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“天宫一号”蓄势待发 肩负交会对接重任

2011-09-25 10:43 科技日报 我有话说 字号:TT

  近日,国内外媒体纷纷猜测,中国首个目标飞行器“天宫一号”可能在近期发射升空,备受瞩目的“天宫一号”再次步入公众视野。


  “天宫一号”目标飞行器的发射目的是什么?与以往的航天发射有哪些不同?如何确保接下来的交会对接过程万无一失?如果对接成功又意味着什么?


  ——— 发射目的 ———


  与“神八”实现无人对接


  “天宫一号”学名目标飞行器,并非真正意义上的空间站,而是一个重8吨多的空间实验室雏形。在其两年的设计寿命期内,我国将相继发射神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船,分别与“天宫一号”完成空间交会对接,突破和掌握空间交会对接技术,为建造空间实验室积累工程经验,为建造空间站奠定基础。


  “天宫一号”目标飞行器升空入轨后,将作为交会对接试验中的被动目标,预计今年第四季度发射的“神八”飞船将作为追踪飞行器,主动接近“天宫一号”并与之对接。


  酒泉卫星发射中心原副主任、中国载人航天工程原副总指挥张建启表示,“神八”肯定是无人对接,有人对接是“神九”还是“神十”,主要看“神八”交会对接是否顺利。


  张建启介绍,中国载人航天工程的“三步走”当中,第一步是航天员上天;第二步是多人多天飞行、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。“天宫一号”的使命,就是完成第二步的后续任务。


  ——— 技术难 ———


  空间交会对接是举世公认的航天技术瓶颈


  茫茫太空中,要让两个移动中的航天器对接在一起绝非易事。空间交会对接是举世公认的航天技术瓶颈,它涉及轨道设计、硬件交会对接设计、控制技术、从远距离到近距离的多次变轨,以及两个飞行器的通信体制和供电体制等诸多难点。在太空当中实现两个航天器的对接,就像在太空中放了一根针,我们要在相距几百千米的地面控制一根线去穿过那个针眼。


  我国航天专家庞之浩在接受科技日报记者采访时表示,交会双方的航天器在三维空间飞行且必须沿着各自的轨道飞行,因此要想对接成功,必须精确地测量和计算出双方的轨道和运行速度,不断调整轨道,逐渐使它们飞到同一轨道上去,然后通过精确的姿态控制来调整航天器的朝向,使对接面处于相对位置,最终实现交会对接。


  据《朝鲜日报》报道,宇宙空间站距离地球表面约300公里,以每秒8公里的速度绕地球运行,其速度为枪弹的10倍。宇宙飞船要与国际空间站保持相同的高度及速度飞行,当两者相对静止状态时将飞船连接口与空间站对接,且连接装置的口径仅为10至30厘米。在对接过程中,如果计算不准,就可能发生对接事故。上世纪70年代到80年代,苏联飞船“联盟-10”、“联盟-15”、“联盟-23”以及“联盟-25”,均在与“礼炮号”轨道站对接时发生过失误。《朝鲜日报》称,迄今为止,成功对接宇宙飞船的只有美国、俄罗斯、欧盟和日本。


  我国在电源系统、远距离控制等方面提升交会对接水平


  “对接,电源系统是关键,电源系统要提供能源,没有电能,所有的太空飞行器就是一堆太空垃圾。”上海航天技术研究院科研四部部长、高级工程师叶勋在接受媒体采访时说:“我们搞‘天宫一号’‘神八’电源系统的有四五十人,采用了不少新技术、新材料。”


  据中国载人航天工程网介绍,苏联为增加有效载荷的重量,飞船只依靠蓄电池来提供上升和返回必需的电能,仅可独立飞行2.5天,一旦发生意外,就无法挽救。为此,后来的“联盟T”型飞船恢复安装太阳能电池阵,增加飞船自主运行时间来应付意外的发生。同时飞船与空间站对接后,飞船的太阳能电池阵还可以向空间站供电。


  神舟五号载人飞船总设计师戚发轫院士表示,“神舟”系列飞船从“神八”开始有了许多技术改进,交会对接功能是其最主要的特色。据戚发轫介绍,两个航天器要在轨道上交会,需要非常精准。除地面的远距离控制外,改进后的飞船增加了很多近距离测量设备,应用了激光雷达、微波雷达、光学敏感器等新技术,飞船也从之前只能上下移动变为能横向移动。


  庞之浩说,空间交会对接技术是实现空间站正常运行的先决条件,也是航天大国技术实力的综合展示。


  增强系统处理故障能力为交会对接奠定基础


  据中国载人航天工程网介绍,航天器的空间交会对接过程涉及载人航天的各大系统,特别是飞船,系统具有一定的处理故障冗余能力是提高交会对接可靠性的基础。


  此前,苏联联盟号飞船的姿控发动机和主发动机使用不同的推进剂,当姿控发动机推进剂不足时,无法利用主发动机的剩余推进剂。在交会对接系统发生故障时,由于姿控发动机推进剂的限制,地面控制中心没有时间研究故障排除的措施,航天员也无法手动控制交会对接,飞船只能返回。后来,“联盟T”型飞船的主发动机和姿控发动机使用了相同的推进剂,从而提高了系统的可靠性。


  另外,如果航天员缺乏训练,就不能应付交会对接时出现的突发情况,致使交会对接失败。目前,我国为应对今后载人飞船与“天宫一号”的交会对接,正在积极训练航天员,提高这方面的素质和技能。


  ——— 应用广 ———


  交会对接服务太空“公共汽车”


  交会对接技术广泛应用于太空活动中,“空间站体积大、运行时间长,是开发太空的优良平台。但它无法天地往返,需用宇宙飞船等天地往返运输器与其交会对接,进行人和货物的接送。”庞之浩说,“世界上的所有空间站都采用这项技术,进行人员运输和物资补给服务。”


  不仅如此,交会对接技术还可以能让两个航天器在太空相互支持。庞之浩告诉记者,当两个在轨飞行的航天器上的航天员想相互拜访、转运物资或为遇到困难一方提供紧急援助时,可通过这2个航天器或分离出来的航天器的交会对接来实现。据介绍,苏联“联盟-15”飞船曾在礼炮7号空间站与和平号空间站间来回飞行并对接,成为世界第1辆太空“公共汽车”。


  多次发射降低火箭运载能力需求


  目前,国际上常采用空间交会对接的方式建造空间站。据庞之浩介绍,目前运载火箭能力有限,不可能把上百吨的航天器一次都运到地球轨道上,所以通常做法是把要建造的航天器分成若干部分陆续发射到某一高度的轨道上,通过交会对接联结成一个整体。


  “国际空间站”就是由13个舱、7段桁架结构、4对巨型太阳能电池阵、1个移动服务系统等逐次对接而成。同样地,在“阿波罗”载人登月飞船飞往月球的过程中,飞船指令舱和登月舱在地球轨道和月球轨道分别进行了一次交会对接。


  对此,庞之浩说,人类未来要建立月球基地以及载人登陆小行星和火星,都需要巨大的运载能力。但如果用多次发射的方式,分别将乘员舱和登陆舱发射到近地轨道再进行交会对接,随后飞往目标星球,这样既能降低对火箭运载能力的需求,又安全可靠、经济实用。特别是对于诸如火星及更远的载人任务而言,这可能是基于目前技术水平可实现的唯一途径。


  此外,庞之浩表示,交会对接技术还应用于无人航天器之间,比如对在轨卫星进行加注和维修、捕捉敌方卫星等。


  ■ 延伸阅读


  “交会对接”:建立空间站的基础技术


  空间交会对接简称“交会对接”,主要目的是将航天员从太空飞船送入空间实验室或空间站,与载人航天器发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术并列为载人航天的三大基本技术,也是建立空间站的重要基础。


  根据航天员介入的程度和智能控制水平,交会对接可分手控、遥控和自主3种方式。具体过程是:首先发射目标飞行器到预定轨道,并进行相关检测和调试;然后发射追踪飞行器,由地面控制,使它以比目标飞行器稍微低一点的圆轨道运行;通过变轨,使其追踪飞行器进入与目标飞行器高度基本一致的轨道,并通过高精度交会测量系统与目标飞行器建立通信关系;随后追踪飞行器调整自己与目标飞行器的相对距离和姿态,向目标飞行器靠近;最终,当两个航天器的距离为零时,利用精密的对接机构完成对接合拢操作,结束对接过程。


  “长二F”再上阵 多项改进满足发射要求


  将执行“天宫一号”发射任务的长征二号F运载火箭,是我国目前可靠性、安全性最高的运载火箭,“神一”到“神七”飞船均由其成功送入太空。为满足此次交会对接任务要求, 相关专家对其共进行了


  近170项技术状态更改,其中5项新技术首次使用。


  中国载人航天工程网的资料显示,长征二号F运载火箭是在“长二捆”火箭的基础上,按照发射载人飞船的要求,以提高可靠性确保安全性为目标研制的运载火箭。火箭包括箭体结构、控制系统等10个分系统,为兼顾卫星的发射,保留了有效载荷调姿定向系统的接口和安装位置。其中,故障检测处理系统和逃逸系统是为确保航天员的安全而增加的,其作用是在飞船入轨前,监测运载火箭状态,若发生重大故障,能保障载有航天员的飞船安全脱离危险区。此次用长征二号F运载火箭发射“天宫一号”时,由于不载人,有可能不用逃逸塔,这样能减轻发射重量。


  货运飞船:空间站的“太空邮差”


  如果今后两年内“天宫一号”与三艘飞船对接成功,意味着我国载人航天工程完成第三步指日可待。而建立永久性空间站,维持空间站在轨长期运行、航天员正常生活和开展工作,就需要大量设备、物品,届时货运飞船也有大显身手的机会。


  由于载人飞船的主要用途是运送航天员,大量空间和重量用于生命保障系统,用于载货效率不高,如“神舟”载人飞船一次最多只能带300公斤的物资。开发专门用于空间站货物的货运飞船,则可显著提高效率并降低成本。


  目前,俄罗斯、日本和欧盟都开发了自己的货运飞船,我国也在研制能运送6吨物资的货运飞船,可将航天员的生活用品、实验设备,维持空间站工作的维修和更换设备、推进剂等送上空间站,同时重量也将达到比神舟飞船更大的13吨。为此,我国还在研制具备货运飞船发射能力的长征七号火箭,作为“长征二号F”的接班人。

 

责任编辑:张晓芳

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