“神六（liù）”與計量趣（qù）話

中國計量科學研究院  盧敬（jìng）叁

    從（cóng）“東方紅”到“神一”再到“神（shén）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（yàn）升騰，巨龍噴（pēn）射出（chū）耀眼的火光，“神舟”六號載（zǎi）人飛船在火箭的推動下直衝藍天，全世界的（de）目光一齊仰（yǎng）望（wàng）追蹤。中華兒女為之振奮而自豪。
    那麽，在（zài）火箭與飛船發射中（zhōng），計量是怎樣發揮作用的，又含有（yǒu）什麽有趣的知識（shí）？本（běn）文就此說幾件有（yǒu）意（yì）思（sī）的計量事例吧。
    

一、速（sù）度關係到發射的（de）成敗

    在我國的航天事業中，在火箭、衛星、飛船的製造中，在發射、運行（háng）、返回的每個重要環節中，計量科學技術都發揮著（zhe）重要的作用。比如，在（zài）火箭點火的那（nà）一瞬間，是火箭發射成功與否最關鍵的一瞬（shùn）。火箭在運行時，時間（jiān）、速度、角度、溫度、通信等計量數據必須精確，否則自動控製就無法進行。衛星進入（rù）軌道的過程中，要使衛星（xīng）能圍繞地球運轉，衛星運（yùn）行的速度必須達到每秒7.9公裏；要擺脫地（dì）球的引力，其速度必須達到每秒11.2公裏；要使航天器脫離太陽係，其速度（dù）必須達到16.7公裏（lǐ）。那麽我國（guó）“神六”的速度是多少呢？當然要符合上述速度計量標準，每秒達到7.820185公裏，時速是2.8萬公裏，90分鍾繞地球一圈，共77圈，共飛行115小時32分鍾，行程約325萬（wàn）公裏。在科學實驗中，飛機和“神六”的速度（dù）相比，超音速飛機實驗時的最高時速約為1.12萬公裏，實驗性汽車的最高時速約為696公裏。可見在航天（tiān）科（kē）技中（zhōng），速（sù）度計量的準確與否是非常關鍵（jiàn）的。
    

二、42.4度角使飛（fēi）船安全升空與著陸

    42.4度角是我國“神六”飛船升空與返回地麵的角度，這個角度是設計的，還是一種（zhǒng）巧合呢？事實是這樣的，神舟六號飛船上升段飛行時間為583.828秒，把飛船送入（rù）橢圓軌道，前角是42.4度，可飛船返回著陸場也是位於42.4度，飛船在飛行時（shí）每（měi）次經過42.4度（dù）角時，也就是能通過著陸（lù）點一次，每天至少一次能有返回的機會。如（rú）果對著陸場要求不高的話，大約每天有兩三次返回的機會。航天員返（fǎn）回還要具備一個條件，那就是圓形軌道。
    飛船入軌軌（guǐ）道近地點是200公裏，遠地點是347公裏。第5圈時變為圓軌道，變（biàn）軌距地麵343公裏。這是因為第1圈至（zhì）第5圈由於受大氣阻力影響，每圈降低1公裏，因此飛船遠（yuǎn）地點高度347公（gōng）裏降為343公裏。這（zhè）樣在重力場（chǎng）一樣（yàng）的情況下（xià），一方麵有利於科學實驗，而（ér）且有利於（yú）航天員緊急救生（shēng），如果飛船座艙出現意外，隨時啟動返回地麵。這說明飛船升空和返回的角度是在設計之中的。飛船有一套（tào）自動測（cè）試係統，什麽時候製動，什麽時候軌道（dào）艙和返（fǎn）回艙分離，包括調姿的角度，落點準確度（dù），返回打開傘後的（de）風大風小偏離距離的修正都（dōu）在設計之中。
    

三、雙馬屁（pì）股為標準的沿革

    古羅馬人使用兩匹馬拉車（chē），車輪在石板路上磨出（chū）兩道溝。由於（yú）車輪寬窄不一樣，路（lù）上（shàng）留下了不同寬窄的溝。這樣路麵就出現了高低不平的情況。後來（lái），他們想把輪距統（tǒng）一起來，解（jiě）決路麵不平的問題，於是，就把（bǎ）兩匹馬並排，兩匹馬的屁股寬度當成標準，寬度為1.435米，後來英國人修鐵路把鐵軌軌距定為1.435米，這個標準被各國所沿（yán）用，按照這個軌距修鐵路，這樣能夠（gòu）使運輸的貨物最寬為3.72米，去掉車廂外殼，隻剩下3.35米。因此，用標準鐵（tiě）路進行運輸（shū）的火（huǒ）箭最大直徑（jìng）隻能達到3.35米。為了方便運輸，所以火箭芯級（jí）設計為（wéi）3.35米。當然“神（shén）六”也不例外了。
    

四（sì）、誌在九天上，細在毫微間

    神舟六號飛船有五大“器（qì）官”:“眼睛”可直播航（háng）天員的活動（dòng）；“口（kǒu）耳”可（kě）讓航天員與地麵（miàn）聯係；“手（shǒu）臂”遙控飛船姿態（tài）；“神經（jīng）”為飛船傳遞指令信息。而這些功能的實現都離不開計量科學技術的保障。載人航天是一個浩大的工程，更是一個極其精細的工程。在（zài）飛船研（yán）製過程中（zhōng），條條框框繁多，手續多如（rú）牛毛。隻有這樣才能保證飛船沒有缺陷，成為高可靠（kào）的精品。就說零部（bù）件生產加工（gōng）吧（ba），每一個零部件的尺寸都要（yào）進行非常精細（xì）的控製，不允許有超差，一旦出現超（chāo）差就是（shì）廢品。對於每（měi）一個設備產品出廠裝船合蓋前（qián），要經過無數道關的檢驗、拍照（zhào），看其狀態是否合格。對電子設備要嚴（yán）格（gé）檢查雙點引線的狀況，必須要測出兩點都（dōu）是獨立的，測了後要有嚴格記錄，因為一旦合蓋後，兩個點引（yǐn）線是沒法再（zài）測的。對（duì）於火工產品和機械（xiè）設備，都要進行X光和CT等無損探（tàn）傷檢測，並（bìng）保留照片，確保合格，而（ér）且這些工作都要歸檔保存。
    飛船中的（de）每一台設備都是和其他設備配（pèi）合工作的，科技人員為每一台（tái）設備的周圍（wéi）都設計了專用的（de）被稱之為（wéi）“地檢”設備的裝置（zhì），對模擬（nǐ）設備裝船以後進行環境試驗，在單機生產完成後，再用“地檢（jiǎn）”設備進行性能模擬測試（shì）。檢測（cè）之後交付（fù）給分係統。分係統再進行複測，檢測後交整（zhěng）船，再進行測（cè）試，神舟六號飛船有600多台設備、十幾（jǐ）萬個（gè）元器件、數百萬個焊點，都必須保證（zhèng）100%的合格。在神舟（zhōu）飛（fēi）船的研製（zhì）過程中，就（jiù）是通過這樣大量的試（shì）驗、檢測、驗證，使每一個產品、設備都（dōu）能保證過硬的質量（liàng），最終保證（zhèng）航天任務的圓（yuán）滿完（wán）成。
    

五、準確計（jì）量確保（bǎo）航天員的安全（quán）

    飛船在降落時，以（yǐ）每秒數千米的（de）速（sù）度進入大氣層（céng），在大氣（qì）阻力的作用下，速度會迅速下降。距地球15公裏左右的高度時，飛船速度將穩定在每秒200米（mǐ）左右（yòu）。如果飛船以這樣的速度衝向地麵，返回艙裏的航天（tiān）員就如同從100層高樓上飛身直下，其後果不堪（kān）設想。這時就要（yào）依靠降落傘把速度降下來。當下降到10公裏高度時，返回艙可自動（dòng）打開傘艙蓋，帶出引導傘，引導傘（sǎn）再拉出減速傘，減（jiǎn）速傘工作16秒時，與返（fǎn）回艙分離，同（tóng）時拉出主傘（sǎn），主（zhǔ）傘（sǎn）使返回艙下降速度減至每秒8米至（zhì）10米。飛船即使在每秒8米的速度時著陸，衝擊力也可能將航天員的（de）脊柱震斷。這時（shí），飛（fēi）船在即將著陸的一瞬間，也就是距地麵1米時（shí），4台反推火箭點火工作，使（shǐ）返回艙速度（dù）減至每秒2米以內，使（shǐ）航天員安全著陸。可見，計量的準確保證（zhèng）了航天員生（shēng）命的（de）安全。
    

六、用（yòng）秒來控製飛船

    10月12日，在經曆（lì）了583秒的激情飛行後，“神六”飛船進入預定軌道，開始了5天的太空之旅（lǚ）。可見時間計量583秒對飛船能否飛天成功至（zhì）關重（chóng）要。下麵的程序可以說明秒的精確計量，確保了飛船成功飛翔的事實（shí）。9時（shí）0分（fèn）0秒“點火”；9時02分時，火箭實施第一個分離動作（zuò），拋掉了頂部身高8米，狀如避雷針的逃逸塔；9時02分16秒火前助推（tuī）器分離；9時02分39秒時一、二級火箭分離；9時03分20秒整流罩上的32把鎖同時開（kāi）啟，兩瓣罩（zhào）體落入空中，露出飛船；9時09分43秒，船箭成功分離，神舟飛船以每秒7.5公裏（lǐ）的速度在我國黃海上空200公裏高空進入預定軌道。9時39分（fèn）“神舟”六號飛船（chuán）發射成（chéng）功。9時55分，天地通話；11時05分航天員進餐；15時54分45秒，飛船變軌開始，變軌發（fā）動機工作了63秒；17時29分航天（tiān）員打開返回艙與軌道（dào）艙之間艙門，進入軌道艙開展科學實（shí）驗。在距地麵（miàn）343公裏太空中的這個小小動作，標誌著我國載人航天（tiān）飛行由“神（shén）舟”五號的驗證性飛行試驗完全（quán）過渡到（dào）真正意義上（shàng）有人參與的（de）空間飛行試驗。21時30分南太（tài）平洋的遠望三號測量船對（duì）飛船第一次測控取（qǔ）得成功，天地通話7分（fèn）鍾。
    

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（fèn）鍾時間內，“神六”飛船（chuán）經曆（lì）了從7800米（mǐ）/秒至1米/秒的生（shēng）死（sǐ）時速。從343公裏高空的圓（yuán）形軌道上，速度大約在每秒7800米（mǐ），在接到地麵返回指令後，飛船在空中完成姿態調整，將軌（guǐ）道艙與返回艙、推（tuī）進艙分離。製動發動機工作使飛船下降，脫離原（yuán）軌道，自由下滑。大（dà）約距地麵100公裏高度時，推進艙與返（fǎn）回艙分離後進入稠密大氣（qì）層。以每秒數千米的速度（dù）進入大氣層，與（yǔ）大氣層摩擦產生（shēng）1800攝氏度高溫，出現黑障現象，下降至（zhì）40公裏時，黑障（zhàng）現象結束，距15公裏高度時，飛船的速度由超音速下（xià）降到亞音速，並穩定在每秒200米左右。距地麵大約10公裏時，引導傘、減速傘打開，速度下降到每秒80米左右，然後減到（dào）每秒8米、每秒2米再到每（měi）秒1米，最終安全著陸。時間（jiān）、溫度、長度、速度計量得到了精確應用。
    

八、計量擋（dǎng）住太空輻射

    航天員對（duì）太空輻（fú）射要保持警惕。太空中的“隱形殺手”來（lái）自6個方麵，航天（tiān）輻射、乘員艙化學汙（wū）染、溫度聚變、航天（tiān）噪聲、航天（tiān）振動和衝擊、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（lái）說，電（diàn）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（jiào）小。電離輻（fú）射可直（zhí）接或間接地使物質電（diàn）離或激發，貫穿物質的能力較強，能使（shǐ）物體材（cái）料及生物細胞受到損害，對載（zǎi）人航天（tiān）有較大的影響。為了保（bǎo）證航天（tiān）員的安全，中國計量（liàng）科學研（yán）究院為我國航天載（zǎi）人飛船（chuán）的（de）空間輻射測試儀器和（hé）X射線無損探傷設備進行檢定校準，確保了飛船（chuán）空間輻射測試儀（yí）器的準確可靠。計量院根據衛星搭載的熱（rè）釋光探測器及其他相關方法的（de）測量結（jié）果（guǒ），得到來自銀河係宇宙輻射和太陽質（zhì）子，高能帶（dài）電粒子輻射，其輻射強（qiáng）度隨飛行時間和飛行區域軌道而變化。強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。根據搭載的（de）熱釋光探測器及其他相關方法的測量結果，為我國（guó）航天飛船的設計，建立宇宙空間（jiān）電離輻（fú）射係統，以及航天飛（fēi）船（chuán）艙內外及航天員（yuán）個人在飛行過程（chéng）的輻射水平進（jìn）行計量研（yán）究，提（tí）供可靠科（kē）學依據。“神六”二人多（duō）天載人飛船發射成功，航天飛船艙內及航天員（yuán）個人在飛（fēi）行過程中（zhōng）佩帶（dài）的所有熱（rè）釋光探測器，都（dōu）經過計量院對刻度進行檢定。從而保證了航（háng）天飛（fēi）船艙內外及航天員（yuán）個（gè）人在飛行過程中的輻（fú）射安全，獲（huò）取空間輻射科學數（shù）據的準確可靠。中國（guó）計量科學研究院還對衛星製造廠（chǎng）送檢的X射線探傷儀進行檢定、校準，X射線（xiàn）探傷儀在衛星製造過程中用於檢查衛星星體（tǐ）焊接部分，數百萬個焊點是否有（yǒu）縫隙，以確保衛星整（zhěng）體的堅固（gù），這也是衛星製造（zào）過程中重要的環節。
    

九、測（cè）天測（cè）地測（cè）飛船（chuán）

    測控通信的確是個抽象的概念。沒有發（fā）射場的壯觀場麵，看不見、摸不著、聞不到。測控任務主要是跟蹤和獲取（qǔ）航天器的各種信息，進行計算處理（lǐ）和分析，對航天器進行控製和管理。測控可分為兩部分，即（jí）外測和內測。外測主要（yào）是對航天器在空間的位置進行測（cè）量。具體說就是測航天器當前時刻在什麽位置、運（yùn）行軌跡等。內（nèi）測又稱遙測，主要是測量飛船（chuán）內部各種船載設備（bèi）、儀器的狀態，監（jiān）測航天（tiān）員的生理狀況，以什麽姿態在運行等。
    為了提高軌道準確度，我國創（chuàng）建（jiàn）了一套航天測控軌道的計量方法（fǎ），準（zhǔn）確度可以控製在米（mǐ）量級。使我國航天器返回艙（cāng）著陸準確度由10公裏提高到1公裏以內。采用改進了的衛星定姿模型，使我國（guó）衛星姿態控製精確（què）到0.1度（dù），達到國際（jì）領先水平。對（duì）飛船著陸前5到7天內的淺層風力作出準確預報（bào），可以預測飛船著陸時離地麵300米以下的（de）氣象條件（jiàn），預報準確率達到85%以（yǐ）上（shàng），這在國內還是（shì）第一次，在國外也是（shì）罕見的。
    

十、航（háng）天技術使人（rén）類放（fàng）眼宇宙（zhòu）

    我國是一個能源短缺的國家，近年來，生活中的幕幕（mù）景象提醒人們，能源日益（yì）緊張，人類的搖（yáo）籃地球正在（zài）資源、環境（jìng）等問題的困擾下呻吟!怎麽辦？人類立足地球，放眼長天。科學家預言，21世紀對航天能力的依賴，可以和世紀對電力和石油的依賴相比。人（rén）類向宇宙廣度和深度進軍，是曆史發（fā）展的必然進程。