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本领超强!四大功能揭秘航天基础试验机柜

时间:2023年02月10日 信息来源:本站原创 点击:1308 字体:

北京时间2023年2月10日00时16分,经过约7小时的出舱活动,神舟十五号航天员乘组密切协同,圆满完成出舱活动全部既定任务。

 

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▲ 航天员出舱(图源:中国载人航天官微)

 

我国空间站工程航天技术试验领域是空间站应用任务的一个重要领域,该领域面向航天技术前沿,通过实施各类技术试验项目,将航天各领域和各类航天器需开展的先进技术试验转化为丰硕的技术成果,牵引、推动航天技术创新。

 

作为该领域的抓总研制单位,航天科技集团五院(以下简称五院)为空间站梦天实验舱配置了航天基础试验机柜,它的“超强本领”将有力推动我国航天新技术试验取得新成果。据研制人员介绍,航天基础试验机柜在轨三个多月以来,已成功开展在轨功能测试和部分载荷在轨试验,目前产品状态良好。首批搭载的五个技术实验项目已开启太空之旅,其中多个项目为国际首次在轨亮相,将开展空间新型热管理、空间先进能源转换、环控与生保等新技术试验。

 

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▲ 航天基础试验机柜(图源:中国载人航天官微)

 

航天基础试验机柜具备结构机构、热管理、配电控制、信息管理四大基本功能,为各类载荷在轨试验提供机、电、热、信息等标准化接口,支持各类试验项目的在轨滚动实施,为航天新技术的创新发展提供了强大的验证平台。

 

下面,就让我们来看看它有哪些“超强”功能吧!

 

第一大功能

可私人定制的练兵场

  

航天基础试验机柜结构机构子系统为平台设备提供了紧凑的布局空间,为用户提供多达13个种类的“私人定制”空间。

 

先进的在轨升级设计。航天基础试验机柜设计寿命15年,配套有近百台设备。考虑到空间站运营期间机柜平台能力的升级换代,机柜结构需满足设备在轨更换的条件,便于航天员高效快速完成相关操作。机柜在设计上支持在轨进行翻转,可以为航天员在轨维护维修提供最佳的操作体位;模化块布局设计上则可以按功能进行分区升级优化。

 

私人定制”模块化空间。试验载荷不同,对在轨试验空间的要求必然多样化。兼顾用户需求和模块化设计是解决多样化需求和载荷接口标准化的最佳方式。结构机构子系统能够提供13个种类的试验空间,可以根据用户需求,以最小的I型载荷单元为基础,适应多型规格的载荷单元以不同形式组合安装,在轨实现载荷单元的自由匹配,最大化满足试验需求。通俗的讲,不同类型的抽屉能够像俄罗斯方块一样,填满整个机柜。

 

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▲ I型载荷单元示意模型(图源:中国载人航天官微)

 

试验载荷的“生命脐带”。不同类型的试验项目在轨试验周期差别很大。15年的寿命期间,试验载荷需频繁进行在轨更替。如何为试验载荷提供充足的营养,同时便于航天员操作呢?为解决这一问题,研制人员通过3D打印轻型化结构与螺旋结构巧妙结合,螺旋电缆应运而生。它不仅可以为试验载荷提供充足的配电和信息支持,还可以随载荷单元将人机操作界面伸出柜体,便于航天员可视可达的高效操作,可谓试验载荷的生命脐带

 

第二大功能

掌控冷暖的环境管家

  

机柜作为一个试验平台,为各个试验载荷提供了标准的机、电、热、信息等保障条件。载荷试验会产生热量,这就需要热控子系统对载荷环境温度进行管理。热控子系统通过多种手段为各个载荷提供了全方位服务,这位“环境管家”将发挥它的实力,为航天基础试验机柜的在轨稳定运行保驾护航。

 

如果将航天基础试验机柜比喻成一栋大楼,那么这栋大楼最多可容纳13位“房客”——试验载荷,热控系统就是这栋楼的“环境管家”。它是如何为每位“房客”服务的呢?别看航天基础试验机柜热控系统的体量不大,配置可不低,包括通风子系统、液冷子系统和抽真空子系统三部分,总散热能力不小于1500W。

 

热控系统为每个房间都配置了“中央空调”,那就是通风子系统。通风子系统和中央空调类似,每个载荷都在侧面开了一些较小的通风孔,背部开了一个较大的回风口,整个过程由载荷风机驱动,冷风从小孔进入载荷单元内部,再由回风口将热量带出,进入风道汇总,最后通过气液换热器将热量传递给冷却液路带走。每位“房客”的体质不同,如何将空调设置到适合的温度呢?原来每个回风口上都安装了风量调节阀,具有5挡开度,可以根据“个人体质”调大或关小,这样既“因人而异”,又能合理分配有限的资源。

 

液冷子系统既可以将通风子系统收集的热量带走,又可以为高热耗载荷提供高效散热。假如“房客”是“高热耗载荷”,“吹空调”已经不能满足它的要求,液冷子系统就会准备一张“水床”,即冷板,让高热耗设备“躺”在上面,通过流动的液体将热量带走,舒舒服服地开展试验。液冷子系统还可以为0位、1位、2位“高热耗载荷”服务,且实现载荷的在轨重构和更换。

 

当某位“房客”需要真空环境进行试验时,就要用到抽真空子系统了。通过软管和气路快断器与抽真空系统连接,打开阀门,载荷空间的气体就被排散到外太空去了,简单又实用。

 

第三大功能

安全可靠的能源悍将

 

配电子系统为航天基础试验机柜本体和试验载荷提供充足的能源,其正常工作与否,直接关系机柜各试验装置的任务成败和航天员操作安全。为确保供电系统的绝对安全,在配电通路冗余设计的同时,配电子系统研制团队设计了多条供电相关故障模式与对策,特别是针对整柜母线无法断电的终极故障,设计了指令与手动开关可同时断电的工作模式,航天员可以通过手动开关完成整柜的紧急断电。另外,配电子系统通过配电通路指示灯等人性化、实用化设计,使航天员可直接观察机柜的各路配电通路加断电状态。

 

针对多载荷的能量传输,配电子系统创新设计理念,使其不仅满足了集成化和轻量化的设计要求,大幅减少了重量和体积,而且还极大地提高了整个配电系统的安全性、可靠性和灵活性。

 

众所周知,电连接器和线缆是机柜传输数据的基础。航天基础试验机柜实现了低频电缆、以太网电缆、总线电缆、螺旋电缆及光缆组件等多种类电缆的设计。针对复杂度高的电缆设计,配电子系统根据机柜本体结构、设备布局、空间环境、母线电压、负载特性等多约束条件,结合电气一体化设计需求,采用分布式配电架构和标准化电缆网设计,实现了最小代价的区域配电以及最小耦合关系的电气连接。

 

第四大功能

天地联动的中枢神经

 

航天基础试验机柜信息管理子系统是整柜的信息控制中枢,通过它搭建的“神经系统”,控制着机柜和试验载荷在轨的正常运转。其中信息管理子系统所使用的光纤通信链路是机柜和外部空间应用系统的唯一数据传输通道,可谓实现机柜本体对外通信的“第一道大门”,承担着柜内载荷数据交换与打包、上行指令数据的处理和分发的重任。试验载荷在轨获取的宝贵试验数据,都是通过它来“联通天地”。

 

信息管理子系统还配置了综合管理设备,不仅用于实现柜内4路载荷的配电和柜内热控产品的配电与控制功能,还肩负采集各载荷实时遥测并下传、转发载荷指令的重任。同时,信息管理子系统配置的无线收发设备,可用于支持无线终端的快速接入,保障舱内高速WIFI的覆盖。针对大容量载荷数据的在轨存储,设计的简便易懂的文件存储架构为载荷数据的存储与回放提供了可靠的技术支撑。



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