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首先,這個東西叫太陽帆板,大家好像更習慣叫它太陽能帆板,還有,標題的「炸」是四聲,可不是「油炸」的二聲,現在咱們開聊!

在一般的衛星發射任務中飛控中心會有兩次掌聲,第一次是衛星完成星箭分離進入預定軌道時,而這第二次就是宣布衛星太陽帆板打開后了。與衛星入軌相比這太陽帆板打開好像顯得太小兒科了,其實,這看似簡單的過程可是非常關鍵並且意義重大的,太陽帆板正常打開后,衛星才具備了完整的能量來源,包括自身的信息接收與傳輸,使得軌道與姿態的控制得以全面實現,其上所攜帶的各類載荷也擁有了開機工作的電力條件,沒有太陽帆板供電的衛星就是一顆價值數億甚至數十億的實心兒鐵疙瘩了。

美國GOES-R在洛馬公司做太陽帆板測試

歷史上,因太陽帆板未打開而失敗的衛星不在少數,而且不乏「大腕兒」帆板打開基本上是「一鎚子買賣」,機會只有一次。歐盟設計用於對抗美國GPS導航的伽利略導航群星,相信大家多少都聽說過,在2014年8月22日發射的兩顆衛星,皆因入軌異常再加上太陽帆板打開失敗的雙重打擊,致使歐空局不得不對外宣布發射失敗,直接經濟損失數億歐元;2016年3月13日,俄羅斯發射新一代地球遙感衛星「資源-P3」,入軌后一側太陽帆板打開失敗,由於多載荷的高用電需求,只剩下一邊太陽帆板的資源-P3星(重量5.92噸)工作壽命將嚴重縮短;也曾經在這個環節出現過問題,2006年10月29日發射的鑫諾2號通信廣播衛星,進入軌道后太陽帆板展開失敗,最終在自帶蓄電池消耗殆盡后失去工作能力,這顆重達5.1噸,設計壽命超過15年的衛星發射失敗,直接損失超過20億元。

太陽帆板展開后載荷開機工作

衛星的太陽帆板需要藉助一種火工器件——爆炸螺栓。之所以要炸開固定太陽帆板的「鎖鏈」,原因很簡單,因為「炸開」滿足任務要求。結合航天任務的特殊需要我們可以反推出爆炸螺栓的優勢:強度上能承受火箭發射過程中的大過載與振動;結構上非常簡單就是一個「金屬棍兒」;重量輕體積也是小到不能再小;能耐受數百度的溫差;最為關鍵的就是可靠性非常高!

為了將衛星放進相對狹小寸土寸金的火箭里去,太陽帆板在衛星進入軌道前一直處於摺疊壓縮狀態,從運輸、轉運到發射環節都不會展開,在火箭箭體力打開不就碰壞了!經過多年摸索與實驗積累,科研人員發現用螺栓將要固定的部分鎖死是不二之選,只不過,這個螺栓內部是中空的,是裝填了炸藥的,還可以連通引信,電信號遙控引爆。

聖地亞哥航空航天博物館保存的早期爆炸螺栓測試高速攝影畫面

引爆后的螺栓可以做到沒有碎片,灰常膩害!由於空間任務的特殊性,爆炸螺栓引爆后不能產生多餘碎片,否則可能擊傷航天器,所以,爆炸螺栓在其結構上提前預製了應力槽,也就是人為製造了更脆弱更容易斷開的區域,這樣一來,引爆后爆炸螺栓會按照人們設計的斷為兩三節,並且會乖乖的待在它應該待在的位置。裝葯也非常講究,用老中醫的話說就是「用法用量都拿捏的相當到位」,使得爆炸螺栓滿足強度需求的同時還能輕柔的「釋放」太陽帆板,剩下的工作就交給壓縮的彈簧和其他結構來完成。

拿一張火箭其他位置的爆炸螺栓剖面圖示意,注意圖中深色區域

儘管爆炸螺栓非常可靠,但是它畢竟是火工品,是無法對實際使用的產品進行檢測的,換句話說,一枚鞭炮,當你點燃它並且聽到聲響的時候,你才能對它的好壞做出判斷,而無論好與壞,它都被引爆過了。所以,爆炸螺栓都是精挑細選出來的,而更多的工作是在挑選完成之後的測試,會有專人將同一批次挑選出來的螺栓全部引爆一遍,比如說你挑了一個出來,同一批還剩下9999個,全部做引爆測試,如果通過率低就再來一批,直到符合要求為止。

各位童鞋應該對太陽帆板展開的玄機有了初步了解!為什麼看似簡單的一個展開動作卻標誌著衛星發射成功!而航天人會在這個時候鼓掌,是慶祝,也是釋放!

PS:

現在的衛星開始加裝「備份」爆炸螺栓,還有的具備了「搖一搖星體」的調整能力,能夠進行二次打開嘗試!還要新型的熔斷式釋放結構,已經在Orion ESM衛星上使用。

不光是衛星太陽帆板的固定和展開,包括各級火箭分離、助推器分離、整流罩分離、星箭分離等多種任務環節,從地面發射架的火箭固定,到火箭和航天器本身,再到返回式載人飛行器神舟飛船,處處都能見到爆炸螺栓的身影,在神舟八號飛船上,大大小小各種各樣的爆炸螺栓加在一起就超過500個。其實這個神奇的「航天螺栓」在普通人生活中也能用到,只不過你可能不太希望用到,因為,是在汽車的安全氣囊里!

by Ocean

氣象局 國家空間天氣監測預警中心

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