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首次实现径向交会对接 “太空之吻”背后的深情

发布时间: 2021-11-21 点击数:

  10月16日,神舟十三号载人飞船,采用自主快速交会对接模式,成功对接于天和核心舱径向端口。与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起,构成了四舱(船)组合体。随后,3名航天员从神舟十三号载人飞船顺利进入天和核心舱。

  在我国空间站任务中,所有对接机构都是由中国航天科技集团八院研制。从2011年首次亮相的“太空初吻”至今,对接机构共成功实施了15次精准可靠对接,经历了从无人到有人、从自动到手控、从几天到6.5小时、从轴向对接到径向对接的创新突破。

  一次次精彩的“太空之吻”背后,凝聚了航天科技人员对祖国航天事业的热爱、对建设太空强国的深情。

  据中国航天科技集团八院载人飞船系统副总设计师张崇峰介绍,对接机构分为主动对接机构和被动对接机构。神舟载人飞船、天舟货运飞船以及后续将发射的两个实验舱,均配置了对接机构主动端,天和核心舱共配置了5个被动对接口,设计师们形象地称它们为“对接五兄弟”。

  “对接五兄弟”分工明确、各司其职。“大哥”在核心舱的后端,是核心舱专门的“太空快递通道”,被称为“后向对接口”,主要用于对接“太空快递小哥”天舟货运飞船,保证整个空间站的货物输送及在轨能量补充,同时也是载人飞船的备份对接通道。

  “二哥”在节点舱的最前端,被称为“前向对接口”,接待来访的“客人”最多,除了神舟载人飞船、天舟货运飞船外,将来还会迎接问天实验舱、梦天实验舱,堪称“空间站守门人”。“大哥”和“二哥”都有特殊的补加接口,都可以为空间站补充推进剂。

  “三哥”是“径向对接口”,神舟十三号载人飞船就是对接在此处,是专门的“航天员通道”。

  “四哥”和“五弟”在节点舱的两侧呈对称分布,被称为“侧向停泊口”,问天实验舱、梦天实验舱将来会永久停靠在这里。届时,航天员的居住条件将会由“一居室”变成“三居室”,大大增加航天员的活动空间和范围。

  身处太空,“对接五兄弟”长时间暴露在空间辐射环境,需承受88000次、超过200摄氏度上下的高低温循环、低轨空间原子氧的剥蚀,经过多频次的对接与分离后,仍需确保安全可靠,这对它们的身体素质要求极其高。

  多年来,八院805所对接机构团队将自己心中的那份爱毫无保留地奉献给“对接五兄弟”,用自己的聪明才智为它们赋能,共考虑到79项可能会发生的各类故障,为此制定了详细处置预案,以确保“对接五兄弟”在轨期间身体健康、圆满完成工作任务。

  在太空中交会对接,根据任务需要对接方式也很讲究。神舟八号以来的5艘飞船,与目标都是轴向对接。此次神舟十三号载人飞船与49吨级的空间站组合体,首次自主快速实现了径向交会对接。

  径向与轴向的夹角呈90度,对接方式的改变,是为了使航天器易于运动控制,保证其主结构和质量分布尽量对称、紧凑,确保航天器的质心居中,从而减少因姿态控制所消耗的能量。

  与轴向对接相比,径向交会对接难度更大。首先在于持续控制姿态和轨道“难”。轴向交会对接,可以有200米的“稳定保持点”,即使发动机不工作,飞船也能较长时间保持稳定的姿态和轨道。而径向交会没有稳定的中途停泊点,需要持续对飞船的姿态和轨道进行控制,推进剂消耗大,故障处置难。

  其次,姿态和相对位置确定“难”。神舟载人飞船配有敏感器,如同飞船的眼睛,可以通过观察星星和预设的标志点,来确定自己的飞行姿态、与空间站的相对姿态相对位置等。但由于在径向交会过程中,飞船需由平飞转竖飞,大范围的姿态机动,对“眼睛”提出了更高要求。

  第三,是航天员手控交会模式“难”。径向交会对接过程中,基本失去了地球这个最熟悉的参照基准,测控条件变差,且相对动力学运动特性与轴向交会不同,这给手控交会模式下航天员的操作增加了难度。因此,此次径向交会对接整个过程,是在制导导航与控制(GNC)系统指挥下,飞船智能自主完成的。

  为确保平稳顺利实现径向交会对接,八院805所对接机构分系统通过全面分析对接工况,在增加可控阻尼器的基础上,还配合总体完成任务规划,开展了31个工况的捕获缓冲试验,仅单项极偏差工况就达到24次,可有效消除对接机构与多构型、变吨位、大偏心对接目标的捕获、缓冲、连接适应性风险。

  首次成功实现径向交会对接,使径向和轴向交会都成为中国空间站载人飞船正常的交会方式,未来,将会在空间站载人交会对接任务中交替使用。

  太空交会对接,是世界航天领域内公认的最复杂、最难攻关的技术。八院805所自1995年开始启动对接机构的研制。在没有任何参考的情况下,数千次的试验、数以万计的数据积累……一群满怀梦想与深情的航天人,枕戈待旦、埋头苦干了16年。

  2011年,我国自主研制对接机构完美实现了“太空初吻”。神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器实现轴向对接,我国首次实现无人空间交会对接,成为世界上第三个独立掌握空间交会对接技术的国家。

  我国空间站实施建造以来,八院805所研制的对接机构已成功助力4艘飞船实施与天和核心舱的5次精准对接,每一次“太空之吻”的细节各有不同、亮点纷呈。

  第一次:2021年5月29日,天舟二号货运飞船成功发射,6.5小时后成功对接于后向对接口,完成了我国空间站的首次对接任务。

  第二次:2021年6月17日,神舟十二号作为我国空间站的首艘载人飞船,与核心舱前向对接口成功对接,三名航天员穿过对接机构进驻到空间站。

  第三次:2021年9月18日,天舟二号“快递小哥”通过180度绕飞,顺利从后向对接口转移至前向对接口,并再一次实现精准对接,进一步验证了对接机构具备在轨多次可靠对接的能力。

  第四次:2021年9月20日,天舟三号货运飞船成功对接于核心舱后向对接口。

  第五次:2021年10月16日,神舟十三号载人飞船成功对接于核心舱径向对接口,首次实现径向交会对接。

  据悉,按照后续空间站建造及运营规划,八院对接机构团队每年至少要生产交付5套对接机构。目前,八院通过部组件产品化、测试项目通用化以及发射场流程优化等方式,有效提高了生产、总装、测试、试验效率,确保每一次“太空之吻”的完美亮相。(张建松)

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