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“太空之吻”背后的“支撐點”——空間交會對接技術解讀

2013年06月14日15:21    來源:科技日報     手機看新聞

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6月13日,聶海勝、張曉光、王亞平以漂浮姿態進入天宮一號。新華社記者 劉潺攝

關注“天神再度對接”

6月13日13時18分,天宮一號目標飛行器與神舟十號飛船成功實現自動交會對接。這是我國第5次成功實現空間交會對接。

中國載人航天工程總設計師周建平曾介紹說,我國載人航天工程交會對接任務包括工程八大系統:航天員系統、空間應用系統、載人飛船系統、運載火箭系統、發射場系統、測控通信系統、著陸場系統和空間實驗室系統。交會對接任務的完成,需要八大系統密切配合和協同,是一個復雜的系統工程。

“要實現兩個航天器在空間的交會對接,對各大系統都提出了更高要求。”周建平說,例如運載火箭要滿足升交點赤徑、軌道傾角、軌道高度和周期等嚴苛的入軌精度要求﹔載人飛船和目標飛行器要具有適應空間嚴酷環境的高精度相對測量能力以及自動和人控交會對接能力﹔發射場系統要確保“零窗口”發射﹔測控通信系統要具備對兩個航天器同時測控的能力並完成遠距離階段的交會導引等。

因此,“天神”完美展現“太空之吻”的背后,是更為令人驚嘆的技術支撐。

自主相對測量技術決定交會對接成敗

自主相對測量技術是決定交會對接任務成敗的關鍵之一。其相關設備需滿足精度高、作用距離和視場范圍大等要求,將在一定程度上決定交會對接自主程度和技術水平。

周建平介紹,交會對接相對測量敏感器通常分為遠場和近場敏感器兩類。

遠場敏感器一般作用距離為幾十或上百公裡到百米量級,目的是測量目標飛行器相對追蹤飛行器的位置和速度,用於交會對接尋的段和接近段。在我國實施的數次空間交會對接任務中,由航天科工集團公司研制的微波測量雷達從天宮、神舟相距百余公裡之外便牽起了紅線,作為交會對接任務的關鍵傳感器,它精確提供了距離、速度、角度、角速度等重要信息。

近場敏感器一般作用距離為幾百米到對接,用於交會對接的近距離接近段和平移靠攏段,除了速度、距離等信息外,它還要對兩個飛行器的相對姿態進行測量。在我國數次空間對接任務中,航天科工研制的高精度加速度計組合發揮了精確引導作用,力助“天神”完成“太空之吻”。

縱觀國際航天領域,美國航天飛機和俄羅斯聯盟飛船的相對測量技術均在上世紀七八十年代形成。航天飛機採用了交會雷達、乘員光學瞄准鏡COAS和軌跡控制敏感器TCS相結合的方案﹔聯盟飛船則採用了Kurs微波雷達系統,技術較為成熟﹔歐洲ATV飛船和日本HTV飛船則採用相對GPS和交會敏感器RVS相結合的方案,具有測量精度高、設備種類少、重量輕等優點。

自控、手動對接技術同時掌握提高成功率

實施空間交會對接的另一關鍵問題,是在綜合考慮燃料、效能和安全性的條件下,設計穩定、可靠、容差容錯能力強、自主功能強、優化高效的控制方法。這就關系到制導導航和控制技術。

載人航天交會對接的控制手段包括自動控制與人工控制,周建平表示,這兩者均需具備。

美國和前蘇聯分別採用了人控為主和自控為主的對接控制方案。一般來說,自動交會控制方式可以適用於載人和不載人航天器,且更加精確,還可以避免交會對接給航天員帶來過重操作負擔,以及規避人員操作失誤的風險。但自動系統比較復雜,要保証設備可靠性難度較大。而人工控制系統相對而言則要簡單得多,可以作為自動控制的備份手段。如果出現故障,航天員可以從監視狀態迅速介入交會操作,提高任務的成功率。

目前,我國已成功實施五次空間交會對接,其中包括四次自動對接和一次手控對接。“神十”任務期間,航天員還將繼續驗証手控交會對接技術。

對接機構是我國自主研制最復雜的空間機電設備

對接機構是實現兩個航天器捕獲和剛性密封連接的關鍵設備之一,具有捕獲、鎖緊、密封、分離等功能。

“這是一套十分復雜、精細的機電設備。”周建平介紹說,例如“錐—杆”和“周邊”式對接機構,均由主、被動兩部分組成。被動的一端安裝在目標飛行器上,主動的一端則安裝在追蹤飛行器上,兩飛行器進入對接走廊后利用其相對接近速度實現捕獲,然后由對接機構完成鎖緊等操作。對接完成后,對接機構處的艙門開啟,形成追蹤和目標飛行器間供人員和貨物通行的通道。此外,對接機構上還配置了氣、液、電對接接口,能夠為目標飛行器補給推進劑和氣體,並實現供電和信息並網。

中國航天科技集團公司副總經理袁潔曾在“神九”任務完成后表示,神舟飛船上配置的異體同構對接機構,有上千個軸承,是我國自主研制的最為復雜的空間機電設備。由於該設備技術難度大,過去隻有俄羅斯具備研制能力,而我國經過10多年技術攻關,完全掌握了對接機構技術,表明我國已具備空間復雜機構的設計生成和試驗能力。

除對接機構外還有一種對接途徑,是利用機械臂完成捕獲並送到指定對接口完成對接鎖定操作。2009年9月,日本研制的無人貨運飛船HTV便是飛達距國際空間站幾米處,由國際空間站的機械臂捕獲后與日本實驗艙完成對接。這也是國際空間站首次採用這種方式與來訪航天器對接。

交會對接對地面測控能力提出更高要求

交會對接飛行中,地面要同時對兩個飛行器進行測控,並在兩三天內完成對追蹤飛行器的多次精確軌道控制和預報。周建平表示,由於每次機動前的測控弧段相對更短,精度和實時性要求更高,這都對地面測控提出了更高要求。

目前,我國載人航天工程地面測控系統包括北京航天飛行控制中心、東風發射指揮控制中心、西安衛星測控中心,東風測控站、發射首區各光學站、山西太原站、陝西渭南站、福建廈門站、山東青島站、新疆喀什站、和田站、卡拉奇站、納米比亞和馬林迪站等境內外測控站,以及位於三大洋的“遠望”系列測量船等。

同時,交會對接過程中還需要地面飛控中心對交會對接的關鍵事件進行監視,並實現距離、高度、軸線差別、相對速度等數據的實時傳輸,這對測控通信系統提出了很高要求。中國電科測控通信專家陳建民此前向科技日報介紹,測控通信系統的功能是控制飛船的運行,測量飛船在整個過程中的軌道運行參數,並保障飛船與地面指控中心之間各種數據、指揮調度、天地通信話音和視頻等信息的順利傳輸,實現天與地、指揮中心與各個站點之間的有效連接和協同控制。

然而,完全依靠陸海基測控網難以全面滿足測控覆蓋率和可靠性要求,中繼衛星的高覆蓋能力則能更好地解決這一問題。我國分別於2008年4月25日和2011年7月11日發射了兩顆中繼衛星——天鏈一號01、02星,進一步提高中國載人航天飛行任務的測控覆蓋率,為“神八”、“神九”任務提供了有力的通信保障。2012年7月25日,天鏈一號03星發射升空,完成了我國中繼衛星系統的三星組網,能夠實現對200公裡以上、2000公裡以下的空間全軌道覆蓋,覆蓋率近100%。這進一步增強了空間交會對接任務實施的安全性和可靠性,為實施載人航天工程、開展空間科學實驗等提供穩妥高效的天基測控通信保障。

地面試驗和仿真是交會對接前的必備程序

交會對接飛行試驗前,必須完成一項重要研制程序,就是依靠充分的地面試驗和仿真,驗証設計的正確性。試驗和仿真中要求盡量模擬飛行環境條件、邊界條件和極限條件,保証試驗和仿真方法的正確性。

各國在發展交會對接技術時,都十分重視仿真技術的應用。航天飛機與和平號空間站的交會對接任務實施前,航天員在地面進行了超過500小時的地面仿真操作培訓。歐洲建立了操作仿真器EPOS,日本也建立了交會對接操作測試系統RDOTS,這些仿真系統都為交會對接技術的發展提供了有力支持。

我國在載人航天交會對接任務研制過程中,由哈爾濱工業大學等單位研制了9自由度半實物控制仿真系統、6自由度對接動力學半實物仿真系統等一大批可以模擬空間環境和運動的試驗設備。同時還提出了工程大系統仿真的概念,並構建了實用的仿真系統,其目的是按交會對接任務飛行時序關系,用仿真系統將工程各大系統聯系在一起,飛行控制人員作為仿真系統的有機構成部分直接參與其中,對正常和故障飛行狀態進行全面仿真試驗,綜合檢驗各大系統飛行程序的正確性、正常和故障情況下飛控策略的實施能力以及各系統間接口的協調性。(付毅飛)

(責編:陳麗(實習)、趙竹青)
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