回顧中國(guó)航天歷次太空交會(huì)對(duì)接 “萬(wàn)里穿針”再耀太空

2021-05-30 13:58:51

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供稿：網(wǎng)友

5月30日，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與天和核心艙順利實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，太空再次上演“浪漫之吻”。

空間交會(huì)對(duì)接是載人航天活動(dòng)的三大基本技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)空間站和空間運(yùn)輸系統(tǒng)的裝配、回收、補(bǔ)給、維修、航天員交換及營(yíng)救等在軌服務(wù)的先決條件，復(fù)雜度高、精準(zhǔn)度高、自主性要求高、安全性要求高，其難度被形象地稱(chēng)為“萬(wàn)里穿針”?？蒲腥藛T前赴后繼奮斗了20余年，最終攻克并掌握了這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

快速對(duì)接，“時(shí)鮮貨”按時(shí)送達(dá)

據(jù)航天科技集團(tuán)五院天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船副總設(shè)計(jì)師黨蓉介紹，以往飛船的交會(huì)對(duì)接從發(fā)射到具備交會(huì)對(duì)接條件需要2-3天時(shí)間，過(guò)程中還需要大量的人工參與。而此次天舟二號(hào)與核心艙對(duì)接采用的是快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，而且無(wú)需地面干預(yù)，就像無(wú)人駕駛汽車(chē)一樣。

快速交會(huì)對(duì)接不僅可以縮短航天員在飛船狹小空間中滯留的時(shí)間，減少航天員不必要的體力與精力付出，同時(shí)也可以保證一些“時(shí)鮮貨（比如生物制劑等）”盡快送達(dá)空間站。在安全方面，如果空間站等航天器突遇緊急情況，快速交會(huì)對(duì)接可以迅速做出反應(yīng)，向空間站提供各種急需的物資或救助被困的航天員。為了此次快速交會(huì)對(duì)接，航天科技集團(tuán)五院的研制團(tuán)隊(duì)突破了航天器自主導(dǎo)航測(cè)軌、定軌、自主快速制導(dǎo)等技術(shù)，將復(fù)雜的算法和遠(yuǎn)距離導(dǎo)引技術(shù)工程化，把原來(lái)遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段需要地面干預(yù)的工作交由航天器的星上計(jì)算機(jī)自主運(yùn)行，為快速交會(huì)對(duì)接順利實(shí)施做好了各種準(zhǔn)備。

兩手準(zhǔn)備，自控、手控皆可

手控交會(huì)對(duì)接和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接是空間交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的左右手，互為備份，是飛船可靠性的重要保障。天舟二號(hào)是貨運(yùn)飛船，但是它也裝備了手控系統(tǒng)，可以由人“駕駛”著實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。

那么，天舟二號(hào)無(wú)法載人怎么實(shí)現(xiàn)手控呢？只需要在“手控”后面加三個(gè)字“遙操作”，即當(dāng)貨運(yùn)飛船需要手控交會(huì)對(duì)接的時(shí)候，坐在空間站內(nèi)的航天員通過(guò)手控遙操作，駕駛貨運(yùn)飛船完成與空間站的交會(huì)對(duì)接或撤離。而且為保證系統(tǒng)整體可靠性，天舟的自控與人控系統(tǒng)間通過(guò)設(shè)計(jì)不同的信息接口實(shí)現(xiàn)了相互故障隔離。

天舟一號(hào)的時(shí)候，在遠(yuǎn)距離段，需要人工輔助把飛船送到距離天宮二號(hào)一定的位置，然后由飛船自主去對(duì)接。天舟二號(hào)增加了遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引，就是飛船可以利用北斗導(dǎo)航的位置信息來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的全自主的導(dǎo)航計(jì)算及其制導(dǎo)與控制。就是說(shuō)，以后天舟飛船對(duì)空間站的造訪，過(guò)程中人只負(fù)責(zé)監(jiān)視，整個(gè)飛行和交會(huì)對(duì)接的過(guò)程是全自主的。

可全相位對(duì)接，不怕多飛一整圈

與天舟一號(hào)時(shí)的快速交會(huì)對(duì)接相比，天舟二號(hào)的技術(shù)更進(jìn)一步。五院502所為飛船GNC系統(tǒng)增加了“全相位自主交會(huì)對(duì)接方案”。

顧名思義，“全相位”，就是無(wú)論目標(biāo)飛行器在入軌時(shí)和空間站的相對(duì)位置有1/4圈、半圈，哪怕整圈，“天舟”都可以以最快速度或者在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)到達(dá)，而不用專(zhuān)門(mén)根據(jù)空間站的位置來(lái)選擇飛船發(fā)射時(shí)間，真正實(shí)現(xiàn)了全天候發(fā)射。

在最合適的情況下，從貨運(yùn)飛船入軌算起，最短可以在約4個(gè)小時(shí)實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，為了適應(yīng)空間站運(yùn)營(yíng)多對(duì)接口的新需求，五院502所還在掌握繞飛技術(shù)基礎(chǔ)上，發(fā)展出了中瞄點(diǎn)，就是在空間站后下方附近設(shè)置“中轉(zhuǎn)站”，通過(guò)該點(diǎn)可以最方便地繞向任一個(gè)對(duì)接口實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。

“溫柔一吻”，可控阻尼緩沖撞擊能量

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船要把物資和設(shè)備送進(jìn)核心艙，要實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑補(bǔ)加，就必須在船—艙間建立起高可靠的剛性連接，航天科技集團(tuán)八院805所抓總研制的對(duì)接機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)為此提供了保障。

交會(huì)對(duì)接，是兩個(gè)航天器在空間軌道上會(huì)合并在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)空間站、太空平臺(tái)和空間運(yùn)輸系統(tǒng)的空間裝配、回收、補(bǔ)給、維修、航天員交換及營(yíng)救等在軌道上服務(wù)的先決條件。

我國(guó)是世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握太空交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家。自2011年11月3日對(duì)接機(jī)構(gòu)首次亮相以來(lái)，我國(guó)共實(shí)施了10次空間交會(huì)對(duì)接，圓滿實(shí)現(xiàn)了首次無(wú)人/載人交會(huì)對(duì)接，并驗(yàn)證了在軌補(bǔ)加技術(shù)，為空間站建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為了適應(yīng)天和核心艙22噸級(jí)對(duì)接目標(biāo)以及未來(lái)空間站180噸的對(duì)接任務(wù)，讓貨運(yùn)飛船的主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)與核心艙的被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)“溫柔”地“吻”上去，八院805所設(shè)計(jì)師對(duì)第一代對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，創(chuàng)新性地提出了可控阻尼的控制思路，來(lái)緩沖大噸位航天器對(duì)接過(guò)程中產(chǎn)生的撞擊能量，在經(jīng)過(guò)544次仿真分析和317次地面試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)師充分驗(yàn)證阻尼器的各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)，使原本8噸的對(duì)接能力提升到74噸，乃至180噸，大大提升了大型航天器對(duì)接的可靠性和安全性。

回顧：二十余年磨一劍

為了早日建成中國(guó)人自己的空間站，在中國(guó)的載人航天工程立項(xiàng)的同一年，航天科技集團(tuán)五院502所的科研人員就瞄準(zhǔn)交會(huì)對(duì)接技術(shù)開(kāi)始了攻關(guān)之路。

2011年11月，神舟八號(hào)成功完成了與天宮一號(hào)的兩次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。2012年6月，神舟九號(hào)在航天員的操控下與天宮一號(hào)成功對(duì)接。標(biāo)志著我國(guó)突破了相對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制和交會(huì)對(duì)接相對(duì)測(cè)量敏感器等一系列關(guān)鍵技術(shù)，我國(guó)成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握交會(huì)對(duì)接的國(guó)家。

2016年，作為交會(huì)對(duì)接的一項(xiàng)必要的相關(guān)技術(shù)，神舟十號(hào)突破了繞飛技術(shù)。

2017年，天舟一號(hào)和天宮二號(hào)實(shí)現(xiàn)了6.5小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接在軌試驗(yàn)，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)掌握近地快速交會(huì)對(duì)接的國(guó)家。至此，經(jīng)過(guò)五院502所20余年努力，空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)被中國(guó)人完整獨(dú)立掌握。

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