◎ 北京空間機(jī)電研究所 李 莉

2019年10月1日上午，中華人民共和國(guó)成立70周年慶祝大會(huì)在北京天安門(mén)廣場(chǎng)隆重舉行，由北京空間機(jī)電研究所承制的70盞大型充氣燈籠穩(wěn)穩(wěn)地飄立于天安門(mén)廣場(chǎng)上空，為整個(gè)慶典增添亮點(diǎn)和喜慶。

燈籠的外形設(shè)計(jì)參照了天安門(mén)城樓的紅慶燈，直徑5m，高度4.2m，莊嚴(yán)大氣；云臺(tái)采用金鑲紅設(shè)計(jì)，與宮燈整體相得益彰又不失靈動(dòng)，通體流暢又充盈美感；8朵祥云下方流蘇下垂，隨風(fēng)輕擺，盡顯中華氣度。

這70盞大型充氣燈籠的研發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)用的正是北京空間機(jī)電研究所的航天器回收著陸技術(shù)。用高強(qiáng)度柔性材料制成的燈籠，對(duì)所用材料提出了很高的要求，外部面料具有防水、阻燃性能，內(nèi)囊則采用耐壓且氣密性良好的高空氣球復(fù)合膜制成。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)對(duì)流場(chǎng)的分析，該所研制團(tuán)隊(duì)為每個(gè)燈籠設(shè)計(jì)了5個(gè)系留點(diǎn)，包括1個(gè)燈籠下方的主系留點(diǎn)和4個(gè)側(cè)向的副系留點(diǎn)，副系留繩的一端通過(guò)掛鉤與鎮(zhèn)鐵上的系留孔連接，另一端連接在燈籠的輔助拉繩上，通過(guò)精確設(shè)計(jì)的牽拉角度確保燈籠在20多米的空中穩(wěn)穩(wěn)懸浮。燈籠釋放用的系留繩由高科技材料制成，這種材料常用作航天器著陸用降落傘的傘繩、傘帶，每根拉繩的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1t，并具有防割性能，可確保燈籠在飄浮過(guò)程中的絕對(duì)安全。

10年前，慶祝中華人民共和國(guó)成立60周年慶祝大會(huì)中所使用的60盞大型充氣燈籠，也是由北京空間機(jī)電研究所承制的。10年之間，同樣的任務(wù)，同樣的天安門(mén)廣場(chǎng)，同樣的一群航天人，面對(duì)新中國(guó)60歲到70歲的時(shí)代跨越，面對(duì)更高的呈現(xiàn)效果要求，北京空間機(jī)電研究所航天人是用怎樣的技術(shù)創(chuàng)新讓一盞燈籠變得愈發(fā)美輪美奐？讓我們?nèi)タ纯窗桑?/p>

外形設(shè)計(jì)更莊重大氣

與新中國(guó)成立60周年慶祝大會(huì)的燈籠相比，新中國(guó)成立70周年慶祝大會(huì)上的大紅燈籠有了一些創(chuàng)新和提升，外形上更大氣，操作上更簡(jiǎn)便可靠。

燈籠起源于漢朝，唐朝開(kāi)元年間開(kāi)始廣為流行。紅燈籠象征著闔家團(tuán)圓、事業(yè)興旺、紅紅火火，象征著幸福、光明、活力、圓滿與富貴。

70周年慶祝大會(huì)的大型充氣燈籠外形充分借鑒了天安門(mén)城樓紅慶燈的外形和圖案設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了放大。燈籠直徑5m，高4.2m，燈身上下各有8朵金色祥云，經(jīng)線方向裝飾有16條金色線條，與燈身渾然一體，寓意天順地順、天地人和。上下云臺(tái)直徑均為1.5m，高分別為0.4m和0.5m，表面裝飾有金色鑲嵌紅色線條。下云臺(tái)下部連接0.6m長(zhǎng)的金黃色流蘇，整個(gè)燈籠莊嚴(yán)、大氣。

在大紅燈籠外囊的加工過(guò)程中，研制人員大量采用了航天器用降落傘的材料和加工工藝，特別對(duì)于關(guān)鍵部位，其縫合線跡密度要求每10cm不得少于30針，每一條縫合部位都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，以確保燈籠的產(chǎn)品質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失。

另外，燈籠外囊材料還做了特殊的涂層處理，一方面確保外囊的防水性能更好，另一方面還能保證陽(yáng)光照射下燈籠顏色更加鮮艷、靚麗。

充放氣更省時(shí)省力

作為一個(gè)直徑5m、高4.2m的大型球體，燈籠內(nèi)部需要充入近70m3的氦氣。在充氣時(shí)，需要燈籠下部的充氣口盡量便于握持，以保證充氣時(shí)不發(fā)生大的擺動(dòng)。10年前的燈籠采用的是充氣口和放氣口同軸設(shè)計(jì)，即充氣口和放氣口共用，口直徑為400mm，充氣速度可以保證，但放氣速度卻較慢，一盞燈籠放氣時(shí)間需要30min左右。為了既便于充氣，又能快速放氣，10年后的燈籠是一大一小兩個(gè)口，充氣口小、放氣口大，即在直徑600mm的放氣口側(cè)壁上連接直徑100mm的充氣口。這樣，不僅充氣的時(shí)候易于控制，放氣的時(shí)間還縮短了一半，確保撤收工作按時(shí)迅速完成。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證更精準(zhǔn)

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到大型充氣燈籠內(nèi)部的壓力、溫度參數(shù)，以及燈籠自身的位移、姿態(tài)變化與各系留繩的受力情況，研制人員在試驗(yàn)中采用了多種無(wú)線傳感器進(jìn)行測(cè)量。燈籠是柔性結(jié)構(gòu)，內(nèi)部測(cè)量設(shè)備不能對(duì)球體產(chǎn)生破壞，同時(shí)固定在球體上的姿態(tài)測(cè)量裝置又需要有良好的剛性連接。針對(duì)這些問(wèn)題，研制人員集思廣益，將測(cè)量燈籠內(nèi)部壓力、溫度的傳感器安裝在一個(gè)泡沫球殼內(nèi)，但又讓傳感器露出。這樣，即便傳感器在燈籠內(nèi)部翻滾，也可以保證既準(zhǔn)確測(cè)量到參數(shù)，又不會(huì)對(duì)球體造成破壞。

研制人員在燈籠頂部的無(wú)線傳感器安裝方面也花了心思。為了將姿態(tài)測(cè)量裝置固定在燈籠上，在燈籠頂部縫制了一圈扣襻，將姿態(tài)測(cè)量裝置的剛性支座通過(guò)繩帶連接在這圈扣襻上。當(dāng)燈籠充氣達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，這圈扣襻上的繩帶都均勻繃緊，將支座牢牢地固定在宮燈頂部。此外，研制人員還在同一時(shí)間下對(duì)多種無(wú)線傳感器進(jìn)行記錄，從而獲得燈籠在風(fēng)力作用下的位移姿態(tài)變化、內(nèi)部壓力、溫度、系留繩上拉力等的相互關(guān)系，為燈籠的設(shè)計(jì)完善提供更精準(zhǔn)的依據(jù)。

釋放裝置更安全可控

燈籠的釋放裝置是負(fù)責(zé)將宮燈升空或降下的設(shè)備。10年前，燈籠釋放裝置的操作是一項(xiàng)較難控制的工作。由于燈籠的升力較大，囿于當(dāng)時(shí)條件的限制，升降裝置的絞盤(pán)沒(méi)有設(shè)計(jì)齒輪減速鎖定裝置，在釋放的時(shí)候，如果操作人員在前半圈和后半圈的施力方向不同，絞盤(pán)的搖把有滑脫的風(fēng)險(xiǎn)。研制人員在設(shè)計(jì)慶祝新中國(guó)成立70周年的大型充氣燈籠時(shí)，針對(duì)這一潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，絞盤(pán)采用齒輪減速鎖定裝置，即便沒(méi)有操作人員旋轉(zhuǎn)搖把，燈籠的升力也不會(huì)將絞盤(pán)拉動(dòng)，真正做到了燈籠的升降由操作人員隨意精準(zhǔn)控制。同時(shí)，操作人員只需要在搖把上施加升力1/4的力量就可以輕松升降燈籠，燈籠的升降過(guò)程變得更加安全、便捷。

鎮(zhèn)鐵設(shè)計(jì)更人性化

鎮(zhèn)鐵算得上大型充氣燈籠的“地面裝置”，每盞燈籠配置主副鎮(zhèn)鐵共計(jì)5組。主鎮(zhèn)鐵一組，重100kg，4個(gè)副系留點(diǎn)各配置一組鎮(zhèn)鐵，每組重達(dá)250kg。鎮(zhèn)鐵通過(guò)系留繩對(duì)燈籠起到固定作用，為大紅燈籠穩(wěn)穩(wěn)飄立于空中發(fā)揮著“定海神鐵”的重要作用。10年前，由于整個(gè)任務(wù)的周期極為緊張，在設(shè)計(jì)燈籠的鎮(zhèn)鐵時(shí)只考慮了鎮(zhèn)鐵的質(zhì)量，沒(méi)有全方位地考慮增大鎮(zhèn)鐵與地面的摩擦系數(shù)這一細(xì)節(jié)。10年后，研制人員在這一點(diǎn)下了不少工夫，通過(guò)對(duì)多種材料的選擇和試驗(yàn)，確定了一種具有高摩擦系數(shù)的柔性摩擦材料，在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)鐵底板上鋪設(shè)該種材料，使得該材料在受壓情況下能夠很好地貼合地面起伏、形狀，產(chǎn)生更大的摩擦力。研制團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次地面摩擦力試驗(yàn)，獲得了較理想的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

另外，考慮到鎮(zhèn)鐵的質(zhì)量，結(jié)合10年前搬運(yùn)鎮(zhèn)鐵的體會(huì)，研制團(tuán)隊(duì)還在鎮(zhèn)鐵的搬運(yùn)上花了很多心思，定制了尺寸匹配、收放便利的小型四輪搬運(yùn)車(chē)，一名壯小伙用它就能將250kg的鎮(zhèn)鐵托抬離地面3~5cm左右，移動(dòng)到指定位置準(zhǔn)確碼放，效率較10年前提升了數(shù)倍。