交会对接:1 1=1

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  今年11月3日,我国“神舟”8号无人宇宙飞船与“天宫一号”目标飞行器顺利进行了首次空间交会对接试验,实现了“1 1=1”,成为世界第3个完全独立掌握空间交会对接技术的国家。
  交会对接的难点
  空间交会对接是指两个航天器(包括宇宙飞船、航天飞机、空间站等)在太空轨道上按预定位置和时间相会后在机械结构上连成一个整体,被称为载人航天的三大基本技术之一。即使在无人航天器之间,空间交会对接技术也有广泛的用途。例如,用于对己方在轨卫星进行加注和维修,还可捕捉敌方卫星。
  不过,空间交会对接技术很复杂,有人形容它就像在太空中放了一根针,然后在相距几百千米的地面控制一根线去穿过那个针眼,属于“高难度”动作。迄今为止,全世界共进行了300多次空间交会对接活动,只有美国和苏联/俄罗斯掌握了完整的空间交会对接技术。欧洲和日本的转移飞行器在“国际空间站”的空间交会对接技术方面,分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。航天器进行空间交会对接经常发生故障,2010年还出现过问题。至今,已发生过17次空间交会对接故障,其中最大的一次是1997年俄罗斯“进步”M-34货运飞船与“和平号”空间站交会相撞,导致“和平号”光谱号舱和太阳电池翼损坏。
  空间站交会对接容易发生故障是因为在技术上有四大难点。
  速度极高拟对接的两个航天器时速达2.8万千米,如果控制不好很危险,容易“追尾”。
  在实现空间交会时要一边绕地球运行,一边缩短两个航天器的距离。两个航天器都是在三维空间飞行,一个航天器飞向另~个航天器时不能随意进行,必须沿着各自的轨道飞行,要缩短两个航天器的距离不能像地面车辆或空中飞机那样加速,否则会离开原来轨道,进入较高的轨道。因此,追踪飞行器的航天器通常比目标飞行器的航天器轨道稍低,经过多次轨道调整,逐步追上目标飞行器。
  高精度要实现超高精度的测量与控制,必须精确地测量和计算出双方的轨道、距离和速度,才能使两个航天器在同一轨道上运行。另外,两个航天器在对接时还要精确地控制它们的朝向,即姿态控制,使对接面处于相对的位置,而且两个航天器的对接面中心轴要在同一条对接轴上,如果错位就无法对接了。最后,还要求两个航天器在相互接近时相对速度趋于零,不能有激烈的碰撞。在两个航天器即将对接时,横向误差小于18厘米,姿态误差小于5°,相对速度小于0.2米/秒。
  需研制出复杂而精巧的对接机构
  对接机构由不少活动部件组成,一次对接要完成捕获、伸展、收缩、阻尼、锁定、解锁和分离等一系列动作,而且在太空高真空、超低温、微重力等条件下,机械活动部件容易出现故障。另外,对接后的通道必须密封,以保证无气体泄漏。
  如何实现交会对接
  航天器在空间交会对接包括交会和对接两个部分。交会是指两个航天器利用测量设备按预定时间和位置相会:对接是指两个航天器通过对接机构相互接触、停靠并连成一个整体。所以,航天器之间要先通过测量设备交会,即相互接近,然后利用对接机构“合二为一”。
  测量设备是航天器之间进行交会靠拢的“眼睛”,目前主要有四种:一是微波雷达,其测量范围从相对距离100千米到100米,距离小于100米时误差较大;二是激光雷达,其测量范围从相对距离20千米到10米:三是光学成像敏感器,测量范围从相对距离100米到1米;四是对接敏感器,其测量范围从相对距离10米到0米。另外,还可使用卫星导航定位系统。所以,两个航天器相距较远时使用微波雷达、激光雷达、卫星导航定位接收机:相距较近时使用光学成像敏感器和对接敏感器。另外,交会测量设备在每个飞行阶段都应有备份。
  对接机构两个航天器要想在太空对接,主要依靠航天器上对接机构,它是航天器之间“手拉手”的“纽带”,具有关节的作用。目前主要使用两种对接机构:“杆-锥”式对接机构和“异体同构周边”式对接机构。
  “杆-锥”式对接机构由“杆”和“锥”两部分构成,有主动和被动之分,“杆”为主动部分,装在追踪飞行器上,“锥”为被动部分,装在目标飞行器上。
  对接时将“杆”插入“锥”内后,“锥”将杆锁定;接着,可伸缩的“杆”逐渐缩短,拉紧两个航天器;最终,对接面上的锁将两个对接面锁定。
  其优点是结构简单,质量较轻;缺点是对接机构全部安装在航天器壳体内部,对接后占据较大内部空间,承载能力也比较低。目前,俄罗斯“联盟”系列载人飞船、“进步”系列货运飞船与空间站的对接均采用“杆-锥”式对接机构。
  “异体同构周边”式对接机构中的“异体同构”是指追踪飞行器和目标飞行器上的对接机构采用同样结构,没有主动、被动之分;“周边式”是指机构不设置在中间,而是设置在周边(“杆-锥”式是设置在中间)。
  对接时,追踪航天器上的对接机构伸出,周边的三个板状导向器完成导向作用,使两个对接机构准确的接触。锁定后对接机构回缩,对接面拉紧,最终锁定两个对接面,完成对接。
  其优点是对接后通道畅通,因对接连接环直径较大承载能力大,所以适宜大质量航天器间对接;缺点是结构比较复杂,质量较大。目前,航天飞机与空间站之间、“国际空间站”各舱段之间、我国天宫1号与神舟8号之间的对接均采用“异体同构周边”式对接机构。
  “异体同构周边”式对接机构大体上有两类导向器外翻和内翻。外翻的只在1975年美苏飞船对接飞行时使用过。目前使用的都是导向器内翻,优点是对接后机构组件全部在对接面里侧的增压舱内,便于航天员检查维护;对接面直径更大,承载能力更强。
  纵观国外航天器的空间交会对接,尽管并不完全一样,但基本过程很相似,大致分为四个阶段。
  地面导引阶段刚开始,作为追踪飞行器的航天器要在地面控制中心的操纵下,经过若干次变轨机动,进入到追踪飞行器上的交会测量设备能捕获目标航天器的范围,一般为100千米以内。
  自动寻的阶段在两个航天器相距100千米~100米时,追踪飞行器通过双方携带的交会测量设备自动引导到目标飞行器附近,进入对接走廊。   最终逼近阶段在两个航天器100-1米时,追踪飞行器利用测量系统精确测量两个飞行器的距离、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,此时两个航天器的相对速度约3~1米/秒。
  对接合拢阶段在两个航天器相距1米以内时开始轴向对齐,追踪飞行器关闭发动机,发出对接信号,伸出对接机构。目标飞行器打开撞锁,追踪飞行器以0,1米/秒的停靠速度与目标接触,在结构上实现硬连接,包括管道、线路连接。
  此外,当两个航天器对接成功并完成了空间任务后,往往还有个脱开和分离过程,它也属于空间交会对接的技术范畴。撤离过程与交会对接过程正好相反,实现“1-1=2”。
  中国式太空约会
  我国首次空间交会对接的各阶段与国外大同小异,分为远距离导引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段、再度对接和分离撤离段实施,可以说既步步惊心,又步步放心。
  远距离导引段“神舟”8号飞船入轨后,在测控通信系统的导引下,进行了5次变轨。
  自主控制段分为3个阶段,从52千米到5千米的寻的段,从5千米到140米的接近段,从140米到对接机构接触的平移靠拢段。
  从相距52千米距离到对接,为了保证每步准确对接,降低风险,中间设立了四个停泊点,即进行了四次“刹车”,分别是5千米、400米、140米和30米。既是为了切换敏感器和控制模式,进行例行“体检”,把轨道调整到理想位置,也是控制上的可靠性备份措施,合格方能“放行”。一旦出现问题,“神舟”8号可以通过地面控制撤离到上一个停泊点等待故障处置。因此,四个停泊点就像是轮船入港前的锚地,走一段停一停,一方面可以避免走得太快发生碰撞,另一方面也提供了处置突发故障的时间。
  由于空间技术成熟,俄罗斯现在已经没有这样复杂的过程,美国在对接时虽然也有停泊过程,但也不像我们有这么多环节。中国航天首次实施交会对接,航天专家们还是希望更加稳妥,确保两个飞行器的安全。
  在这四个停泊点中,5千米停泊点最重要。对于两个飞行器来说,它是一个相对安全的距离。其次是30米停泊点,就像临门一脚,多个发动机同时工作,把两个飞行器拉过来,接合到一起,技术含量最高。140米停泊点处要测试对接机构传感器,确定“神舟”8号的对接状态是否已经到位。
  从相距52千米直至交会对接,作用距离较远的微波雷达率先工作,进入20千米后,精度较高的激光雷达开始工作,进入100米时,使用更加精确的CCD光学敏感器。这三台交会对接测量设备,完全由我国自主研制。
  对接段北京时间11月3日1时36分,“神舟”8号和“天宫一号”在我国甘肃、陕西上空实现了刚性连接,形成组合体,交会对接完成。
  从接触到最后的锁紧仅用了8分钟,比原计划缩短了7分钟。“神舟”8号和“天宫一号”实现刚性连接后,通过制动控制系统,接通两个航天器的电气液路通道,进行信息和能源并网。
  第1次对接的整个过程正好处于夜间,即太阳光无法照射的阴影区,肉眼很难看到,只能通过专业手段进行观测。因为在地面无法完全模拟太空中的阳光强度,为避免强光对测量设备的干扰,所以首次交会对接在地球阴影区进行。
  第1次、第2次对接时都是在我国甘肃、陕西上空进行,两地地面测控站比较密集,属于搭界弧段,可实现测控全可见。同时,甘陕两地又处于天链1号的01星和02星中继卫星的覆盖地段,能保证“神舟”8号和“天宫一号”交会对接阶段过程都在我国观测范围内,一旦出现紧急情况,及时进行处理,保证各类操控的可靠性。
  组合体飞行段天宫1号负责组合体飞行控制,“神舟”8号处于停靠状态,如果出现故障,“神舟”8号可以立即“替补”。组合体内部环境的统一控制是未来载人空间站运行的重要技术。虽然因无人参与,这次试验对大气环境不进行验证,但两个飞行器之间的通道是否畅通至关重要。
  组合体飞行几小时后,开始180。转身,“神舟”8号跑到前面,因为处于停靠状态,发动机不再工作,以节省能源,完全靠“天宫一号”在身后“发号施令”。
  进行组合体飞行和控制试验,难度也很大。首先两个航天器对接后变成一个质量和体积都非常大的柔性结构,这在姿态和轨道控制上有很大难度。其次对接后“神舟”8号属于停靠状态,飞船上的一些组合体飞行不必要的设备处于关机和休眠状态,只有保证自身平台运转和保证热控需要的设备在运行。
  再度对接段组合体于11月14日进行了第2次交会对接试验。其目的是再次验证交会对接技术及对接机构等部件工作的可靠性与稳定性,进一步考核对接机构的重复使用性能,为未来的“神舟”9号、10号载人打基础,增加空间试验的子样,以获得最大的效益。它主要试验在不同的光照条件下空间交会对接的效果。第1次对接是在地球阴影区进行,没有太空中强光的影响,对接非常顺利。第2次对接在光照区举行,以考察测量设备在光照干扰下的工作情况。所以,实施两次交会对接可以检验不同环境下的交会对接技术,为以后载人做准备。分离撤离段组合体继续飞行2天后,进入分离撤离段,“神舟”8号缓缓转身180°,与“天宫一号”行驶方向一致,同时加速飞行,撤离至与“天宫一号”相距5千米以外的安全距离,交会对接试验结束。此后,“神舟”8号飞船返回舱返回内蒙古主着陆场。
  两个飞行器分离与对接一样重要,一旦无法分离,未来载人航天器上的航天员就可能面临巨大风险。自动分离一旦出现故障,可进行手动分离,将两个对接机构掰开。此外,还能采用火工品将对接机构炸开,实行强行分离。
  对接机构上有12把结构锁,每把锁的拉力都是数吨级。为保分离采取了4重备份。“神舟”8号锁钩自动解锁失效时由“天宫一号”锁钩解锁。如果仍然不行,则先用火工品炸断“神舟”8号锁钩。仍然无效时,最后的选择就是把“天宫一号”的锁钩炸毁。万一发展到这一步,“天宫一号”的对接机构永远失效,无法迎接下一艘飞船。不过,“神舟”8号与“天宫一号”的2次分离相当顺利。
  【链接】在空间交会对接的2个航天器中,1个称目标飞行器,一般是空间站或其它的大型航天器,作为准备对接的目标,交会对接时保持稳定状态;另1个称追踪飞行器,一般是地面发射的宇宙飞船、航天飞机等,交会对接时要通过变轨来追赶目标飞行器,实现两者的交会对接。在我国首次空间交会对接中,天宫l号是目标飞行器,随后发射的神舟8号飞船是追踪飞行器
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