天舟二号与天和核心舱对接

太空再次上演“浪漫之吻”。

据中国载人航天工程办公室消息,天舟二号货运飞船入轨后顺利完成入轨状态设置,于5月30日5时01分,采用自主快速交会对接模式精准对接于天和核心舱后向端口,整个过程历时约8小时。

天舟二号携带了航天员生活物资、舱外航天服及空间站平台设备、应用载荷和推进剂等,与天和核心舱完成交会对接后,转入组合体飞行阶段,将按计划开展推进剂补加和空间应用项目设备测试等工作。

据人民日报客户端报道,5月30日5时01分,天舟二号货运飞船和天和核心舱顺利实现快速交会对接。天舟二号货运飞船成为首个停靠空间站核心舱的航天器。

空间交会对接是载人航天活动的基本技术之一,是实现空间站和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨服务的先决条件。

据中国航天科技集团五院天舟二号货运飞船副总设计师党蓉介绍,以往飞船的交会对接从发射到具备交会对接条件需要大约2-3天时间,过程中还需要大量人工参与。此次天舟二号货运飞船与天和核心舱对接采用的是快速交会对接技术,其最大的特点就是“快”,整个过程历时8个小时,而且无需地面干预,就像无人驾驶汽车一样。

快速交会对接技术之所以重要,在于将来不仅能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,同时也可以保证一些“时鲜货(比如生物制剂等)”尽快送达空间站。在安全方面,一旦空间站等航天器突遇紧急情况,快速交会对接可以迅速做出反应,向空间站提供各种急需的物资或救助被困的航天员。

与天舟一号时的快速交会对接相比,天舟二号的技术更进一步。

中国航天科技集团五院的科研人员为飞船增加了“全相位自主交会对接方案”。无论目标飞行器在入轨时和空间站的相对位置有1/4圈、半圈乃至整圈,天舟二号货运飞船都能以最快速度或者在规定时间点到达。天舟一号任务时,需要人工辅助把飞船送到距离天宫二号一定的位置,然后由飞船自主去对接。这次天舟二号增加了远距离自主导引,飞船能够利用北斗导航来实现远距离的全自主导航计算及制导与控制。也就是说,以后天舟飞船对空间站的造访过程中,人只负责监视,整个飞行和交会对接的过程是全自主的。

当然,当货运飞船需要手控交会对接的时候,坐在空间站内的航天员还能通过手控遥操作,驾驶货运飞船完成与空间站的交会对接或撤离。

为了精准对接,由中国航天科工集团二院25所研制,安装在天舟二号货运飞船上的微波雷达作为关键测量敏感器,能在交会对接过程中输出高精度测距、测速及测角信息,为空间站建设中的交会对接任务提供有力支撑。为了缓冲大吨位航天器对接过程中产生的撞击能量,中国航天科技集团八院研制出了对接机构分系统,创新性地研发了可控阻尼器,在船—舱间建立起高可靠的刚性连接,让天舟二号货运飞船的主动对接机构与核心舱的被动对接机构“温柔”地交会对接。

整个交会对接设计还体现了能源高效利用的宗旨。天舟二号货运飞船和天和核心舱各自有两套独立的能源系统,一旦对接后,两个航天器可以互相输送电能资源,实现组合体能源的高效利用。专家打比方说,这种“双向并网”技术,就好比两个手机,既可以单独充电,还可以互相充电。当阳光照射情况复杂时,如果单个航天器能量不足,另一个可以及时补充,实现能源最大化利用。

跟高大的空间站核心舱相比,天舟二号货运飞船的“身材”可谓是短小精悍。送上去的物资包括了160余件大大小小的货包以及2吨推进剂,占了整个货船重量的一半以上,载货比超过50%,属于国际领先水平。这里面有两件重要“宝贝”——两套航天员舱外服,每件重100多公斤,是航天员抵达核心舱后执行舱外任务的必备物资。此外,还有“太空按摩仪”和“太空冰箱”等有特色的物件随货船升空。其中,中国航天科工集团所属航天三江红峰公司研制的“太空按摩仪”主要用于对航天员进行电脉冲刺激,协助航天员进行肌肉疲劳恢复和肌肉力量训练,防止长期飞行试验造成的肌肉萎缩。中国航天科工集团三院306所特制的隔热保温的“太空冰箱”,帮助保护货船里关键的医疗检测和保障物资。

“万里穿针”再现宇宙

5月30日5时01分,飞向太空不久的天舟二号货运飞船,来不及停歇,便与天和核心舱完成了全自主快速交会对接,“万里穿针”技术再现太空。

所谓交会对接,是指两个航天器在空间轨道上,会合并在结构上连成一个整体,这是载人航天活动的三大基本技术之一,是实现空间站和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨服务的先决条件,复杂度高、精准度高、自主性要求高、安全性要求高,其难度被形象地称为“万里穿针”。

中国航天科技集团五院天舟二号货运飞船副总设计师党蓉告诉记者,我国是世界上第三个独立掌握太空交会对接技术的国家。自2011年11月3日对接机构首次亮相以来,我国共实施了10次空间交会对接,圆满实现了首次无人/载人交会对接,并验证了在轨补加技术,为空间站建设打下了坚实的基础。为掌握这项技术,五院502所研制人员前赴后继奋斗了近30年。

天舟二号货运飞船与天和核心舱交会对接模拟图。图片来源:中国航天科技集团五院

党蓉说,天舟二号与核心舱的此次交会对接是我国在轨进行的第二次快速交会对接,与2017年天舟一号与天宫二号的交会对接相比,此次又实现了新的技术升级。

相较于天舟一号,天舟二号增加了“全相位全自主交会对接方案”。

所谓“全相位”,就是无论目标飞行器在入轨时和空间站的相对位置有1/4圈、半圈,哪怕整圈,“天舟”都可以以最快速度或者在规定时间点实现对接,而不用专门根据空间站的位置来选择飞船发射时间,真正实现了全天候发射;“全自主”,则是从飞船入轨到交会对接成功,全程不需要人工干预,船上控制器自主规划完成。

党蓉说,天舟一号在远距离段是需要人工辅助把飞船引导到距离天宫二号一定的位置,然后由飞船自主完成近距离交会对接。天舟二号增加了远距离自主导引,飞船可以利用北斗导航的位置信息来实现远距离的全自主的导航计算及其制导与控制

换句话说,以后天舟飞船对空间站的造访,过程中人只负责监视,整个交会和对接过程完全自主完成

手控交会对接和自动交会对接是空间交会对接系统的“左右手”,互为备份,是系统可靠性的重要保障。神舟载人飞船从研制之初就按照不同的逻辑分别为两套系统设计了相对独立的系统。

党蓉说,天舟二号是货运飞船,但是它也装备了手控系统,在货运飞船与空间站交会对接的最后平移靠拢段,手控是重要的控制手段之一,具备支持空间站内航天员进行手控遥操作实现前向或后向的交会对接或撤退撤离的能力。

“一旦自动交会对接模式故障时,控制系统可以转为手控遥操作模式,空间站上的航天员可以通过‘遥操作’,以遥控的方式‘驾驶’飞船,实现货运飞船规避空间站或安全、准确地与空间站对接。”党蓉说。

据她介绍,为保证系统整体可靠性,天舟的自控与手控系统间通过设计不同的信息接口实现了相互故障隔离,但必要时又可以实现可靠的模式切换。即在自控模式下,通过地面注入指令或航天员手控指令可以迅速转入手控遥操作模式,手控遥操作过程中,也可以通过地面注入指令或航天员手控指令转入自控模式。

中国航天科技集团五院天舟二号货运飞船总设计师白明生表示,为了早日建成中国人自己的空间站,在中国的载人航天工程立项前,五院502所的科研人员就瞄准空间站建设必须的交会对接技术开始了攻关。

2011年11月,神舟八号成功完成了与天宫一号的两次自动交会对接。

2012年6月,神舟九号在航天员刘旺的操控下与天宫一号成功实现手控交会对接,标志着我国突破了相对导航、制导、控制和交会对接相对测量敏感器等一系列关键技术,成为世界上第三个独立掌握交会对接的国家。

2016年,作为交会对接的一项必要的相关技术,在神舟十号任务中验证了绕飞技术。2017年,天舟一号和天宫二号快速交会对接在轨试验圆满成功,使我国成为世界上第三个掌握近地快速交会对接的国家。之后,研发团队用几年的时间在自主性、可靠性等多方面对交会对接技术进行了完善,至天舟二号与核心舱对接,502所三代研发人员已经前赴后继奋斗了近30年。

白明生表示,随着天舟二号和空间站核心舱的首次“太空之吻”,中国的空间交会对接技术也迎来了新的历史阶段。行而不辍,未来可期,在支撑空间站建设之余,相信中国的交会对接技术也必将在把我国建成航天强国的征程中发挥更大作用。

来源|人民日报客户端、央视新闻、中青报·中青网记者 邱晨辉

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