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湘籍航天人丨周建平:从矿工到“天宫”匠人
2019-05-07 10:27:55 [来源:湖南日报]     [作者:]     [责任编辑:[责编:李 慧]]      字体:【

周建平:从矿工到“天宫”匠人

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周建平 通讯员 摄

周建平,湖南望城人。中国工程院院士,研究员,现任中国载人航天工程总设计师。长期从事载人航天工程总体设计及技术管理工作。参与组织载人航天工程第一步任务(载人飞船工程)的研制和飞行试验技术工作,主持载人航天工程第二步任务(空间实验室)和第三步任务(空间站)全面技术工作,为突破和掌握空间出舱活动技术、交会对接技术、在轨补加技术,建成空间实验室大系统,实现我国载人航天技术跨越发展作出了重大贡献。

湖南卫视《新闻当事人》记者 童欢 撰稿

湖南日报·新湖南客户端记者 易禹琳 整理

在中国古老的神话故事中,神仙们居住在天宫。人类对天宫的向往,在这些神话故事中埋下的种子,经过数千年的孕育,终于在我们这个时代开出花朵。

近期,中国载人航天工程办公室公布了中国空间站任务计划安排和研制建设进展。按计划,2022年前后,中国空间站“天宫”将正式完成在轨建造任务。让我们自豪的是,湖南望城人周建平就是一位造“天宫”的匠人。

今天,我们来聆听这位中国载人航天工程总设计师给我们讲“天宫”的故事。

中国全面进入空间站时代

据《后汉书·卷四十八》记载:“天有紫微宫,是上帝之所居也。”如今,中国科学家们真的在造“天宫”,但这个“天宫”可不是给上帝居住的,而是在不久的未来,将成为中国航天员和科学家们在太空进行科学研究和居住的场所,被命名为“天宫”的空间站。

中国航天日期间,我国公布了空间站的最新进展。目前,空间站研制建设稳步推进,主要系统关键技术攻关已经完成。航天员系统也开展了长期载人飞行综合模拟验证、出舱活动水下验证等大型地面试验。第三批预备航天员选拔的初选工作已完成,舱外航天服正在进行飞行产品生产。根据飞行任务规划,空间站任务阶段的首次飞行——长征五号B运载火箭首飞预计于2020年上半年组织实施。

周建平介绍,我们正在研制的是“天宫”空间站的几个舱段。一个是核心舱,今后是空间站的一个控制中心,包括空间站的管理和运行、航天员的保障。还有两个实验舱,主要任务是从事各类包括生命材料、微重力、天文物理等方面的空间科学实验。

说到空间站,人们耳熟能详的是“国际空间站”,该空间站是以美国、俄罗斯为首,包括加拿大、日本、巴西和欧航局等16个国家和地区参与研制的。由于种种原因,中国未被邀请加入“国际空间站”。但也正因如此,现在中国才拥有了全自主研发、独立拥有的“天宫”空间站。那么,太空空间站到底重要在哪,让各国如此重视呢?

周建平解释说,太空的环境和地球完全不一样。比如它有微重力、高真空、高洁净、高位置这些特征,它将给我们研究和认识这个世界,带来崭新的手段。另外我们要脱离地球引力进入太空,要在太空那样极端的环境里让人安全健康地生存,这些技术本身就具有极大的挑战性,会为我们的技术发展带来很大的推动作用,实际上也在推动我们基础科学的发展。我们的科学技术,比如说材料技术、动力技术、信息技术、通信技术,很多是由于航天的带动,才得以发展。

3年研制“太空战袍”

1992年9月,我国确定了载人航天“三步走”的发展战略:第一步,发射载人飞船;第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术;第三步,建造空间站。

2003年10月15日9时,杨利伟搭乘由长征二号F火箭运载的神舟五号飞船首次进入太空,成为第一个进入太空的中国人,标志着中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。紧接着,2005年10月12日9时中国第一艘执行“多人飞天”任务的载人飞船神舟六号发射,将费俊龙、聂海胜两位航天员送入太空。我国载人航天走稳了第一步。

顺利发射完两艘载人飞船后,神舟七号迎接更大的挑战:一次性搭乘3名航天员,并执行标志着我国载人航天工程迈入第二步的太空出舱活动。但你知道吗?困扰着技术人员的巨大难题不是如何出舱,而是穿什么出舱。

用俄罗斯的舱外服,虽是成熟产品,但生产需要两年多时间。为什么呢?航天员要执行太空出舱活动,面临的环境十分恶劣。首先,他们要面临零下273.15摄氏度的宇宙温度,也就是绝对零度。在这样的温度下,如果没有保护措施,无人可以存活。其次,还有与地球上完全不同的重力环境、太空中的高强度宇宙辐射等,都将对人体造成毁灭性的伤害。这时,舱外航天服就成为了航天员的铠甲。说是“服”,其实它更像是一个小型的个人太空舱,恒温、高强度、抗辐射等功能,必须一应俱全。

因为这个舱外服只有120公斤,它要满足、保证人在舱外6个小时的生存和工作。它后面有个背包,背包是一个生命保障系统,这么小型的一个生命保障系统,要提供一个压力环境、大气环境,要供给氧气,去除二氧化碳,还得保证它的温度的适宜性。一个篮球冲压后都硬邦邦的了,航天员是要用手去工作的,航天服冲压以后这个手套怎么活动?所以这里面其实有一系列的问题,都是很有挑战性的,都要一个个去克服。

虽然困难重重,但周建平他们极其渴望“神七”出舱时,航天员穿的是中国制造的舱外航天服。可是俄罗斯现成的航天服制作都要两年,此时距离“神七”发射仅剩3年时间,要从无到有,做出中国人的舱外航天服,有可能吗?

周建平坦承当时感觉难度太大了。舱外服是中国第一次搞,没有这方面的专家。但中国可以集中相关各个专业的优秀专家来做这件事情,集智攻关,共同努力。做材料的,做结构的,做设备的,航天的,航空的,纺织的,机械的很多行业的大力协同,竟然用3年时间做到了。

通过全国上下、各相关行业精英的并肩奋战,终于在“神七”发射前,制造出了属于中国人的舱外服——“飞天”。

周建平说,我们要用中国的舱外航天服来实现首次出舱,这是我们长期发展航天事业必须做的一件事情。

“神七”出舱时曾出现奇怪的事

舱外航天服生产出来了,航天员们穿上它们,从神舟七号飞船出舱,完成中国航天员和中国出舱服在太空中的首次亮相。但在出舱时,却出现了一件奇怪的事:神舟七号的舱门在打开一条缝后,又关上了。

此时,周建平正在指挥大厅。这是怎么回事?他回想了一下研制过程:要开那个舱门,先要把舱里面的气全部泄出去。但是这么大个舱,人在里面,舱外服还有一定的气体往外排,舱里面会有一些余压。余压顶在舱门上面,开舱门需要有一定的力气,也可能导致舱门开关反复;时间长一点,余压泄尽后,舱门打开应该没有问题。其实,当时已经做了预案,也准备了辅助的工具。但周建平仔细回想了一下过程,他认为不会有问题,就坐在那里没动,也没有去问任何人。事实证明他的推测是正确的,舱门随后顺利打开,有惊无险。

“神七”完成出舱后,中国第一个目标飞行器天宫一号于2011年9月29日21时16分03秒在酒泉卫星发射中心发射。天宫一号高10.4米、重8.5吨,由一个实验舱和一个资源舱组成,可以理解成一个工作室和一个仓库,航天员可以在里面工作、生活。至此,中国人在太空中拥有了一个“太空小屋”。

在载人航天工程发展的第二步阶段,有一个重要任务是空间飞行器的交会对接,天宫一号的发射也有完成中国航天史上首次航天器交会对接的使命。交会对接分两个阶段,首先要让两个航天器在预定时间同时到达指定地点聚集,完成交会,接着才是对接阶段。对接过程非常复杂,要两个在距离地面300多公里,以7.9km/s的第一宇宙速度运行的飞行器准确地调整高度、位置和相对速度,最后在相对速度接近零时对接上,相当于太空打靶,并且必须命中10环。如果其中任何一项有误差,交会对接都会失败。只有成熟掌握交会对接技术,才能具备将航天员送抵空间站以及进一步发展航天事业的能力。

周建平说,我们研制了天宫一号目标飞行器,也研制了具备天地往返,还具备交会对接功能的神舟飞船。应该说神舟九号就完成了全面验证交会对接技术的目标,神舟十号我们把它定义为一次应用性的飞行。

著名的“太空授课”,就是由我国第二名进入太空的女航天员王亚平主讲,在天宫一号实验舱里通过讲解和实验演示完成的。而她和另外两名航天员正是搭乘神舟十号飞船,前往天宫一号。

太空授课,中国完成了载人航天第二步第一阶段的任务。神舟十号任务完成后,进入了第二步二阶段。天宫一号任务完成后进入(第三步)空间站阶段。

最强替补:天宫二号

作为我国第一个目标飞行器,为保障项目百分百成功,天宫一号拥有备份产品,以在特殊情况下作为替补上场。但没想到,天宫一号发射后,备份产品并没有被浪费,而是通过部件拆解、更换、重组,重新制作成了天宫二号。

与天宫一号相比,天宫二号装备更豪华、装载量提高、内部环境更好。天宫二号空间实验室是典型的麻雀虽小,五脏俱全。除了开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术等活动,还释放伴飞小卫星,完成货运飞船与天宫二号的对接。

周建平介绍,将进行巡天观察的“天宫”望远镜,具有和哈勃望远镜相同的分辨率,但是要大200多倍的视场角,计划用10年的时间,对超过一整个天区的一半的范围进行巡天的观察,来推进人类对宇宙对太空的更深入的了解。“‘天宫’望远镜跟哈勃望远镜相比,更大的好处是你可以在相同的时间,看到的范围要大得多。那么在长期运行中,你就可能对宇宙更多的区域进行更加精细的探测。”

“巡天”光学舱计划于2022年前后发射入轨,建成后将成为“国家级空间光学实验室”,支持开展更多、更先进空间光学技术试验,并将填补我国空间天文观测领域的空白。

“天宫”空间站基本构型包括天和核心舱、问天实验舱Ⅰ和梦天实验舱Ⅱ,每个舱段规模20吨级。空间站在轨运行期间,由神舟载人飞船提供乘员运输,由天舟货运飞船提供补给支持。空间站设计寿命10年,可根据需要,通过维护维修进一步延长寿命。额定乘员3人,乘组轮换期间短期可达6人。航天员在太空中的生活活动以及工作主要集中在天和核心舱中。

周建平说,我们这是个基本构型,今后还可以根据科学发展的需要和技术发展的需要扩展。我们的设计目标是10年,当然肯定不止10年,我们在设计之初就考虑了今后要扩大规模。

“天宫”匠人原是湘西矿工

周建平是中国工程院院士,更是中国载人航天工程总设计师。但很少有人知道,他曾经是一位在井下工作的矿工。

周建平籍贯是湖南长沙市望城区,但因父亲在湘西矿山工作,他从小在山里长大。周建平回忆,小时候父亲工作忙,没有时间管儿子。但他看到父亲不是在工作就是在读书,所以他也爱上了读书。那时物资匮乏,周建平一旦得到一本新书,就会翻来覆去地看,看到几乎能背下来。

周建平印象最深的是,刚上小学时买了一本《十万个为什么》,让他这个山沟里的孩子对科学充满了好奇。中国“两弹一星”成功发射的新闻,更激发了他对科学探索的兴趣。

科学的大门,就这样朝他打开了。可那时候山里学校的条件并不好。周建平上初中时,每天每个学生都要义务挑上一担砖去修校舍。幸运的是,就在这所自己参与建设的学校里,来了一批重点大学毕业的老师。周建平接受了为其往后人生打下坚实基础的高质量教育。

初中的班主任老师喜欢周建平这个聪明好学的学生,见初中教材对他太简单,给他找来了高中数学教材,让他自学。然后又帮他找到了大学的高等数学和大学物理。

虽然成绩一直优异,可那时没有高考,中学毕业后的周建平听从父亲安排,去井下做了一名挖矿工人。虽然井下工作又苦又累,风险也大,但周建平跟工友们相处得很好,手劲也练得特别大。

当周建平以为人生就这样过下去时,1977年10月,他从广播里听到恢复高考的消息。凭借过硬的底子,在上班之余,复习一个月后,周建平成了恢复高考后的第一届考生。没出过大山的他,根据回忆中老师提到过的学校名称,填了3所大学的志愿。最终,周建平被当时的长沙工学院(现国防科技大学)录取,学习飞行器结构强度专业。

周建平回忆,上大学的时候,同学都在学高等数学,他因中学就学过了,就去学校图书馆找书看。偶然找到了一本前苏联出的吉米多维奇的数学分析习题集,上面大概有5000个习题,他下决心把题都做了。但有些题目很难,老师也很难回答。有的题目十天半个月也想不出来,有的题目做梦都在想。周建平说,这个解难题过程,其实是一种不断思考、寻求真理的过程,挺愉悦的。

带着这种求索精神,周建平一直醉心在自己的学术研究中。读完博士之后,他就留在国防科技大学本专业任教。1992年,国防科工委开始组织载人航天工程的技术经济可行性论证,凭借广博的学识,周建平被选中,成为全组最年轻的研究员。

就是在参与论证的半年期间,年轻的周建平和前辈们提出了沿用至今的中国载人航天工程“三步走”战略,而他本人更是为了这个目标践行至今。或许当年那个山沟里的小男孩和矿井里的年轻人都没有想到会取得今天的成绩,但也要感谢那些艰难,才成就了现在的能造“天宫”的周建平。

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