护航神舟回家的高科技

2023-08-23陈袁周宓刘淑芬

知识就是力量 2023年8期

关键词：返回舱蒙皮神舟

陈袁周宓刘淑芬

从1999年神舟一号飞船成功发射，到2003年神舟五号完成首次载人飞行，再到今年6月神舟十五号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，20多年来，中国已圆满完成了10次载人飞行任务。

2023年6月4日，神舟返回舱内，在中国空间站“出差”186天的航天员费俊龙、邓清明、张陆踏上回家路（图片来源/中国载人航天工程办公室）

随着第一次载人飞行任务的圆满成功，“神舟”这个名字就响彻了神州大地。作为护航航天员天地往返的“生命之舟”，20余年间，神舟飞船站好每一班岗，圆满完成了每一次任务。

是什么让神舟飞船如此“靠谱”？它有哪些“奇怪”的构成，又是怎样长成的呢？

神舟飞船由返回舱、轨道舱、推进舱共同组成。其中，备受关注的就是航天员在发射段和返回段乘坐的返回舱。这篇文章就来为大家揭秘返回舱上的那些高科技。

返回舱的“奇怪”外形与“身体”构成

神舟飞船返回舱的外形像一口中国古代的大钟，呈大钝头倒锥体。和人一样，返回舱也有“五官”“内脏”“骨骼”“皮肤”，甚至也穿“外衣”。

所谓“五官”，其实是指返回舱外表面的几个洞，其中最大的两个洞，是降落伞的伞舱。

返回舱的“皮肤”和“骨骼”是紧密相连的，被称为“蒙皮+筋”结构。蒙皮即返回舱的“皮肤”，起到密封舱体的作用；筋即返回舱的“骨骼”，起到支撑加强的作用。

返回舱外面“穿”有一层特殊的“外衣”——热控涂层，可以使它在太空超过200摄氏度的巨大温差下，维持舱内温度适宜（详见《知识就是力量》杂志2023年7月刊）。

返回舱的“内脏”有很多的仪器载荷，单从结构上来讲，最有特点的当属航天员的3把座椅。

在了解了返回舱的“奇怪”外形与“身体”构成之后，你是否好奇它们究竟是怎么造出来的呢？那就让我们一起去看看吧！

神舟七号载人飞船返回舱着陆后打开舱门

返回舱“成长”过程大揭秘

神舟返回舱的“靠谱”除了靠谱的设计，还有靠谱的制造工艺。返回舱的成长主要需要经历“铣（xǐ）”“吹”“卷”“缝”“热”“穿”6个阶段。

“铣”外形

铣是数控加工的一种形式，也称为“铣削”。在铣的过程中，研制人员通过控制加工工具的旋转和移动，为返回舱“雕刻”出标准“体形”，例如出舱舱门、舱门门框等部位都是采用这个方式打造的。

返回舱具有壁薄、精度高等特点，部分特征加工时如同在气球上雕刻。为此，研制人员对加工工具的旋转速度和加工路径进行了精密设计。同时，为了保障航天员的安全，研制人员还通过选择最佳的切削参数和过程控制，满足返回舱密封部位对平面度、粗糙度严苛的加工要求，为后续高质量装配奠定基础。

铣是使用多刃旋转刀具切削工件的工艺方法

“吹”座椅

神舟返回舱内的航天员座椅有着特殊的外形轮廓，航天员坐在其中就像胎儿在母体中一样，在强过载冲击下，能够最大程度地减轻伤害。但你可能想不到，这套座椅的头靠、椅盆、椅背是“吹”出来的——这是一种比较先进的热成形工艺，学名为“超塑成形”。

超塑成形是利用金属在特定条件（一定的成形温度、一定的变形速度、一定的材料组织）下所具有的超塑性，来进行塑性加工的方法。在特定的温度和气压条件下，这种工艺方法可以实现返回舱大尺寸、复杂构型零件的整体精密成形。

“卷”蒙皮

返回舱的“皮肤”是一层金属蒙皮，其中舱门所在的返回舱“头部”球形蒙皮和返回舱“底部”的大底蒙皮是“吹”出来的，而返回舱锥形“腰身”是“卷”出来的，即通过滚弯成形实现。

要“卷”得精确，就需要用到滚弯机这一利器。在它的帮助下，金属板材从平面“卷”成了弧面，组合成为三维锥筒。

研制人员会提前裁剪出金属板材，并确保平面状态金属板材的尺寸及轮廓精准，为“卷”打好基础。

鱼鳞状焊接纹路示意图

“缝”舱体

返回舱由多个部分组成，需要通过焊接（包括手工焊接和自动焊接两种）来保证它的“天衣无缝”，即保障舱体的密封性。而负责焊接的操作者被称为“铁裁缝”。

“铁裁缝”通过10余套工装、70余道工序、上百个零件，才能把返回舱完美打造出来。

在焊接时，“铁裁缝”需要时刻观察“缝合”质量，因此往往一趴就是大半天，衣服总被汗水浸透。返回舱上鱼鳞状的焊接纹路，就是“铁裁缝”的成果！

“热”处理

在小说《西游记》中，孙悟空在太上老君的炼丹炉里炼就了火眼金睛。现实中，返回舱也需要先后经历490～500摄氏度、160～190摄氏度的历练，让它的“骨骼”更健壮。

另外，在加工阶段和整舱焊接过程中会产生残余应力（金属加工过程中由于不均匀的应力场、应变场、温度场以及不均匀的组织，在加工后，工件或产品内保留下来的应力），这使返回舱在任务执行中有产生裂纹、变形的风险。因此，研制人员会用“热敷”的方式，以特定的温度将返回舱体内的残余应力释放掉，从而保障返回舱在飞行时状态良好。