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            首次實現徑向交會對接 “太空之吻”背后的深情

            2021-10-18 09:20:29 來源: 新華每日電訊 作者: 張建松

            張建松

            交會對接的“太空之吻”再一次成功!

            10月16日,神舟十三號載人飛船,采用自主快速交會對接模式,成功對接于天和核心艙徑向端口。與此前已對接的天舟二號、天舟三號貨運飛船一起,構成了四艙(船)組合體。隨后,3名航天員從神舟十三號載人飛船順利進入天和核心艙。

            在我國空間站任務中,所有對接機構都是由中國航天科技集團八院研制。從2011年首次亮相的“太空初吻”至今,對接機構共成功實施了15次精準可靠對接,經歷了從無人到有人、從自動到手控、從幾天到6.5小時、從軸向對接到徑向對接的創新突破。

            一次次精彩的“太空之吻”背后,凝聚了航天科技人員對祖國航天事業的熱愛、對建設太空強國的深情。

            天和核心艙上的“對接五兄弟”

            據中國航天科技集團八院載人飛船系統副總設計師張崇峰介紹,對接機構分為主動對接機構和被動對接機構。神舟載人飛船、天舟貨運飛船以及后續將發射的兩個實驗艙,均配置了對接機構主動端,天和核心艙共配置了5個被動對接口,設計師們形象地稱它們為“對接五兄弟”。

            “對接五兄弟”分工明確、各司其職。“大哥”在核心艙的后端,是核心艙專門的“太空快遞通道”,被稱為“后向對接口”,主要用于對接“太空快遞小哥”天舟貨運飛船,保證整個空間站的貨物輸送及在軌能量補充,同時也是載人飛船的備份對接通道。

            “二哥”在節點艙的最前端,被稱為“前向對接口”,接待來訪的“客人”最多,除了神舟載人飛船、天舟貨運飛船外,將來還會迎接問天實驗艙、夢天實驗艙,堪稱“空間站守門人”。“大哥”和“二哥”都有特殊的補加接口,都可以為空間站補充推進劑。

            “三哥”是“徑向對接口”,神舟十三號載人飛船就是對接在此處,是專門的“航天員通道”。

            “四哥”和“五弟”在節點艙的兩側呈對稱分布,被稱為“側向停泊口”,問天實驗艙、夢天實驗艙將來會永久停靠在這里。屆時,航天員的居住條件將會由“一居室”變成“三居室”,大大增加航天員的活動空間和范圍。

            身處太空,“對接五兄弟”長時間暴露在空間輻射環境,需承受88000次、超過200攝氏度上下的高低溫循環、低軌空間原子氧的剝蝕,經過多頻次的對接與分離后,仍需確保安全可靠,這對它們的身體素質要求極其高。

            多年來,八院805所對接機構團隊將自己心中的那份愛毫無保留地奉獻給“對接五兄弟”,用自己的聰明才智為它們賦能,共考慮到79項可能會發生的各類故障,為此制定了詳細處置預案,以確保“對接五兄弟”在軌期間身體健康、圓滿完成工作任務。

            首次實現徑向交會對接

            在太空中交會對接,根據任務需要對接方式也很講究。神舟八號以來的5艘飛船,與目標都是軸向對接。此次神舟十三號載人飛船與49噸級的空間站組合體,首次自主快速實現了徑向交會對接。

            徑向與軸向的夾角呈90度,對接方式的改變,是為了使航天器易于運動控制,保證其主結構和質量分布盡量對稱、緊湊,確保航天器的質心居中,從而減少因姿態控制所消耗的能量。

            與軸向對接相比,徑向交會對接難度更大。首先在于持續控制姿態和軌道“難”。軸向交會對接,可以有200米的“穩定保持點”,即使發動機不工作,飛船也能較長時間保持穩定的姿態和軌道。而徑向交會沒有穩定的中途停泊點,需要持續對飛船的姿態和軌道進行控制,推進劑消耗大,故障處置難。

            其次,姿態和相對位置確定“難”。神舟載人飛船配有敏感器,如同飛船的眼睛,可以通過觀察星星和預設的標志點,來確定自己的飛行姿態、與空間站的相對姿態相對位置等。但由于在徑向交會過程中,飛船需由平飛轉豎飛,大范圍的姿態機動,對“眼睛”提出了更高要求。

            第三,是航天員手控交會模式“難”。徑向交會對接過程中,基本失去了地球這個最熟悉的參照基準,測控條件變差,且相對動力學運動特性與軸向交會不同,這給手控交會模式下航天員的操作增加了難度。因此,此次徑向交會對接整個過程,是在制導導航與控制(GNC)系統指揮下,飛船智能自主完成的。

            為確保平穩順利實現徑向交會對接,八院805所對接機構分系統通過全面分析對接工況,在增加可控阻尼器的基礎上,還配合總體完成任務規劃,開展了31個工況的捕獲緩沖試驗,僅單項極偏差工況就達到24次,可有效消除對接機構與多構型、變噸位、大偏心對接目標的捕獲、緩沖、連接適應性風險。

            首次成功實現徑向交會對接,使徑向和軸向交會都成為中國空間站載人飛船正常的交會方式,未來,將會在空間站載人交會對接任務中交替使用。

            確保每一次“太空之吻”完美亮相

            太空交會對接,是世界航天領域內公認的最復雜、最難攻關的技術。八院805所自1995年開始啟動對接機構的研制。在沒有任何參考的情況下,數千次的試驗、數以萬計的數據積累……一群滿懷夢想與深情的航天人,枕戈待旦、埋頭苦干了16年。

            2011年,我國自主研制對接機構完美實現了“太空初吻”。神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器實現軸向對接,我國首次實現無人空間交會對接,成為世界上第三個獨立掌握空間交會對接技術的國家。

            我國空間站實施建造以來,八院805所研制的對接機構已成功助力4艘飛船實施與天和核心艙的5次精準對接,每一次“太空之吻”的細節各有不同、亮點紛呈。

            第一次:2021年5月29日,天舟二號貨運飛船成功發射,6.5小時后成功對接于后向對接口,完成了我國空間站的首次對接任務。

            第二次:2021年6月17日,神舟十二號作為我國空間站的首艘載人飛船,與核心艙前向對接口成功對接,三名航天員穿過對接機構進駐到空間站。

            第三次:2021年9月18日,天舟二號“快遞小哥”通過180度繞飛,順利從后向對接口轉移至前向對接口,并再一次實現精準對接,進一步驗證了對接機構具備在軌多次可靠對接的能力。

            第四次:2021年9月20日,天舟三號貨運飛船成功對接于核心艙后向對接口。

            第五次:2021年10月16日,神舟十三號載人飛船成功對接于核心艙徑向對接口,首次實現徑向交會對接。

            據悉,按照后續空間站建造及運營規劃,八院對接機構團隊每年至少要生產交付5套對接機構。目前,八院通過部組件產品化、測試項目通用化以及發射場流程優化等方式,有效提高了生產、總裝、測試、試驗效率,確保每一次“太空之吻”的完美亮相。

            責任編輯: 冷媚
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