門，進(jìn)入軌道艙開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在距地面343公里太空中的這個小小動作，標(biāo)志著我國載人航天飛行由神舟五號的驗(yàn)證性飛行試驗(yàn)完全過度到真正意義上有人參與的空間飛行試驗(yàn)。21時30分南太平洋的遠(yuǎn)望三號測量船對飛船第一次測控取得成功，天地通話7分鐘。

七、從7800米／秒到1米／秒

飛船返回降落的過程，就是速度不斷下降的過程。在48分鐘時間內(nèi)，神六經(jīng)歷了從7800米／秒至1米／秒的生死時速。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(diào)整，將軌道艙與返回艙、推進(jìn)艙分離。制動發(fā)動機(jī)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，推進(jìn)艙與返回艙分離后進(jìn)入稠密大氣層。以每秒數(shù)千米的高度進(jìn)入大氣層，與大氣層摩擦產(chǎn)生1800度高溫，出現(xiàn)黑障現(xiàn)象，下降40公里時，黑障現(xiàn)象結(jié)束，距15公里高度時，飛船的速度由超音速下降到亞音速，并穩(wěn)定在每秒200米左右。距地面大約10公里時，引導(dǎo)傘、減速傘打開，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1米，最終安全著陸。時間、溫度、長度、速度計量得了精確應(yīng)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”來自六個方面，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。一般來說，電磁輻射，包括無線電波、微波、紅外、可見光、紫外線等，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(qiáng)，能使物體材料及生物細(xì)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射線無損探傷設(shè)備進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，確保飛船空間輻射測試儀器的準(zhǔn)確可靠。計量院根據(jù)衛(wèi)星搭載的熱釋光探測器及其他相關(guān)方法的測量結(jié)果，得到來自銀河系宇宙輻射和太陽質(zhì)子，高能帶電粒子輻射，其輻射強(qiáng)度隨飛行時間和飛行區(qū)域軌道而變化。強(qiáng)大的宇宙空間輻射將對飛船中航天員的身心健康帶來傷害。根據(jù)搭載的熱釋光探測器及其他相關(guān)方法的測量結(jié)果，為我國航天飛船的設(shè)計，建立宇宙空間電離輻射系統(tǒng)，以及航天飛船艙內(nèi)外及航天員個人在飛行過程的輻射水平進(jìn)行計量研究，提供可靠科學(xué)依據(jù)。神六二人多天載人飛船發(fā)射成功，航天飛船艙內(nèi)及航天員個人在飛行過程中佩帶的所有熱釋光探測器，都經(jīng)過計量院對刻度進(jìn)行檢定。從而保證了航天飛船艙內(nèi)外及航天員個人在飛行過程中的輻射安全，獲取空間輻射科學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。中國計量科學(xué)研究院還對衛(wèi)星制造廠送檢的X射線探傷儀進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)，X射線探傷儀在衛(wèi)星制造過程中用于檢查衛(wèi)星星體焊接部分，數(shù)百萬個焊點(diǎn)是否有暇縫，以確保衛(wèi)星整體的堅固，這也是衛(wèi)星制造過程中重要的環(huán)節(jié)。

九、測天測地測飛船

測控通信的確是個太抽象的概念。沒有發(fā)射場的狀觀場面，看不見，摸不著，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(nèi)測。外測主要是對航天器在空間的位置進(jìn)行測量。具體的說就是測航天器當(dāng)前時刻在什么位置，運(yùn)行軌跡。內(nèi)測又稱遙測，主要是測量飛船內(nèi)部各種船載設(shè)備、儀器的狀態(tài)，監(jiān)測航天員的生理狀況，以什么姿態(tài)在運(yùn)行等。

為了提高軌道精度，我國創(chuàng)建了一套航天測控軌道的計量方法，精度可以控制在米量級。使我國航天器返回艙著陸精度由10公里提高到1公里以內(nèi)。采用改進(jìn)了的衛(wèi)星定姿模型，使我國衛(wèi)星姿態(tài)控制精確到0.1度，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。對飛船著陸前5到7天內(nèi)的淺層風(fēng)力作出準(zhǔn)確預(yù)報，可以預(yù)測飛船著陸時離地面300米以下的氣候條件，預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到85％以上，這在國內(nèi)還是第一次，在國外也是罕見的。

十、航天技術(shù)給人類帶來什么？

我國是一個能源短缺的國家，用水短缺，用汽油短缺。近年來，生活中的幕幕景象提醒人們，能源日益緊張，人類的搖籃地球正在資源、環(huán)境、能源等問題的困擾下呻吟！怎么辦？人類立足地球，放眼長天。科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)對航天能力的依賴，可以和世紀(jì)對電力和石油的依賴相比。人類向宇宙廣度和深度進(jìn)軍，是歷史發(fā)展的必然進(jìn)程。

利用太空的優(yōu)勢可以開展地面無法進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)研究，可以實(shí)現(xiàn)重力下無法加工制造的特種合金，泡沫金屬、金屬玻璃、珍貴的生化制品和藥物的純化等，可以生產(chǎn)在地球上無法生產(chǎn)的高純度的特效藥。比如，我們每天吃的飯菜中，也許就有太空育種的果實(shí)。航天水稻“Ⅱ優(yōu)航1號”千畝示范田平均每畝達(dá)到780公斤，“Ⅱ優(yōu)航1號”更創(chuàng)下了1162公斤的航天水稻畝產(chǎn)最高紀(jì)錄，并已推廣了200多萬畝。太空蓮子提高了50％。通過航天，可以生產(chǎn)出純度比地面高100倍的抗流感制劑和抗病毒干擾素等30多種高質(zhì)量藥物。美國在載人航天上的每1美元投資能收回9美元的效益，共獲得了3000多項專利，有3萬多種民用產(chǎn)品得益于研制航天飛機(jī)發(fā)展出的技術(shù)。空間技術(shù)已為美國增加了2億美元利潤。我國每年投入航天產(chǎn)業(yè)上百億元，而產(chǎn)值會翻番，從產(chǎn)值上還可以產(chǎn)生五、六倍的輻射效果。也就是說，由我國航天產(chǎn)業(yè)所折射出的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)達(dá)到1200億元人民幣的規(guī)模。我國近年來的1000多種新材料中80％是空間技術(shù)的牽引下研制完成的，有近2000項空間技術(shù)成果已移植到經(jīng)濟(jì)各部門。載人航天科技將拉動新材料、生物品種、通訊等產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。在市場上，我們已能買到航天小麥、棉衣、番茄、青椒、靈芝等。

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