三言兩語說透設(shè)計模式的藝術(shù)-簡單工廠模式
一、寫在前面工廠模式是最常見的一種創(chuàng)建型設(shè)計模式，通常說的工廠模式指的是工廠方法模式，是使用頻率最高的工廠模式。簡單工廠模式又稱為靜態(tài)工廠方法模式，不屬于GoF 23種設(shè)計
中國空間站在軌運行示意圖。 中國航天科技集團(tuán)五院供圖
航天員王亞平在中國空間站執(zhí)行任務(wù)期間留影。 資料圖片
一橫一豎組成遨游太空的“T”字，積十多年苦功，中國天宮空間站建成了，鑄就了中國載人航天工程和世界史上的一座豐碑。作為中國空間站建設(shè)的一分子，我以參與中國“天宮”建設(shè)為自己最大榮耀。
三步走，步步為營
1992年9月，中央決策實施載人航天工程，并確定了中國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗。第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。
第一步是最基礎(chǔ)的工作，目標(biāo)是保證中國航天員能在太空生存，能安全返回。第二步主要是做突破性、驗證性工作，實現(xiàn)中國航天員出艙，具備在太空工作的能力。這兩步都是在為第三步做驗證和鋪墊，其中空間交會對接是至為關(guān)鍵的技術(shù)之一，空間站的組裝、建造和長期飛行都要靠該技術(shù)來實現(xiàn)。
2003年，我進(jìn)入中國航天科技集團(tuán)五院即航天五院工作，第一個從頭到尾參與的項目就是神舟八號，其核心目標(biāo)是突破空間交會對接技術(shù)。按照規(guī)劃，先發(fā)射一艘無人飛船（神舟八號）來驗證無人空間交會對接技術(shù)，之后再實施兩艘載人飛船即神舟九號和神舟十號任務(wù)。這3艘飛船是主備份關(guān)系，即如果神舟八號沒有達(dá)到任務(wù)預(yù)期目標(biāo)，就由神舟九號繼續(xù)驗證，神舟十號載人飛船則驗證有人空間交會對接技術(shù)。由于神舟八號順利完成了使命，神舟九號的任務(wù)被確定為驗證有人交會對接技術(shù)，神舟十號的任務(wù)則是實現(xiàn)首次應(yīng)用性飛。
作為目標(biāo)飛行器，天宮二號其實是天宮一號的備份，其最初就被命名為“天宮一備”，由于天宮一號任務(wù)圓滿成功，天宮二號的任務(wù)被確定為開展航天員中期駐留、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、在軌維修技術(shù)試驗等。
就這樣環(huán)環(huán)相扣，中國載人航天工程穩(wěn)步前進(jìn)。
2010年9月，《載人空間站工程實施方案》獲批。之后歷時約12年，經(jīng)過空間實驗室任務(wù)和空間站任務(wù)兩個階段，中國“太空之家”在軌建成。
“T”字型，可以拓展
除在九天之上運行的天宮空間站之外，我們其實還有兩座“空間站”：一座是與天宮空間站1∶1鏡像的“數(shù)字空間站”，用于進(jìn)行仿真驗證和數(shù)字推演等；另一座是測試用的“電性空間站”，其軟硬件與在軌運行的“天宮”一模一樣，可以實現(xiàn)與在軌的航天員視頻連線并同步模擬系統(tǒng)工作與在軌活動等。通過這兩座“空間站”，我們能夠?qū)崿F(xiàn)天地協(xié)同。
為了保障可靠、安全、長壽命運行，天宮空間站進(jìn)行了一些冗余備份設(shè)計，要指出的是，這些冗余備份是經(jīng)濟(jì)的，不會出現(xiàn)“死冗余”“呆冗余”。比如，在3艙組合后，冗余備份可以共用，充分體現(xiàn)了“1+1=1”設(shè)計理念。再比如，核心艙雖然在載荷支持功能方面不如實驗艙，但配置很高，僅控制系統(tǒng)的星敏感器就有4個，可以減少實驗艙上的星敏感器數(shù)量。
中國“天宮”是一個可更新、可開放的系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬件設(shè)備的維修、更換和升級，而且其本身可以根據(jù)需要拓展。“T”字基本構(gòu)型建成后，可以在前向?qū)有屡摱危纬伞笆弊謽?gòu)型，新艙段上帶有節(jié)點艙，增加4個對接口和1個出艙口，既可以為巡天望遠(yuǎn)鏡這一級別的航天器進(jìn)行補(bǔ)給、維護(hù)、服務(wù)保障，也可以對接艙段級的“大塊頭”科學(xué)載荷。將來，國外的飛船或艙段也可以與“天宮”對接，這將大幅提升國際空間合作的水平。
目前，我們正在開展第四個艙段的方案論證和先期設(shè)計，將把更多精力用在為航天員提供更多活動空間、增加人性化設(shè)計、提升用戶體驗上。比如，把儀器儀表設(shè)計得更有科技美感，更適于隨身穿戴。再比如，使操縱桿更符合人體工學(xué)、功能更強(qiáng)大。
最優(yōu)解，彰顯智慧
關(guān)于中國空間站構(gòu)型布局，先后有十幾種方案擺在桌面上供討論和選擇。綜合多方面因素，特別是適配天地環(huán)境、滿足功能性能要求、保障重要設(shè)備在軌工作等，我們最終選定“T”字構(gòu)型。
選“T”字構(gòu)型可以獲得最大發(fā)電效率。通過在“T”字“橫”的兩段，設(shè)置雙自由度太陽翼，能夠保障最大限度利用太陽光。
“T”字構(gòu)型可以保持前向、后向、徑（下）向三向?qū)幽芰ΑＧ跋颉较騼蓚€對接口可以接納兩艘載人飛船實現(xiàn)輪換，而且兩個對接口都在軌道平面內(nèi)，飛船可以在軌道面內(nèi)沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接，無需對接后再轉(zhuǎn)位，更安全。后向?qū)迂涍\飛船，天宮空間站可以直接用貨運飛船發(fā)動機(jī)進(jìn)行軌道機(jī)動。
“T”字構(gòu)型是最優(yōu)解，彰顯了中國航天人的智慧。
難關(guān)多，逐一攻克
空間站重在科研應(yīng)用，我們所有的努力都旨在為科研應(yīng)用打牢基礎(chǔ)，讓平臺、結(jié)構(gòu)、能源、信息、控制、生命保障等功能經(jīng)得起考驗，做到令人放心，同時賦予其足夠的擴(kuò)展能力和適應(yīng)能力。
當(dāng)然，要做到令人放心并不容易，在這個過程中，我們遇到了很多難題，其中有兩類頗具代表性。
第一類與長壽命、長周期、長時間有關(guān)。一些材料在前期表現(xiàn)很好，卻在工程研制中出問題，導(dǎo)致做長壽命試驗時未能抵近極限。一些小尺寸材料做防原子氧處置效果很好，但是在用一些新方法、新技術(shù)在某些大尺寸材料上做，就出現(xiàn)瑕疵。
第二類與在地面無法完全真實模擬某些空間環(huán)境有關(guān)。由于地面仿真手段有限，對仿真對象了解不夠深入，導(dǎo)致仿真模型不夠準(zhǔn)。比如在液體收集管理方面，我們在地面試驗中做到收集率達(dá)到99%，在太空中即使達(dá)到98%也會造成麻煩，因為液體殘留量會日積月累。
航天領(lǐng)域老前輩們常說：“識別關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。”面對難關(guān)，我們不僅要攻破技術(shù)原理，而且要把工程實現(xiàn)的全過程走通，把每件產(chǎn)品質(zhì)量做到極致，把各種狀態(tài)摸透。可以說，我們一直在努力識別“未知”，量化“已知”并通過各種分析驗證，借助相關(guān)數(shù)據(jù)反饋，把難關(guān)逐一攻克。
“天宮”的實驗艙上有一對碩大的太陽翼，可以像大風(fēng)車一樣360°轉(zhuǎn)動，非常炫酷。這對太陽翼就是我們用上述方式攻克難關(guān)取得的一大碩果。
該太陽翼尺寸特別大，單翼長約27米，展開面積138平方米。如此巨型的翼在軌展開后會產(chǎn)生怎么振動呢？由于在地面無法進(jìn)行等尺寸動力學(xué)特性驗證，我們只能從局部入手，對太陽翼伸展機(jī)構(gòu)做單獨的動力學(xué)特性驗證，再通過仿真、數(shù)值補(bǔ)償?shù)绒k法推出完整的動力學(xué)特性，再結(jié)合核心艙的一套辨識系統(tǒng)，監(jiān)測其太陽翼在軌振動、擾動情況并測出振動頻率。 據(jù)此，我們在實驗艙發(fā)射前對其太陽翼控制參數(shù)、仿真模型參數(shù)進(jìn)行了修正。最終，實驗艙振翅高飛，助力中國“天宮”遨游太空。
忙驗證，三線并行
天和核心艙在發(fā)射入軌后約一年間，在兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船配合下，完成了“關(guān)鍵技術(shù)驗證階段”。這一階段是系統(tǒng)工程一個生命周期尋求滿意解的“最后一公里”。對于空間站建造來說，在該階段有空間站推進(jìn)劑補(bǔ)加、再生生保、艙外操作、在軌維修等7大關(guān)鍵技術(shù)要在軌驗證。
再生生保即再生式生命保障是人類實現(xiàn)中長期載人飛行最核心的關(guān)鍵技術(shù)之一，既受微重力環(huán)境影響，又有時間效應(yīng)。在空間站微重力環(huán)境下，水處理、尿處理、電解制氧等構(gòu)成的自我循環(huán)系統(tǒng)與在地面的表現(xiàn)不同，同時需要足夠長的時間才能建立起物質(zhì)平衡，這就需要航天員在軌生活數(shù)月進(jìn)行驗證。
2021年6月，神舟十二號飛行乘組進(jìn)入核心艙，中國空間站開始載人飛行，對相關(guān)性能進(jìn)行在軌驗證。之后，神舟十三號和神舟十四號飛行乘組入駐“天宮”，進(jìn)行了一些艙外操作驗證，完成對空間站上機(jī)電產(chǎn)品、有流體回路的產(chǎn)品的設(shè)置。值得一提的是，神舟十三號航天員乘組在地面科技人員的密切協(xié)同下，在空間站核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號貨運飛船與空間站組合體交會對接試驗。
空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段之后就是空間站在軌建造階段。那幾年，我們一邊研制艙段，一邊做空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證，還一邊謀劃空間站長期運行模式，可謂三線并進(jìn)。
大系統(tǒng)，團(tuán)結(jié)協(xié)作
空間站的設(shè)計空前復(fù)雜，系統(tǒng)多、接口多、狀態(tài)多，組織體系和設(shè)計體系特殊。
艙段上各分系統(tǒng)由眾多單位負(fù)責(zé)，研制難度超過了很多航天器。由于各部分自身是一個獨立系統(tǒng)，同時又要融入整個大系統(tǒng)中，涉及大量協(xié)調(diào)和優(yōu)化工作。
作為中國空間站系統(tǒng)總指揮，我時刻關(guān)注各分系統(tǒng)之間的相互影響，從空間站大系統(tǒng)的視角來看問題，做“系統(tǒng)決策”。讓我非常感動的是，空間站系統(tǒng)所有參與人員都多年如一日，兢兢業(yè)業(yè)、精益求精、忘我工作，都著眼大局、服務(wù)大局、團(tuán)結(jié)協(xié)作。大家為了完成同一個目標(biāo)，傾情付出，貢獻(xiàn)自己的汗水和聰明才智。
中國載人航天工程系統(tǒng)當(dāng)然是更龐大的系統(tǒng)，除了空間站系統(tǒng)之外，還有載人飛船系統(tǒng)、貨運飛船系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)、著陸場系統(tǒng)等。只有各系統(tǒng)群策群力、密切協(xié)作才能保障中國載人航天工程取得成功。
多年來，中國空間站系統(tǒng)獲得其他兄弟系統(tǒng)的鼎力支持。飛船系統(tǒng)的有些技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用很久，非常成熟了，但是為了適應(yīng)空間站需求，做出了必要調(diào)整。對運載火箭系統(tǒng)，空間站不僅要求其推力大、起飛重量大，而且要求箭艙分離時的沖擊力小。火箭系統(tǒng)團(tuán)隊與我們精誠合作，攜手實現(xiàn)了目標(biāo)。空間站艙段發(fā)射對入軌精度要求高，對發(fā)射時間窗口有限制。為了滿足要求，發(fā)射場系統(tǒng)團(tuán)隊和火箭系統(tǒng)團(tuán)隊積極努力，使空間站艙段精準(zhǔn)入軌，給空間交會對接創(chuàng)造了好條件。同時，測控系統(tǒng)不斷加強(qiáng)和優(yōu)化陸、海和天基測控資源，提供優(yōu)質(zhì)測控服務(wù)。
航天是“千人一枚箭、萬人一桿槍”的事業(yè)，正是靠著萬眾一心的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，中國空間站建成，遨游于九天之上。
隨著中國“天宮”的誕生，中國航天站上了新起點，國際科技界擁有了一項新的太空科研基礎(chǔ)設(shè)施。我們深信，這座由中國人設(shè)計并主導(dǎo)、向世界開放的空間站將充分體現(xiàn)載人航天的價值，為人類進(jìn)一步認(rèn)識宇宙、更好利用空間資源做出卓越貢獻(xiàn)。
（王翔 本文作者王翔為空間站系統(tǒng)總指揮，由陳立根據(jù)作者口述整理） 中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心與本報合作推出
本文鏈接：http://m.rrqrq.com/showinfo-16-5360-0.html中國“天宮”：世界航天豐碑
聲明：本網(wǎng)頁內(nèi)容旨在傳播知識，若有侵權(quán)等問題請及時與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時間刪除處理。郵件：2376512515@qq.com
上一篇： 陸地探測四號01星成功發(fā)射
下一篇： 北斗應(yīng)用
Copyright ? 2016-2023 天津谷騏科技有限公司 版權(quán)所有 sitemap.xml
違法及侵權(quán)請聯(lián)系：2376512515@qq.com 津ICP備18001702號
津公網(wǎng)安備 12010102000574號