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此次神舟9号飞船发射升空的关键是要进行手控交会对接试验,无疑手控对接技术将提高交会对接成功率,也是突破太空交会对接技术的最后一步。但这一过程也极为消耗航天员体力和时间以及精力,稍有不慎或者状态不佳就易导致失败。【返回神九报道主专题

神九:手动对接让航天员在太空穿针引线

神九:手动对接让航天员在太空穿针引线

6月9日,执行中国首次载人交会对接任务的神舟九号飞船、长征二F遥九火箭组合体已从酒泉卫星发射中心载人航天发射场技术区垂直转运至发射区。

中国航天已完成第一阶段载人飞行

中国载人航天工程实行“三步走”的发展战略,已经成功发射载人飞船完成了第一阶段的目标,第二阶段则要突破载人飞船交会对接技术、航天器长期自主运行、航天员中期驻留等关键技术。2011年11月3日凌晨无人的神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器自动对接成功,根据日前披露的信息看,下一步将由神舟九号载人飞船完成下载人飞船的手控对接,彻底掌握航天器的交会对接技术。

神舟8号对接顺利神舟9号提前进行载人对接

神舟九号飞船飞行任务的细节,尤其是是否载人则一直是困扰人们的一个谜团。2011年的报道早就明确神舟十号飞船载人进行对接,而神舟九号飞船是否载人要根据神舟八号对接的表现而定。这种任务设计和SpaceX公司龙式飞船原来的COTS 2和COTS 3两次飞行任务验证对接能力类似,都属于分阶段突破高难度的关键技术。由于COTS 1任务相当顺利,SpaceX公司后来说服NASA将两次任务合并为COTS 2+,这次任务中龙式飞船成功对接国际空间站并返回。

2012年元月首次报道神舟9号将于6月发射

2012年1月30日《科技日报》的新年报道中提到了“今年6月,中国将发射神舟九号”,进一步明确了神舟九号飞船的发射时间。随后的报道中虽然将神舟九号飞船发射时间较为保守的改为6月到8月择机发射,但披露了神舟九号乘组将由3名航天员组成,还明确表示神舟九号飞船和天宫一号目标飞行器的对接将是手控交会对接,这次任务如获成功,将标志着中国完全掌握航天器的交会对接技术。

神舟9号执行中国第一次长时间太空飞行任务

除了其他媒体的侧面报道,2012年2月17日中国载人航天工程新闻发言人宣布中国将于今年实施天宫一号和神舟九号的载人交会对接任务,以官方形式正式宣布了神舟九号载人交会对接任务。根据报道神舟九号任务还将是中国第一次长时间的太空飞行任务,其飞行时间将远超神舟五号、六号和七号最长不过4天多的时间,可能达到13至14天之久。

神九:手动对接让航天员在太空穿针引线

神九:手动对接让航天员在太空穿针引线

神舟9号舱内空间狭小、留轨飞行时间有限。尽管中天宫一号只是试验性空间站,但其生活物资足够3名航天员生活20天所需。图为天宫一号内部空间。

神舟9号关键在于要突破手控对接难题

随着神舟九号发射日期的日益临近,6月9日箭船组合体已经从技术区完成垂直转运抵达发射区,6月12日又进行了首次全系统联合发射演练,13日上午完成了主要测试工作,转入火箭加注准备,火箭发射准备进入最后阶段。

目前初步确定6月16日为神舟九号飞船的第一发射窗口,如果天宫一号未来没有进行大幅变轨的话,根据现有轨道参数可以预测神舟九号发射时间在6月16日18:37分左右。相对以往的历次任务,神舟九号载人交会对接主要难点就在载人飞行和交会对接上,前者包括长时间的太空飞行考验,后者关键在于要突破手控对接的难题。

神舟9号飞船独立飞行能力为7天

众所周知太空飞船内部体积小,环境控制和生命保障系统能力也较弱,无法维持太长时间的太空飞行。以使用了数十年、成熟可靠的俄罗斯联盟飞船为例,其独立飞行设计指标是最长14天,与空间站对接飞行最长时间为200天。神舟飞船设计上参照了联盟飞船,虽然拥有更大的返回舱和轨道舱,但太空飞行的设计寿命并没有突破,而且尚处于成熟期稳妥起见,神舟九号飞船设计独立飞行能力为7天。

天宫一号可保障3名航天员20天所需

由于太空飞船存在舱内空间狭小、留轨飞行时间有限等不足,具备更大生活空间和更长运行时间的空间站应运而生。中国的天宫一号目标飞行器尽管只是试验性空间站,但载人飞行能力上也有很大的突破。根据戚发轫总师的介绍,天宫一号的生命保障系统和生活物资足够3名航天员生活20天所需,而神舟九号载人交会对接任务中将是2名航天员进入天宫一号,天宫一号与神舟九号飞船对接飞行10天时间。

神9独立飞行3天与天宫组合飞行10天

航天科技集团科技委主任包为民接受采访时透露了神舟九号任务将执行13天的飞行任务,其中神舟九号飞船独立飞行3天,神舟九号飞船与天宫一号目标飞行器组合体飞行10天,驻留时间是此前最长的神舟六号任务的约3倍,这对神舟飞船与天宫一号飞行器的环控和生保系统提出了更高的要求。

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手控交会对接试验是神舟九号任务的核心,这是突破航天器交会对接技术的最后一步。图为神舟8号与天宫一号进行自动对接电脑图。

手控交会对接是突破交会对接技术的最后一步

手控交会对接试验是神舟九号任务的核心,这是突破航天器交会对接技术的最后一步。去年神舟八号和天宫一号先后进行了两次自动对接,成功突破掌握自动交会对接技术。

手控对接技术是自动对接失效时的保险

天有不测风云,太空苛刻环境下自动设备的软件和硬件难免出现问题,以苏联早期联盟飞船为例,针式自动对接系统的故障比比皆是,航天员手控交会对接多次成为最后的保险,即使今天俄罗斯的联盟飞船的自动对接系统相当成熟,仍保留了手控对接模式作为备份。

至于美国从载人航天之初就选择了手控对接模式,美国的双子星、阿波罗和航天飞机虽然具体的对接机械机构各异,但都属于手控对接系统。中国要建设大型长期空间站,长期太空驻留需要更频繁的发射和对接,手控对接技术将是自动对接可能失效时的保险,是发展载人航天必然要攻克的难关。

手控交会对接可提高交会对接的成功率

人工控制的对接系统相对于自动对接系统具有很多优势:航天员的观测能力可以获得更多的信息,及时修正交会和对接过程中的失误与错误。人类的主观能动性可以对交会对接过程中的各种突发或是异常情况做出更好的判断,节省交会对接过程中消耗的推进剂。加入了人的因素后,可以显著提高交会对接的成功率。

航天员手控对接也有一些明显的弱势。手控交会对接的航天员要经过严格的训练,而缺乏训练的航天员手控对接基本以失败告终。航天员容易受到航天疾病影响,还有身体精神状态的波动也会影响手控交会对接的效果。不过相对而言,航天员可以通过严格的训练提高成功率,通过选择状态最好时进行手控对接提高可靠性,而自动对接设备则有一定的不确定性,如联盟八号飞船曾出现温控系统失灵,导致自动对接系统信号频率源异常,最终距离测量出错无法对接的问题。这类故障在太空中是无法解决的,虽然自动对接系统日益成熟,但手控对接模式仍是以防万一的必备。

手控交会对接过程极为消耗航天员体力

总的说来尽管航天器操控日益自动化,但人的作用仍然是无可替代的,目前交会对接技术的发展趋势是人控和自控结合,充分结合人控精细灵活、自控稳定可靠的优势,提高交会对接的灵活性和成功率。以中国神舟九号任务的手控交会对接为例,自动交会对接系统将把神舟九号和天宫一号到引导接近100米左右的距离上,随后转入手控交会对接模式。

交会对接的关键在于两艘飞船的对接部件精确指向对方,同时要消除横向速度,并把线速度控制在允许的范围内。航天员手控对接中通过显示屏的图像和测量数据判断两者的相对速度、位置和相对姿态,通过平移控制手柄和姿态控制手柄控制好飞船相对速度、方向和姿态,尤其是根据显示屏上的十字靶标判断是否对准目标飞船的对接机构。一般的说对接时相对速度要在0.2米每秒左右,横向错位不能超过0.18米,这个接近过程需要极为精细的操作,极为耗费时间、体力和精力。换句话说,如果对接时间过长导致航天员消耗体力过大,或者航天员稍有不慎以及状态不佳就易导致整个手动交会对接试验失败。

神九:手动对接让航天员在太空穿针引线

即将发射的神舟九号飞船将是中国首次载人交会对接任务,较长时间的太空飞行同样是一个重大试验,新上加新的技术突破将带来更大的风险和挑战。中国航天人已经为这次任务做了充分的测试和模拟,力保神舟九号任务的成功。以手控交会对接的突破为标志,神舟九号任务必将成为中国载人航天发展史上的一个重要里程碑。

作者:松鼠

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