这款四川牌“空气净化器” 用在了我国首个空间站“办公室”里

2021年4月29日11时22分,海南文昌航天发射场,炽焰飞腾,声震长空,长征五号B遥二运载火箭托举空间站核心舱一飞冲天,标志着我国载人航天三步走的发展战略开始正式迈出最后一步。

空间站的建成,将为航天员开展太空实验提供良好的环境,而空间站内的环控生保分系统则为航天员的生命安全提供基本保障。

由中国航天科技集团有限公司七院所属的四川航天烽火伺服控制技术有限公司总装集成的二氧化碳去除子系统和微量有害气体去除子系统(简称两个子系统)是环控生保分系统的重要组成部分,安装在空间站的核心舱和实验舱I内,而核心舱主要为航天员所在区域,如同他们的办公室一样。

两个子系统,相当于空间站内的空气净化器,保障航天员在核心舱内的生命安全。与普通的空气净化器不同,这两个子系统构造更为复杂,用料更为讲究,工艺要求极高,且没有任何资料参考。

从2015年开始,四川航天烽火伺服控制技术有限公司的研制团队成员们就开始备战,几乎公司内的所有部门都严阵以待,突破多个首次,打造出这款特殊的四川牌空气净化器。

定制生产

选用材料参考专门的准入目录

在遥远太空中漂浮的空间站,为在太空做实验的航天员提供了一个安全的居所。其不仅设有制氧的设备,还得配备空气净化器,消除在轨成员活动所产生的二氧化碳、氨气、一氧化氮等有害气体,保证舱内良好的气体环境。

在此次发射的核心舱内,四川航天烽火伺服控制技术有限公司所总装集成的环控生保分系统中的两个子系统,就发挥了净化空气的功能。

从外形上看,这个长度在1.8米左右的空气净化器并非如想象中那样方正,且构造复杂。两个子系统均由二、三十个功能性单机构成,里面铺设有紧凑的管路件和错综的电缆网。和我们平常的‘空气净化器’一样,有流通气体的管道。该项目的主管设计师黄鹏铭介绍。

此次任务中,他担任的是两个子系统的总装集成设计。功能性单机是由产品委托方负责,而我主要就是根据整体布局,进行管路件和电缆网的总设计,保证将各个单机紧凑且有效地连接在一起。

大到一个单机,小到一根管路,空气净化器里的每一个部件都是专门定制,系统内如何排兵布阵都是靠自主摸索设计。空间站这个事,就我国而言,上上下下都是第一次研制,考验极大。经营发展部副部长吴伯栩表示。

从零部件材料货源的选择开始,就很讲究。不光要看材料是否符合制作条件,还要看供应方的资质够不够。尤其对于载人航天工程中所选用的材料,专门有一个准入要求的目录,里面对选用哪些厂家的材料,都有明确规定。物资保障部部长助理朱江介绍,目录里涵盖的厂家及其生产的材料,都是经过多家相关企业试用,具有较强的可靠性。目录也不是任意一家企业或单位,想进就能进的,名列在册的企业或单位,其加工和检测能力在国内来说肯定都是达到了很高的水准。

机械加工

轻装上阵

对零部件的重量精度要求甚至达到毫克级别

材料的选定并非一锤定音,还要考虑零部件重量、工艺等要求,制成的零部件也要经过反复地试验看是否能够达到预期的性能。

在此次系统内安装有一种名叫波纹管的元件,其外形如同洗衣机排水管一般,可以收缩,起到调节累积误差,同时方便功能性单机在轨拆换维修的作用。

考虑到减重的目的,最开始团队选择了相对较轻的钛合金来制作波纹管。朱江解释,制作加工航天工程的零部件或单机,目标就是尽可能以最轻的重量达到最好的性能。

尽管此次将核心舱送入太空的火箭长征五号B遥二,是目前国内运力最大的运载火箭,但运送核心舱的火箭燃料是固定的,运力有限,这意味着对所托运的舱体及其各个组成部分都有明确的重量要求。就连此次空气净化器系统里的零件密封圈,对其重量提出了毫克级的要求,每一个都要精确称重并做好统计。尽量减少每一个零件的重量,就可以最大限度降低整体的重量,让火箭在一定的燃料下能够飞的更远。朱江说道。

不过钛合金应用于波纹管上,全国都比较少见。我们不断考察调研后,才选择了一个0.5毫米壁厚的,且首选无缝的,增强可靠性。物资保障部部长助理朱江回忆,但将其加工成型并与其他管路连接在一起进行试验后,能够调节的余量并不理想,达不到设计指标。我们又继续协调,把材料改成技术上较为成熟的不锈钢的,但要把管路壁再减薄,因为不锈钢相对来说更重。

如果试验后还是无法满足要求,团队就再进行工艺的优化和加工方法的改进,亦或再去准备调用新的材料。大家红着脸沟通着一个接一个的问题,白天黑夜连轴转,工期悬在头顶,到了时间,就得交产品。

解决零部件研制的过程中,不光要考虑技术问题,还要研判工程实现的可能性。我们设计做出来了,但如果国内并没有适合加工的厂家,我们也得改。吴伯栩表示,这可能又会涉及设计或者工艺的调整,反反复复多次后,才最终确定方案。

焊接

严格把控

焊接管路只能有一次补焊机会

在此次两个子系统的加工过程中,许多工艺方法是首次被应用。

例如对管路的焊接方法采用的是薄壁焊接,属于特殊工艺,公司内技术人员在之前其他项目的加工中并未接触过。边试边干,公司决定,由工艺技术部主任工艺师黄川东牵头负责技术,物资保障部投料,保障供应。

薄管管路长,要一节接着一节地焊,焊缝越少越可靠。但不可避免有焊缝,所以每一条都必须严格把关,一条合格了才能焊下一条。黄川东介绍,每一节焊接完成后,要进行探伤,并且在烘箱里面进行时效处理48个小时。再对表面进行酸洗、钝化并打磨焊疤。

所有程序做完后,要对薄管进行气密性检测等试验。因为焊接过程中如果熔点不对或出现气泡,强度不过关质量有问题,导致试验不合格就只能再焊接一次,但也只有一次补焊机会。如果再不合格,整根管子都得报废。

焊接薄管时,会有一个转台作为辅助工具,旋转薄管方便焊接人员绕着接口处进行操作。如果焊接把控得当稳定发挥,焊缝处焊料二次融化后,将形成鱼鳞般的纹路,层层叠叠,如涟漪泛起。

可追溯性

每个零部件都得拍照记录

零部件产品交付后,在总装过程中,还要有人员进行跟检,负责质量控制,让每一个细节和每一个环节都达到技术文件工艺图纸里的要求。

去年情况特殊,前去北京跟检此次系统装配的计量检验部检验员冉季平等人,在隔离二十天后就迅速投入工作,从4月20日干到了5月12日。

每个零件都要做好过程记录并拍照,每天光照片都是几百张的量,有时照相师傅累得手都举不起了。冉季平表示,记录的目的主要是让产品有追溯性。如果后期发现有问题了,那就要通过这些多媒体记录或者文字资料,去查找原因,看是装配没到位,还是零件本身的问题。

检验最重要的目的就是检查确认零部件尺寸,或者试验一些性能根据结果与图纸进行比对。如果发现有偏差,就得立马决定是返修至合格或者直接报废,并做好相关处理记录,绝对不能放行不合格品。冉季平说道。

对于他和团队来说,以前要花一两个月完成的工作量,这次不到半个月就得保质完成。任务完成时间已经定好,有个总体的要求。然后每个团队自己排生产进度,能往前赶就往前赶,记忆中在北京的日子,没有一天是晚上12点以前就能休息睡觉的,而且早上都是7点就出门。

任务重、时间紧并非只是冉季平一个人的感受。为了完成这次特殊的任务,组建项目团队所调用的兵力,涉及了公司内所有的部门,每周开一次例会推进任务。我们安排的计划表,都是以小时计,比如上午十点完成什么,十一点又做什么,每个人的响应速度都很快。尽管压力大,吴伯栩却感觉到,大家组成了一个真正意义上的项目团队,拧成了一股绳一起攻坚克难。