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天舟一号何以与天宫2号三次对接?这些技术是保障

2017-04-21 10:20:25 来源: 网易军事
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天舟一号何以与天宫2号三次对接?这些技术是保障资料图:天舟一号发射成功。

2017年4月20日,我国首艘货运飞船天舟1号由长征7号遥二新一代中型运载火箭从海南文昌航天发射场顺利送入太空。

天舟1号入轨后,计划与在轨运行的天宫2号空间实验室先后进行3次交会对接。完成首次对接和在轨加注推进剂后2个月,天舟1号将绕到天宫2号前面,再调头对接进行二次对接加注,一次加注从准备到完成需要5天。完成了绕飞试验以后,天舟1号与天宫2号再次分离,两个飞行器将独立飞行3个月。在此期间,天舟1号主要完成搭载的空间科学实验和技术试验。3个月后,天舟1号与天宫2号进行最后一次对接,验证自主快速交会对接技术,要求两个航天器在几个小时内实现对接。

天舟一号何以与天宫2号三次对接?这些技术是保障资料图:天舟一号与天宫2号对接示意图。

“天舟”货运飞船由货物舱和推进舱组成,其中货物舱安装货物、设备,推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。其长为10.6米,最大直径约3.35米,太阳电池翼展开后最大宽度14.9米,整船最大装载状态下重量达13.5吨,是我国目前为止体积最大、重量最重的用于载人航天任务的货运航天器。它包括13个分系统,上行货物运输能力为6.5吨,推进剂补加能力在2吨以上,具备独立飞行3个月的能力。

其运载能力是根据空间站的规模设计出来的,并能以最小的结构重量达到最大的装货能力,货运载荷比为46%,达到世界先进水平。

“天舟”系列货运飞船采用型谱化方案,设计了全密封货物舱、半密封货物舱、全开放货物舱和推进舱4个模块,可形成全密封、半密封和全开放货运飞船3种型谱,未来能满足空间站不同货物的运输需求。采用模块化设计可提高货运飞船的任务适应能力,便于任务拓展,使飞船建造类似于“搭积木”。由于模块间技术和产品可实现共享和通用,从而降低了研制成本,缩短了研制周期,能通过有限的飞行试验快速提高平台可靠性。

我国首发货运飞船天舟1号设计为全密封型谱状态,它开启了我国载人航天器型谱化的设计先河,巧妙解决了载人航天器高风险、高标准、高要求与小子样之间的矛盾,让载人航天器的设计更规范化、更具有预见性,是载人航天器通用化、批量产、系列化发展的要求和未来趋势所在。

在天舟1号升空之前,掌握在轨推进剂补加技术的国家只有俄罗斯和美国,其中,实现在轨加注应用的只有俄罗斯。目前,欧洲航天局、日本等正在对此进行积极的研究探索。在天舟1号为与天宫2号空间实验室实施推进剂在轨补加,突破和掌握了这一技术后,将我国成为世界第2个掌握该技术的国家,为我国空间站组装建造和长期运营扫清在能源供给问题上的最后障碍。

绕飞技术能确保航天器能从多个方向与空间站对接,是空间站建造和运营的关键技术之一。这次天舟1号货运飞船绕天宫2号空间实验室的全自主绕飞就是为了验证该项技术,将为空间站建设奠定积累更多的经验和数据,为未来复杂对接做准备。天舟1号在与天宫2号进行第一次交会对接2个月后将撤离天宫2号,伴随着天宫2号进行180°转向,通过全自主绕飞,加速赶到天宫2号前方,从“前”侧与天宫-2进行第二次的对接。

与神舟10号载人飞船在地面人员支持下进行的绕飞不同,此次天舟-1货运飞船绕飞过程中的制导、调姿等均是船上软件自主规划完成,即当绕飞指令发出,天舟1号上的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,可谓“聪明”和“自立”了很多。这种全自主不仅极大减轻了地面支持人员的工作强度,更重要的是可以实现测控区外的自主绕飞。如果把神舟10号的绕飞比作是“领着”小朋友学走路,那么天舟1号货运飞船的绕飞则是“看着”小朋友自己走路。

虽然空间绕飞很精彩,但也暗含巨大风险,两个重达十几吨的飞行器在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。除了避免碰撞,全自主绕飞还需要规划出最优的绕飞轨迹,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”,这就要求有超高的可靠性和安全性、高可靠的控制系统产品以及具有自主故障诊断和系统重构能力的智慧软件等。

目前,我国掌握的常规交会对接技术需要耗时2天左右时间来实现目标飞行器和追踪飞行器的对接,天舟1号将开展自主快速交会对接试验,把交会对接的时间控制在6个小时左右,跨出了从“普通列车”迈向“高铁”的一大步,做到更快、更舒适、更稳妥地运输货物。

快速交会对接技术的好处是:从人的方面说,快速对接可以缩短航天员在飞船狭小空间中滞留的时间,减少航天员不必要的体力与精力付出,使载人太空飞行变得更加舒适、惬意;从任务角度来说,快速交会对接可保障科研用品,特别是生物制剂等无法经历长期运输的货品尽快送达空间站,这对某些试验可能是至关重要的;从安全的角度来说,有利于提高在轨航天器飞行的可靠性,减少在交会对接过程中(包括轨道控制等在内)产生的资源消耗,可更大程度上地保障未来空间站的安全,方便空间站对突发事件的应急处理,如果空间站等航天器突遇紧急情况,快速交会对接可以快速地对故障实施抢修与紧急救援等工作。

掌握高效、强适应性的快速交会对接技术,使飞船以自主制导和控制为主,需要突破航天器自主导航测轨、定轨、自主快速制导等技术,将复杂的测定轨算法和远距离导引技术工程化,把原来远距离导引段需要地面干预的工作交由航天器的星上计算机自主进行。在飞船入轨后,所有的测定轨、制导律计算、控制实施策略等均由飞船自主计算,无需地面干预,几个小时就可以完成交会对接任务。它将为今后建造空间站、完成密集的交会对接任务打下坚实的基础。

张宁宁 本文来源:网易军事 作者:杭添仁 责任编辑:张宁宁_NN3350
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