您正在使用较旧版本的浏览器。为了获得最佳 MSN 中文网体验,请使用受支持的版本

国际首次在轨转位!深度解读:“问天”是如何完成这项超高难度动作的?

解放日报 徽标 解放日报 2022/9/30 上观新闻
© 由 解放日报 提供

今天(9月30日)12时44分,我国空间站又完成了一项超高难度动作,在400公里的高空上演了一场惊心动魄的“太空泊车”,将23吨的“问天”实验舱从节点舱的前向对接口缓慢平移至相差90°的侧向对接口,并再次对接锁紧。这是我国首次实施的航天器在轨转位试验,也是国际上首次以平面式转位方案完成航天器转位的成功尝试。

在这次“太空泊车”任务中,航天科技集团上海航天技术研究院805所设计研制的对接与转位分系统发挥了关键作用。包括转臂、转位基座、对接机构等在内的产品分工明确、各显神通,确保转位过程起得柔、转得稳、停得准、对得顺,让首次太空转位动作完美亮相。

为什么要“太空泊车”?

按照我国空间站建造方案,在空间站组装建造阶段,陆续发射的两个实验舱将对称分布于核心舱节点舱的两个侧向停泊口,从而完成空间站“T字”基本构型的建造任务。

“问天实验舱是我国目前最大的单体航天器,如果直接与空间站组合体进行侧向对接,会因为质心偏差对空间站姿态造成较大影响,甚至会出现滚转失控的风险。”上海航天技术研究院空间站系统副总师魏智解释:“就像是我们用手推一根木棍的底部,如果是沿着它的方向直推过去的话,木棍会径直向前走;如果从侧面撞过去,木棍则会发生较大的偏转。在太空的微重力状态下,偏离质心的力足以‘四两拨千斤’,让空间站的姿态失稳。”

因此,我国两个实验舱都将先轴向对接于前向端口,再通过转位移至侧向停泊口,这意味着转位动作的成败直接关乎我国空间站的建造及后续任务实施。

© 由 解放日报 提供

问天实验舱准备转位(新华社)

国际上首次平面式转位

转位势在必行,也是更加稳妥的做法。那么如何实施?又该怎么转?为了让“问天”实验舱的转位过程变得更加平稳、顺利,上海航天805所对接与转位研制团队几经论证,并综合对比国际空间站的转位方案,创造性提出了“平面式转位方案”,这是国际上首次以平面式转位方案完成航天器的转位动作。

魏智介绍,俄罗斯“和平号”空间站采用的是翻转式组装方案,但这一方案在舱体转位到位后,舱体姿态会发生90°的翻转。“而我们采用的方案则是让‘问天’实验舱在同一平面内进行转位,此时由于质心的运动轨迹也处在一个平面,转位动作对空间站组合体的姿态扰动较小,更易于空间站的姿态控制。”

但相对于翻转式转位方案,平面式转位方案结构设计难度更大,地面试验系统也更为复杂。为了让转位任务一气呵成、一次成功,研制团队对平面式转位方案进行了精心分析论证,并研发了相应的测试系统进行在轨工作载荷及转位全时序试验验证,确保了实验舱转位任务的有序、安全、可靠。

让实验舱转得稳、停得准

此次转位动作主要由配置在实验舱上的转臂机构以及核心舱节点舱上的转位基座完成。位于实验舱上的转臂机构,像是一支纤纤“小臂”,但却有着舞动乾坤的能力。它以细致灵动的流畅操作,让重达23吨的实验舱起得柔、转得稳、停得准、对得顺,在400公里高空优雅自若、大显身手。

首先,转臂需要捕获安装在核心舱上的转位基座,也就是将“手”轻轻搭到核心舱上并实现刚性连接。此时,对接机构解锁,实验舱与核心舱之间处于柔性连接状态;随后,转臂缓缓起动,在两分钟内以肉眼难以察觉的速度实现舱体缓慢起动,并逐渐提高至全速转动。但哪怕是在全速转动的过程中,“小臂”的运动速度也很低,且不能出现“急刹”“点刹”的现象,这样低速且匀速的运转模式可以有效降低对空间站组合体的扰动;在即将到达侧向停泊点时,转臂开启“制动”模式,为了避免电机断电可能带来的“急刹车”,转臂上安装了缓冲耗能装置,既可以避免大惯量冲击造成“小臂骨折”,又能在三分钟内快速消耗舱体转位带来的动能,使实验舱能够精准地停在预定的侧向对接位置。

© 由 解放日报 提供

问天实验舱采用平面转位方式完成转位并与节点舱侧向端口再对接(新华社)

让实验舱对得顺,连得紧

“问天”实验舱成功转位至侧向停泊口后,“问天”实验舱与“天和”核心舱需要完成侧向再对接,也就是迎来最后一步动作——“倒车入库”,这一动作就需要对接机构和转位机构之间协调配合、共同完成。

首先,转位机构要具有位置保持的能力,让23吨的实验舱以“悬停姿态”做好对接准备;其次,对接机构则要改变以往“粗暴的强吻”方式,采用一种全新的捕获对接方式“准静态对接技术”,由实验舱的对接机构主动推出对接环实现捕获,这一“吻”更轻盈、也更温柔。面对这项新挑战,但身经百战的空间站“老手”——对接机构,早已在21次的在轨试验和数千次的地面试验中进行了充分的双重验证,确保可完美胜任此次对接考验。

同时,由于我国空间站的在轨工作时间长达15年,“问天”实验舱侧向停靠后,对接机构需要长期在轨刚性连接。为了验证对接机构在轨长期连接状态下的性能,研制团队开展了长寿命专项试验,确保对接机构在轨15年后连接性能依然能够满足,确保空间站各舱段之间长久地可靠连接。 

问天实验舱转位完成后,空间站组合体由两舱“一”字构型转变为两舱“L”构型。后续,空间站组合体将以“L”字构型在轨飞行,等待梦天实验舱发射、交会对接后,还将转位形成空间站三舱“T”字构型组合体。

更多来自解放日报的内容

image beaconimage beaconimage beacon