智慧“光眼”助力天舟一号与天宫二号成功对接

贺迎春 王雪姣 秦实

2017年04月22日12:32  来源:人民网-科技频道
 

4月20日,天舟一号“快递员”在文昌发射基地成功升空;4月22日,天舟一号与天宫二号组成组合体,完成首次对接。

要想完成对接,天舟一号需要掌握天宫二号的距离、速度等数据,然后调整姿态,慢慢靠近直至完美对接。这个过程中,中国电子科技集团公司提供的两件智慧“法宝”——激光交会对接雷达和光学成像敏感器这些“光眼”,发挥了至关重要作用。

  信号互传,激光雷达擦亮对接“智慧眼”

“在对接过程中,两个飞行器飞行速度为7.9公里/秒,要在如此速度下完成绕飞对接和快速交会对接,这就要求激光雷达始终保持较为宽广的视角和更高精度的测量跟踪。”中国电科激光雷达总师屈恒阔说。

作为货运飞船交会对接穿针引线的“眼睛”,激光雷达在天宫二号与天舟一号交会对接接近段和靠拢段及绕飞过程中,必须迅速准确地完成对天宫二号目标飞行器的搜索、捕获、跟踪测量。

据屈恒阔介绍,在天宫二号上搭载了中国电科研制的激光雷达合作目标,天舟一号搭载了激光雷达主机和信息处理机。其探测的基本过程,是由安装在飞船上的激光雷达系统发出激光束,激光束照射到天宫二号上后返回信号,激光雷达系统再根据接收到的返回信号计算分析。“天宫二号携带的激光雷达合作目标装载了特殊的玻璃棱镜,可以从多方位、大范围内反射激光雷达的光信号,配合激光雷达完成距离、角度等飞行参数的测量,确保飞船进行精准对接。”

与以往不同,此次“天舟一号”与天宫二号要完成首次交会对接、绕飞对接和自主快速交会对接三次对接,飞行器太空对接要做到百步穿杨,特别是在绕飞过程中实现“不眨眼”,这就要求激光雷达作为天舟一号的“眼睛”,具备广阔的视野、精准的测量。

基于此,中国电科对激光雷达进行了两大技术改造,首先增加了多对接口和绕飞过程中的目标识别功能,根据绕飞任务的特点,设计了室内、室外、高点等试验验证方案,完成了绕飞功能的设计、相关试验验证。

其次,对雷达的空间长寿命进行提升。本次天舟一号任务为期半年左右,对激光雷达的在轨寿命和可靠性提出了更高的要求。中国电科对空间环境下的薄弱环节进行反复查找,加强了技术状态管理控制,用数据确保在航天动平台上的高安全性和高可靠性。

最终实现,在同等体积重量功耗下,中国电科的激光雷达工作范围比国外同类产品增大了两倍以上,实现了全范围内高精度测量跟踪。

“激光雷达是交会对接接近段、靠拢段、绕飞过程中精密测量不可缺少的手段,将直接推动我国载人航天进入空间站研制阶段。后续,激光雷达将广泛应用于各飞行器交会对接领域,为未来空间站、载人登月、深空探测等任务保驾护航。”

  导航定位激光信息源,助飞船从“手动挡”升格为“无人驾驶”

天宫二号与天舟一号在太空中要经过几十万公里的追逐,完成“穿针引线”般的精准对接,从二者距离150m开始直到最终完成精准对接整个过程中,有一个被誉为“灵敏眼睛”的光学成像敏感器,该设备能让两个高速运行的飞行器更加迅速、可靠的对接在一起。而能保持这双“眼睛”持续炯炯有神,就要靠中国电科研制的导航定位激光信息源了。

“导航定位激光信息源是光学成像敏感器的关键组件,即使是在太空中漆黑无界,它也能发出激光,在黑暗中找到目标,传递信息;即便是在面对太阳强光的直射时,它也能发射出比阳光更加明亮的双波长激光,确保‘眼睛’不被伤害,找到目标。” 中国电子科技集团公司高级工程师刘志强介绍说。

刘志强说,过去,神舟系列飞船与天宫一号、天宫二号对接时,是实行机械对准,即航天员手工操作飞船对接,必须对航天员进行长期训练,以确保完成任务。而“天舟一号”是无人货运飞船,实行飞船自动操作,就像人们开车时从手动挡突然跨越到无人驾驶,其对技术的要求更高。

“在本次航天任务中,激光信息源面临着在轨时间长、使用次数多、对接速度快和在阳照区环境实施对接等多重考验,对接精度必须精确到毫米级,可以说,交会对接难度非常大。”

基于此,中国电科的项目团队在有限的时间内,结合航天实际应用进行产品原理和工艺的全新设计,进行了完整、充分的相关环境试验,经过2000多次的试验,最终研制出第三代产品,其可靠性更高、重量更轻、体积更小、功耗更低,高抗辐照、传导热能力强,主要技术指标达到国际先进水平。而这个过程可谓艰辛。

“激光信息源产品不大,但技术含量极高,且生产工艺也非常复杂,包括表面处理、研磨、填胶、固封、喷漆、电装、装配、绝缘电阻测试等数十道工序。” 刘志强说。2012年,当团队完成第一代产品设计制造,在进行环境试验时发现,,设备在真空环境下会出现故障,而离开真空环境又恢复正常。“为了排除故障,在一个月内连续开展了100多次试验。经过层层排查,才最终发现其中一个器件的光纤有损伤,肉眼看不到,必须借助精密仪器才能发现。”

据悉,刘志强和团队成员还为每套产品建立了数据包的“成长簿”,上面详细记录着诸如每个螺丝在安装时拧了多少圈、用了多大力度的数据。每个数据包用A4纸打印叠起来高约70厘米。

过程虽艰辛,却也充满乐趣。项目组成员经常笑称:“看着它从无到有、逐渐成长,数据包就像她的人生档案一样,记录着她成长的点点滴滴和历史使命,它就像自己的女儿一样。”

未来,导航定位激光信息源将根据反馈数据,进一步完善产品,应用到更多的交会对接任务中,除此以外,还将开展在星间通信、空中围栏、空间站机械臂、卫星燃料加注和维修,飞机空中加油和水下无人航行器等相关领域的应用研究。 

(责编:申宁、熊旭)

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