“神六”與計(jì)量趣話

中國計(jì)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(hào)載人飛船在火箭的推動(dòng)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(jì)量是怎樣發(fā)揮作用的，又含有什么有趣的知識(shí)？本文就此說幾件有意思的計(jì)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(wèi)星、飛船的制造中，在發(fā)射、運(yùn)行、返回的每個(gè)重要環(huán)節(jié)中，計(jì)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(shí)，時(shí)間、速度、角度、溫度、通信等計(jì)量數(shù)據(jù)必須精確，否則自動(dòng)控制就無法進(jìn)行。衛(wèi)星進(jìn)入軌道的過程中，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；要擺脫地球的引力，其速度必須達(dá)到每秒11.2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”的速度是多少呢？當(dāng)然要符合上述速度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，每秒達(dá)到7.820185公里，時(shí)速是2.8萬公里，90分鐘繞地球一圈，共77圈，共飛行115小時(shí)32分鐘，行程約325萬公里。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，飛機(jī)和“神六”的速度相比，超音速飛機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)的最高時(shí)速約為1.12萬公里，實(shí)驗(yàn)性汽車的最高時(shí)速約為696公里。可見在航天科技中，速度計(jì)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(gè)角度是設(shè)計(jì)的，還是一種巧合呢？事實(shí)是這樣的，神舟六號(hào)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，可飛船返回著陸場也是位于42.4度，飛船在飛行時(shí)每次經(jīng)過42.4度角時(shí)，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(huì)。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(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(yuǎn)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?yàn)榈?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(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，如果飛船座艙出現(xiàn)意外，隨時(shí)啟動(dòng)返回地面。這說明飛船升空和返回的角度是在設(shè)計(jì)之中的。飛船有一套自動(dòng)測試系統(tǒng)，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(diào)姿的角度，落點(diǎn)準(zhǔn)確度，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(jì)之中。
    

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(gè)標(biāo)準(zhǔn)被各國所沿用，按照這個(gè)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(jí)設(shè)計(jì)為3.35米。當(dāng)然“神六”也不例外了。
    

四、志在九天上，細(xì)在毫微間

    神舟六號(hào)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(xiàn)都離不開計(jì)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(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(gè)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，一旦出現(xiàn)超差就是廢品。對于每一個(gè)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(gè)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檔保存。
    飛船中的每一臺(tái)設(shè)備都是和其他設(shè)備配合工作的，科技人員為每一臺(tái)設(shè)備的周圍都設(shè)計(jì)了專用的被稱之為“地檢”設(shè)備的裝置，對模擬設(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，再用“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(hào)飛船有600多臺(tái)設(shè)備、十幾萬個(gè)元器件、數(shù)百萬個(gè)焊點(diǎn)，都必須保證100%的合格。在神舟飛船的研制過程中，就是通過這樣大量的試驗(yàn)、檢測、驗(yàn)證，使每一個(gè)產(chǎn)品、設(shè)備都能保證過硬的質(zhì)量，最終保證航天任務(wù)的圓滿完成。
    

五、準(zhǔn)確計(jì)量確保航天員的安全

    飛船在降落時(shí)，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(huì)迅速下降。距地球15公里左右的高度時(shí)，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，其后果不堪設(shè)想。這時(shí)就要依靠降落傘把速度降下來。當(dāng)下降到10公里高度時(shí)，返回艙可自動(dòng)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(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)，飛船在即將著陸的一瞬間，也就是距地面1米時(shí)，4臺(tái)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(jì)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(shí)間計(jì)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(jì)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(jí)火箭分離；9時(shí)03分20秒整流罩上的32把鎖同時(shí)開啟，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(yù)定軌道。9時(shí)39分“神舟”六號(hào)飛船發(fā)射成功。9時(shí)55分，天地通話；11時(shí)05分航天員進(jìn)餐；15時(shí)54分45秒，飛船變軌開始，變軌發(fā)動(dòng)機(jī)工作了63秒；17時(shí)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(gè)小小動(dòng)作，標(biāo)志著我國載人航天飛行由“神舟”五號(hào)的驗(yàn)證性飛行試驗(yàn)完全過渡到真正意義上有人參與的空間飛行試驗(yàn)。21時(shí)30分南太平洋的遠(yuǎn)望三號(hào)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(shí)間內(nèi)，“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(diào)整，將軌道艙與返回艙、推進(jìn)艙分離。制動(dòng)發(fā)動(dòng)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(shí)，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(xiàn)黑障現(xiàn)象，下降至40公里時(shí)，黑障現(xiàn)象結(jié)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(wěn)定在每秒200米左右。距地面大約10公里時(shí)，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米再到每秒1米，最終安全著陸。時(shí)間、溫度、長度、速度計(jì)量得到了精確應(yīng)用。
    

八、計(jì)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(jì)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)，確保了飛船空間輻射測試儀器的準(zhǔn)確可靠。計(jì)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(shí)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(jì)，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(gè)人在飛行過程的輻射水平進(jìn)行計(jì)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(gè)人在飛行過程中佩帶的所有熱釋光探測器，都經(jīng)過計(jì)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(gè)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(jì)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(gè)焊點(diǎn)是否有縫隙，以確保衛(wèi)星整體的堅(jiān)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(gè)抽象的概念。沒有發(fā)射場的壯觀場面，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(jì)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。具體說就是測航天器當(dāng)前時(shí)刻在什么位置、運(yùn)行軌跡等。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。
    為了提高軌道準(zhǔn)確度，我國創(chuàng)建了一套航天測控軌道的計(jì)量方法，準(zhǔn)確度可以控制在米量級(jí)。使我國航天器返回艙著陸準(zhǔn)確度由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(bào)，可以預(yù)測飛船著陸時(shí)離地面300米以下的氣象條件，預(yù)報(bào)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)使人類放眼宇宙

    我國是一個(gè)能源短缺的國家，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。