揭秘天舟天宫鹊桥会

2017-04-21 倪思洁 科学网 www.sciencenet.cn

  4月20日晚,天舟一号发射升空,奔向在太空中苦苦等候7个月的天宫二号空间实验室,一场温馨鹊桥会在外太空浪漫上演。

  现在,就让《中国科学报》记者带你一起走近“鹊桥会”,细数“鹊桥会”的三大看点。

  看点一:交会对接——3次相拥开启“太空之吻2.0”

  6年前,天宫一号与神舟八号的浪漫太空之吻,举世瞩目。“如果把神舟八号载人飞船对接机构称为第一代对接机构,那么天舟一号货运飞船对接机构可称为第二代产品,这次是第二代的首飞。”中国航天科技集团八院载人飞船系统、空间实验室系统副总师张崇峰说。

  天舟一号货运飞船从中国文昌航天发射场发射升空后,首先会与天宫二号空间实验室进行第一次拥抱合体。此后,天舟一号还会再与天宫二号实现另外两次交会对接。

  从2011年11月3日对接机构首次亮相后,神舟八号、神舟九号、神舟十号都与天宫一号实现了交会对接,神舟十一号与天宫二号实现交会对接并首次实现30天中长期组合体运行。但这次,天舟一号与天宫二号,将实现三次交会对接,而且对接机构组合体保持时间将远超此前的纪录,这在我国载人航天历史上还是第一次。

  此次首次对接分离后,飞船实行短时间调头绕飞后,进行再次对接。之后,飞船将保持较长时间的独立飞行,而后进行第三次对接。连续三次对接对于对接机构的控制、空间环境寿命、重复对接性能提出了更高要求。

  看点二:太空加油——验证推进剂在轨补加技术

  交会对接只是这次任务的开始,天舟一号此行的重要使命是进行推进剂在轨补加。

  “天舟一号货运飞船的重要任务之一是完成‘太空加油’,实现天宫二号空间实验室推进剂的在轨补给。这项技术也是后续我国建造空间站最为关键的技术之一。”中国航天科技集团公司五院天舟一号副总设计师徐小平告诉《中国科学报》记者,整个任务期间,计划安排3次推进剂补加。

  那么,在太空中是怎么加油的呢?天舟一号与天宫二号对接之后,推进剂会利用两个航天器之间产生的气体压力,从天舟一号上源源不断地传到天宫二号上。

  虽然看起来和地面加油差不多,但是要真正实现起来,却并不容易。为了不让推进剂产生任何泄露,“太空加油”的过程中既要保证准确的对接,又必须满足密封的要求。所以“太空加油”过程中应用了可浮动的浮动断接器,消除两个天舟一号与天宫二号对接过程中偏差的影响,实现准确对接。

  目前,在轨飞行器补加技术只有少数几个国家掌握,在我国“太空加油”技术和关键设备由中国航天科技集团公司六院801所独立自主研制,目前,这一技术通过了多伦地面试验验证,其中压气机及浮动断接器等均是国内首创。

  看见三:自主绕飞——自己寻找空间站对接口

  通过交会对接完成推进剂在轨补加后,天舟一号将撤离天宫二号,伴随着天宫二号180度转向,通过自主绕飞,快速赶到天宫前方,从“前”侧与天宫二号进行第二次对接。

  与神舟十号载人飞船在地面人员支持下进行的绕飞不同,天舟一号更加聪明、独立。此次天舟一号的绕飞过程中的制导、调姿及进入5千米保持点均由货运飞船上软件自主规划完成。当绕飞指令发出,飞船上制导导航与控制系统的计算机便开始自主规划绕飞轨迹,自主进行变轨控制,自动进行姿态机动,不需要地面人员干预。

  空间绕飞,精彩但暗含巨大风险,两个重达十几吨的飞行器在以每小时29万千米的高速飞行过程中下完成“上下绕圈”和“翻跟斗”,其最大的风险就是碰撞,所以,要求两者的轨迹和姿态必须精准受控。

  除了要避免碰撞,“全自主”需要规划出最优的绕飞轨迹,“自主”完成在特定位置的变轨控制,在预定的时间点到达预定的位置,以消耗尽量少的燃料。同时,飞船还要根据目标飞行器的状态进行协同控制,包括相对位置、相对速度、相对姿态、相对角速度等,所有因素都必须“完美”。

  “如果把神舟十号的绕飞比作是‘领着’小朋友学走路,那么此次天舟一号的绕飞则是‘看着’小朋友自己走路。”中国航天科技集团公司五院502所货运飞船副总设计师张强说,天舟一号此次全自主绕飞正是为飞船自动寻找空间站对接口而发展的技术。

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