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70个大红灯笼飘立空中纹丝不动﹐如何做到的﹖

2020-08-11




70个大红灯笼飘立空中纹丝不动﹐如何做到的﹖

图片来源﹕人民日报客户端

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。

70个大红灯笼飘立空中纹丝不动﹐如何做到的﹖

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。图片来源﹕人民日报客户端

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採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。




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