神九背后的大学

曹晓晨 江利娜

2012年6月29日，我国第四艘载人航天飞船神舟九号成功返回地球。三名航天员出色的表现令国人惊叹，同时，神九背后的技术支持团队也功不可没。除了各大科研单位，不少高校也为神九提供了关键技术和产品。小到宇航员的坐垫，大到航天飞船返回途中的降落伞，每一个产品和创新都凝聚着一群人的心血。值得一提的是，在这次研发过程中，许多80、90后大学生也纷纷加入进来，在研究的队伍中发光发热。

天津大学——赋形缓冲减震坐垫

神九上天，最关键的一步就是火箭发射。航天飞船内的宇航员若在升空时颠簸严重，就会对脊椎、颈椎产生强大的冲击。因此，航天员需要一系列在大幅度高频震动的条件下降低伤害的保护装置，坐垫就是其中最重要的一项。“赋形缓冲减震坐垫”是目前广泛运用于神舟系列飞船的坐垫，它是天津大学研发团队多年来集体智慧的结晶。

坐垫虽小，但关系到宇航员的直接安全。“赋形缓冲减震坐垫”最大的亮点就在于“赋形”上，它需要针对航天员的身体形状量身定做，目的就是让宇航员的身体外形与坐垫内表面均匀贴合，降低接触应力，将宇航员的颈椎和腰椎有效地保护起来。天津大学内燃机研究所副所长、快速成型技术工程中心主任崔国起研究员告诉我们，神舟飞船在升空急剧加速和着陆急剧减速的过程中会产生10～20g的加速度，这时候人处于超重的状态，相当于体重增加了10～20倍。当加速度超过一定程度之后，会给航天员内脏、脊柱等造成伤害，甚至威胁生命安全。“我们的目的就是尽可能合理地增加宇航员身体与坐垫的接触面积，减少冲击加速度的影响，所以要求坐垫尽可能地贴身。”

今年女航天员刘洋的加入，对原本较为成熟的“赋形缓冲减震坐垫”技术又提出了新的挑战。“女航天员与男航天员的身材存在明显的差别，因此，对女宇航员的坐垫设计，我们花了很多心思。”例如，快速成型技术工程中心专门派出了三名女研究员参与女航天员的坐垫制作。“一来方便交流，二来也方便做相关的验证工作。”最终，刘洋的坐垫相比男性航天员，考虑得更为精细，在量体、设计、制作模型、模型验证和制作过程中也具备了更高的技术含量。

在为刘洋“量身定制”的过程中，收集宇航员的身体参数信息是关键的基础数据。天津大学研二学生小唐有幸参与了这个工作。“别以为信息采集只限于腰围、胸围、肩宽等简单的数据，设计一个坐垫需要使用流动式光学测量仪等特殊设备，在宇航员身上采集几十万个数据点。”说起这段经历，小唐依然历历在目：“就算是腰部的一个数据差错或遗漏，都有可能使宇航员在飞行过程中感觉不适，所以必须精细再精细。”除此之外，设计过程中还采用了三维CAD、激光快速成形等一系列现代化的数字化设计与制造技术，这些高新的尖端技术，更是让小路获益匪浅：“虽然数据处理过程非常繁琐，但能接触到那么多高精尖的技术，让我有一种异常兴奋和自豪的感觉。”

正是在如此细致精密的测算中，刘洋的坐垫一次设计制造成功，研发团队仅用三个月就完成了所有宇航员“赋形缓冲减震坐垫”的研制工作，在神九发射中也发挥出了应有的效用，最大程度地保证了航天员的安全。

中北大学——黑匣子

“黑匣子”学名叫力学参数记录器，它能记录飞行工程中的飞行力学参数，也能为今后火箭的研究和改进提供重要参考。“比方说当初杨利伟‘上天时感觉是坐着卡车上去的，而后来的人感觉是坐着小轿车上去的，原因就是我们通过对黑匣子记录数据的分析，让改进后的火箭不止更可靠，也更舒适。”中北大学微米纳米工程技术研究中心主任助理李锦明老师向我们生动地做出了解释。

在神九“黑匣子”的研制过程中，为了实现火箭发射过程中对逃逸系统和一、二级火箭所有力学数据和图像数据的采集存储，微米纳米工程技术研究中心在之前的产品基础上进行了改进，在发射任务中新增了一个位于一级火箭上的力学参数“黑匣子”。加上之前已经有的较成熟的逃逸舱工作状况“黑匣子”（用于完成对逃逸舱工作状况的记录和评价）、火箭体工作状况“黑匣子”（作为无线遥测的一种补充，可以完整、全面地记录火箭整个发射过程的工作状态），“这三个记录器分别装在不同部位，记录下的数据为火箭技术节点转接、设计优化指标等提供了大量宝贵数据支持，对未来火箭的研制和改进也是大有意义的。”李锦明老师表示。

不过我们的疑问随之而来，既然如此重要的信息记录装置，如何能确保“黑匣子”在火箭发射过程中完好地保存下来，并且保证数据不丢失呢？

原来，在地面实验时，“黑匣子”早就经过了这批经验丰富的研究者的严格测试：将“黑匣子”放在炮膛里像炮弹一样打出去，在铁板上经受相当于自身15000倍重力的力量冲击；在海水中浸泡一个月；在超过1000摄氏度的高温中烧半个小时……只有经过这些极其严格的测试而依旧能够正常读取数据的“黑匣子”才算通过实验，才可以投入使用。

“‘黑匣子内部还有3个互相独立的存储区，分别用特种钢保护起来。飞船工作期间，只能往‘黑匣子里写入数据而不能读取，待飞船返回地面后，工作人员会使用专门的设备读取。这也能避免被人恶意盗取‘黑匣子内部重要信息的可能性。”李锦明老师进一步解释道。

中北大学测试计量技术专业研二学生唐博也参与了“黑匣子”测试的工程，他做的大多是对测试和实验的支持性工作。“之前，我从来没有想过要需要这么多高强度的测试和实验。”唐博不无感慨地告诉我们，他以前做研究往往都是低着头啃书或者每天泡在实验室里做验证实验，很少有机会参与到真正的实战中去，这次经历着实让他十分难忘。“不仅为祖国航天事业出力让我觉得倍儿有成就感，更多的是不断创新、不断验证的学术精神让我有了很多领悟。”

南京航空航天大学——牵顶伞+环帆伞

航天飞船返回过程中，最重要的阶段就是“着陆”。降落伞作为使返回舱安全着陆的关键技术手段，承担着把返回舱从高速减到安全着陆速度的任务。而在神舟飞船之前多次空投试验和飞行试验中，降落伞的主伞伞衣都不同程度地存在局部破损问题，这给返回舱的着陆和宇航员的返航带来了极大的安全隐患。

承担神舟九号降落伞的技术计算工作的南京航空航天大学回收系统课题组在分析后发现，伞衣局部破损的主要原因是在高速开伞的过程中，伞衣之间出现摩擦抽打，在随后降落的过程中还会进一步遭到破坏。课题组负责人童明波教授告诉我们，如果想减少伞衣破损，最关键的就是要维持降落伞开伞的稳定性，减少伞衣缠绕和抽打。但是如何最大程度地维持伞衣稳定？这成为首先需要解决的问题。

经过反复设计和实验，航天五院508所的研究人员发现，只要在降落伞主伞顶部增加一个 “小伞”，就能在主伞开伞的时候，提供一个顶端的牵引力，从而改善主伞的张力分布。课题组成员张红英副教授打开保护伞模拟视频，我们在画面中看到，相对于1200平方米的主伞，这个仅1平方米大的牵顶伞虽然很难被发现，但它的确在维持开伞稳定性上发挥着巨大的作用。张红英说：“别看伞小，它可不好设计，小了不能提供充足的拉力，大了则会影响主伞的展开。我们仅对这个牵顶伞的力度计算就用了一年多的时间。”

张红英还告诉我们：“此次南航不仅参与了牵顶伞的相关技术研究，降落伞主伞上的保护布也是运用了南航的研究技术。”为了提高返回舱降落的安全性，南航回收系统课题组还对保护布对主伞的开伞性能影响进行了计算。

这是南航回收系统课题组承担的另一项课题，对伞衣保护布的仿真计算验证。张红英说：“当空气团进入伞衣底边后，由于受到伞衣保护布和缝线的阻碍，空气团向四周堆积，促使伞绳和径向带绷直，伞衣向外扩张，同时，崩断阻碍空气团前进的缝线，伞衣保护布相当于一个不断移动的顶孔，有利于改善伞衣充气的对称性和稳定性。”

布料的选择也要经过不断计算和实验验证，“我们采用了结构动力学和计算流体力学的技术来模拟仿真它。近几年我们课题组也开发了一些程序、一些计算方法，最主要是验证加了伞衣保护布以后，保护布对主伞的影响。比如缝线的力度大小合不合适，尤其是保护布增加了以后，它对主伞开伞性能会有什么样的影响。”张红英说。

对于布料在复杂气流场中的透气性，南航回收系统课题组计算开发出了一种新的计算方法，并获得国家发明专利。“远看它是一大块绸布，其实它是由许许多多加强带将1900多块小布像鱼鳞一样连接而成。”这种伞被称作“环帆伞”。研发过程中，课题组对每环伞衣之间缝隙的宽度、面积、强度和重量等都进行了精密的计算。

在这项研究中，科研团队包括了南航的很多研究生和优秀的本科生。“很多同学都是因为我们在为神九做这个事情，特地换了课题组加入进来的，大家都为自己是这个课题组的成员而感到自豪。”如今，课题组的师生们正在进行翼伞的研究，致力于提高返回舱定点着陆的精确性，同时课题组也在配合兄弟学院为日后探月工程中返回舱返回地面时需要的群伞做技术研究准备。