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70个大红灯笼飘立空中纹丝不动,如何做到的?

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10月1日的天安门广场,东西侧路上空各35个红彤彤的大型充气灯笼,飘立在空中一动不动,仿佛悬浮于空中一般,这是如何做到的?
设计研制这些灯笼的,是中国航天科技集团有限公司五院508所的专家们。
“涉及理论力学和空气动力学,技术核心是要让拴灯笼的系留绳的延长线经过气球的气动压心,这个就叫系留技术,字面意思就是系住并留下。”大型充气灯笼的技术负责人、508所回收着陆专业副总工程师滕海山介绍。大型充气灯笼设计团队,由508所回收着陆技术研究室的充气结构和降落伞两个专业的人员组成。
从庆祝新中国成立50周年庆典开始,广场上空悬浮的大红灯笼都是由508所来设计的。
“从广场布局来看,都是平面的,如何让平面立体起来?烘托喜庆氛围?就有了挂灯笼这个创意。灯笼的外形设计是按照天安门城楼上的红庆灯设计研制的。”滕海山参加过庆祝新中国成立50周年、60周年、70周年时用到的充气灯笼的设计研制工作,对其中的故事如数家珍。
508所的主业之一是航天器回收着陆技术研究,而回收卫星、飞船的减速部件降落伞就是柔性材料,然而设计同样是柔性材料做成的大型充气灯笼,对他们来说还是存在挑战。
大型充气灯笼由内囊和外囊组成;灯笼下面拴着系留绳,正中间的叫主系留绳,四周的叫副系留绳;系留绳的下面“拽”着镇铁。升空的时候,先往灯笼里充氦气,充满、扎口、释放;降落的时候,摇主系留绳下面的绞盘收绳,灯笼落下来了,放气、折叠,还可以反复使用。

图片来源:人民日报客户端
充气灯笼总体技术负责人、中国航天科技集团五院508所回收着陆专业青年专家陈旭。
设计这样一个充气灯笼,难在哪儿?
“一是气密性。充气灯笼是利用氦气比空气轻的特点,往内囊里充氦气升空的。而氦气属于惰性气体,通常是用来检验是否漏气的,所以做氦气灯笼对气密性要求非常高。”滕海山说。508所设计的大型充气灯笼是采用降落伞的制作技术,通过热熔化焊接,把复合膜焊在一起,密封性非常好。
充气灯笼气动压心的计算当然是关键中的关键,不然,升起来的灯笼不稳定,会在空中“跳舞”。充气灯笼的外囊是缝制的,如何让力系均布在球体表面,也要靠精密的计算。镇铁和地面之间的摩擦系数同样重要。处理不好,风一吹,灯笼会拽着地面上的镇铁跑。
“以前在太阳暴晒的情况下,灯笼会不会爆、里面气压多大,全凭手拍。这次,我们在灯笼里内置了防刺的无线测量设备,内部气压多大,随时可测量。”灯笼的总体技术负责人、508所回收着陆专业青年专家陈旭介绍。陈旭也参加过庆祝新中国成立60周年的灯笼设计。
这次还在灯笼上加装了IMU无线传感姿态测量设备,灯笼升空后,是“纹丝不动”还是“看着一动不动”,都有精确的数据。有了这些数据,便于研制过程中随时调整设计参数。
10年、20年过去了,大型充气灯笼的方方面面都在进步。
“升降方式更可靠了。”陈旭说。以前,升降灯笼的绞盘没有锁紧功能,升降时若不小心可能会被把手反打,如今不但有了锁紧功能,绞盘也更轻了。过去,搬运镇铁靠人工,如今,市场上出现了可定制的小推车,把镇铁铲起来搬运,节省了人力。
“庆祝新中国成立60周年时,灯笼内囊还只有一个出气口,充气还行,放气时太慢。今年,在内囊上设计了两个口,小口充气,大口放气,这样收灯笼的速度提高了。”陈旭说。
灯笼外囊的红色涤纶布今年也经过了浸入硅胶处理,红得更鲜艳了,下小雨也不怕内渗,水珠会直接滑落下来。内囊的三层材料也在加工时就贴合在一起,不用再在底部留排气孔了,气密性更好。
今年的充气灯笼5米宽,4.2米高,上云台0.4米,下云台0.5米,流苏0.6米。如此庞然大物和复杂制作工序,必须升起来才能检验释放各环节是否存在问题。为此,今年进行了近20次外场演练,最长一次持续7天,每天凌晨3:30开始,傍晚收工。
5月底的演练,在一处没有任何阴凉的旷野进行,下午1点,混凝土地面温度近50摄氏度,云台安装、充气、扎口、转运和升空……在被太阳炙烤的地面上,试验员们一丝不苟完成了每个环节,顾不上擦滚落而下的汗珠。
6月底,试验队又来到天津海滨,在北京市气象局的协助下,进行抗风能力测试。释放灯笼的场地是片草地,先除草才能更精准的为镇铁定位,等草除完了,叉车又陷进去出不来了,一组组250公斤重的镇铁,只能靠人力搬运。
演练一直持续到9月初,期间,研制团队还拿出一个月时间,对当天负责释放的北京体育大学的大学生志愿者们进行培训。“按照严格的航天管理模式,最终都是为了确保灯笼的精益求精和任务的万无一失。”陈旭说。
经过测试,一二级风时,灯笼能保持肉眼看去“纹丝不动”。“实际上在空中会有10厘米到20厘米的摆幅。”滕海山说。三四级风时,“看起来一动不动”,实际上会有0.5米到1米的摆动。六级风以下,灯笼都可以正常使用。
20年前,滕海山第一次参加灯笼研制,还是一名29岁的设计师,满是新鲜感;10年前,滕海山第二次参加灯笼设计,已经是技术负责人了。
“从庆祝新中国成立50周年到70周年,我们国家的航天技术在进步,材料和制作工艺也在进步,现在,我们对灯笼的抗风、抗压能力认识更深刻了,相信一定能呈现更好的效果。”滕海山自豪地说。
来源:北京日报客户端



               
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沙发
发表于 5 小时前 来自手机 | 只看该作者
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