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“天宫一号”蓄势待发

2011-09-25 09:45 北京科技报 我有话说 字号:TT


  实验空间对接是“天宫一号”主要任务


  空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。只有掌握它们,人类才能自由出入太空,更有效地开发宇宙资源。


  “随着‘神舟五号’到‘神舟七号’飞船的发射成功,目前我国已经掌握了载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术,‘天宫一号’可以为今后建造空间站积累经验。”相关专家说。


  从国际角度看,至今发射的宇宙飞船大多作为空间站的往返交通工具和长期停靠在空间站上的救生艇用。为了实现宇宙飞船的运输功能,就必须攻克宇宙飞船与空间站的空间交会技术与对接技术,其中,主要设备是交会测量系统和对接机构。


  目前美国和俄罗斯已完全掌握了在地面支持下的载人交会与对接技术。尤其是俄罗斯在掌握了空间交会与对接技术以后,先后利用飞船的运输能力发展了几代载人空间站,在空间交会与对接等方面一直占据着技术优势。


  虽然起步较晚,但欧洲、日本等国家在空间交会与对接研究方面已取得长足进步,特别是某些单项技术和设备,如地面仿真、对接敏感器等。


  “在空间运行的两个航天器对接非常复杂,需要两个航天器的轴线在同一直线上,并且相对速度要接近零。就像地面的两辆急速飞驰的跑车,要让它们的距离必须一直保持在一米左右,这是不容易做到的。” 北京大学地球与空间科学学院教授焦维新说。


  他说:“我国现在还没有实现飞船的空间交会对接功能。‘神八’、‘神九’宇宙飞船正在进行这方面的实验。而我国的空间交会对接技术也是一个逐渐完善的过程。不仅是一次对接,还需要二次对接。”


  专家告诉记者,航天器之间的对接,常见的形式有两种:俄罗斯使用传统的“杆-锥”式对接,美国使用异体同构周边式对接。后者是比较进步的对接方式,它能为航天员出入提供更大的空间。


  航天器的对接,涉及两个高速运动的航天器的轨道交会点的复杂运算,以及对航天器的精确控制,因此是每个空间站在兴建和使用过程中面临的巨大挑战。为保证空间站的顺利对接,需要高性能的计算机来测算和修正航天器的轨道。


  “航天器之间的对接可以通过人工遥控或自动方式进行,但一般来说自动方式不太精准,而人工操纵可以提高成功率。美国的航天器对接是通过自动方式让二者接近,再用人工操纵最终完成对接,因此成功率较高。”专家说。


  中国工程院院士、国际宇航科学院院士,曾担任中国载人航天工程载人飞船系统总设计师戚发轫在接受媒体采访时透露,“天宫一号”发射上天后的两个月时间里,地面科研人员将验证其性能。如果运行稳定、工作正常,无人飞船“神舟八号”就会随即上天,追着“天宫一号”,两者进行首次无人对接试验,对接之后共同运行一段时间,而后二者分离,“神八”返回。


  据悉,“神舟”系列飞船从“神舟八号”开始会有许多技术改进,成为一种崭新的天地往返飞行器。其中,交会对接功能是其最主要的特色,航天员可以根据电视图像操纵飞船,使其紧跟目标飞行器。


  有专家指出,要实现顺利对接,两个飞行器的相对速度不能超过每秒0.2米,横向偏差不能超过18厘米。对接成功后,“神舟八号”会通过很多把锁绑住“天宫一号”。


  “在国外载人航天活动早期,航天器之间的空间交会对接经常发生故障与事故。”专家说。1997年,俄罗斯的两个航天器还发生过一次重大的空间交会对接事故——“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞,使“和平”号空间站上的“光谱”号舱被迫关闭,部分氧气泄漏,动力系统也受到影响。


  在交会对接过程中会发生“错过”和“撞击”等事故。“错过”在一定情况下可以补救。在货运或载人飞船错过空间站之后,地面可以用高速计算机分析飞船的轨道,让它在飞行一段之后,重新进行对接。但是,撞击事故比较严重,人们熟悉的案例是上述1997年俄罗斯“进步”飞船与“和平”号空间站相撞,导致空间站受损及电力供应出现问题。


  还有失败的情况是出于结构本身故障。航天器都是密封的,两个航天器对接之后,接口的密封舱门会打开,以便航天员能在两个航天器之间来回活动。但如果对接成功后密封舱门无法打开,也视为对接失败。1971年前苏联为纪念加加林太空飞行10周年发射的“礼炮-1”号空间站,就在首次使用时发生了这种故障。截至目前,美俄等大国已经进行过300多次太空交会对接。其中俄罗斯有过15次失败经历,美国也有过几次失败。记者从酒泉卫星发射中心权威人士处获悉,原定8月底发射的“天宫一号”由于受到“实践十一号04星”未进入预定轨道的事故影响,可能推迟到9月上旬发射。按照中国载人航天工程分为“三步走”计划:一是航天员上天;二是多人多天飞行、航天员出舱,实现飞船与空间舱的交会对接,并发射短期有人照料的空间实验室;三是建立永久性空间站。此次“天宫一号”的发射就是在完成第二步的后续任务,并为完成第三步战略目标打下基础。


  空间交会对接需要四个环节


  有关专家透露,“天宫一号”目标飞行器与“神舟八号”以及“神舟九号”飞船交会对接过程将分四个阶段:远程导引段、近程导引段、最终逼近段和对接停靠段。


  远程导引段是在地面测控的支持下,“神舟八号”飞船经过若干次变轨机动,进入到“神舟八号”飞船上的敏感器能捕获目标飞行器的范围(一般为15~100千米)。


  近程导引段是“神舟八号”飞船根据自身的微波和激光敏感器测得的与“天宫一号”的相对运动参数,自动引导到距“天宫一号” 0.5千米~1千米左右,由此开始与“天宫一号”最后接近和停靠。


  最终逼近是“神舟八号”飞船首先要捕获“天宫一号”的对接轴,当对接轴线不沿轨道飞行方向时,要求“神舟八号”飞船在轨道平面外进行绕飞机动,以进入对接走廊,此时两个航天器之间的距离约100米,相对速度约3~1米/秒。


  对接停靠段是“神舟八号”飞船利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个航天器的距离、相对速度和姿态,同时启动小发动机进行机动,使之沿对接走廊向目标最后逼近。在对接合拢前关闭发动机,以0.15~0.18米/秒的停靠速度与目标相撞,最后利用栓一锥或异体同构周边对接装置的抓手、缓冲器、传力机构和锁紧机构使两个航天器在结构上实现硬连接,完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接。


  据悉,交会对接飞行操作,根据航天员介入的程度和智能控制水平可分为手控、遥控和自主三种方式。


  “‘神舟八号’飞船和‘天宫一号’进行的是遥控交会对接,完全依靠地面指挥系统和飞船自身的技术实现,所以说,难度更大一些。”专家透露。一旦“神舟八号”飞船和“天宫一号”交会对接顺利,“神舟九号”飞船将进行载人飞行,通过航天员的舱外作业实现手控对接。

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