天舟天和对接 “万里穿针”如何练成?

天舟天和对接 “万里穿针”如何练成?

天舟天和对接 “万里穿针”如何练成?

空间交会对接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”。科研人员前赴后继奋斗了20余年,最终攻克并掌握了这项关键技术。

1 快速对接 “时鲜货”按时送达

据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2-3天时间,过程中还需要大量的人工参与。而此次天舟二号与核心舱对接采用的是快速交会对接技术,而且无需地面干预,就像无人驾驶汽车一样。

快速交会对接不仅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,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,如果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。为了此次快速交会对接,航天科技集团五院的研制团队突破了航天器自主导航测轨、定轨、自主快速制导等技术,将复杂的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运行,为快速交会对接顺利实施做好了各种准备。

2 两手准备 自控、手控皆可

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,是飞船可靠性的重要保障。天舟二号是货运飞船,但是它也装备了手控系统,可以由人“驾驶”着实现交会对接。

那么,天舟二号无法载人怎么实现手控呢?只需要在“手控”后面加三个字“遥操作”,即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。而且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。

天舟一号的时候,在远距离段,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。天舟二号增加了远距离自主导引,就是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。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。

3 可全相位对接 不怕多飞一圈

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。五院502所为飞船GNC系统增加了“全相位自主交会对接方案”。

顾名思义,“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到达,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。

在最合适的情况下,从货运飞船入轨算起,最短可以在约4个小时实现交会对接。为了适应空间站运营多对接口的新需求,五院502所还在掌握绕飞技术基础上,发展出了中瞄点,就是在空间站后下方附近设置“中转站”,通过该点可以最方便地绕向任何一个对接口实现交会对接。

4 “温柔一吻” 可控阻尼缓冲撞击

天舟二号货运飞船要把物资和设备送进核心舱,要实现推进剂补加,就必须在船—舱间建立起高可靠的刚性连接,航天科技集团八院805所抓总研制的对接机构分系统为此提供了保障。

交会对接,是两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术,是实现空间站、太空平台和空间运输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。

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。

为了适应天和核心舱22吨级对接目标以及未来空间站180吨的对接任务,让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“吻”上去,八院805所设计师对第一代对接机构进行升级改进,创新性地提出了可控阻尼的控制思路,来缓冲大吨位航天器对接过程中产生的撞击能量,在经过544次仿真分析和317次地面试验后,设计师充分验证阻尼器的各项功能和性能指标,使原本8吨的对接能力提升到74吨,乃至180吨,大大提升了大型航天器对接的可靠性和安全性。

■ 揭秘

哪些黑科技保障天舟“送货成功”?

●中继终端

建立太空“天路”实现“远程驾驶”

天舟二号货运飞船一进入太空,由航天科技集团五院西安分院研制的中继终端就会第一时间开机,随后与天链中继卫星实现“太空握手”建立星间链路,从而搭建了从天舟二号中继终端到中继卫星再到地面的太空“天路”。有了这条“天路”,地面测控人员就可以通过地面遥测遥控方式,对飞船姿态进行控制,并与地面建立通信联系,实现对天舟二号货运飞船的“远程驾驶”。

通过中继终端所搭建的天基测控通信系统,可以对天和核心舱和天舟二号进行同时测控、同时进行高速数据传输,所建立的星间链路可以实时向地面传输交会对接画面,为两个航天器的太空交会对接全程提供通信链路保障,确保了天舟二号在绝大部分时间都能与地面进行实时通信。

●“动态体检表”

在宇宙射线中确保正常工作

天舟二号在与天和核心舱对接后,必须保证自身各项生保系统参数符合要求,航天员方可进入其中。航天科技集团五院510所研制的综合显示单元,作为天舟二号的“动态体检表”,能够起到在航天员进入后全天候监控生保参数,提供预警、报警的功能。

与神舟飞船的综合显示单元相比,货运飞船各系统的复杂度、需监控的参数类型和数量都成倍增长,对仪表显示系统的功能要求也更高。针对货运飞船任务特点,五院510所首次应用了新型高性能处理器平台,进一步提高了数据处理能力。

为了确保在复杂宇宙射线和高能粒子条件下高速硬件系统正常工作的能力,研制团队开展了上百次仿真和实物验证试验,解决了高速电子线路抗辐照加固的难题;设计了具有自主知识产权的GUI系统,代码量仅为普通操作系统的1%,采用了特殊的内存管理技术,使之不会出现死机、蓝屏等现象;开发了适应空间环境的红外触摸屏,航天员在穿着航天服、戴着手套等情况下,也可以有效地进行触摸操作,减轻在轨操作负担。

●推进舱遮光板

为正推发动机撑起“遮阳伞”

天舟二号飞行模式复杂,与核心舱形成组合体在轨飞行期间,飞船尾部对着太阳可能会出现推进舱内的发动机温度环境过高的情况。为了减少太阳热流的影响,推进舱总装设计团队增加了特殊的遮光隔热装置,相当于为正推发动机撑起了一把“遮阳伞”。

“增加遮光装置,需要对推进舱尾部的结构、支架进行相应的更改,在有限的空间内合理布局,既要起到遮光的作用,又不能与发动机过近,以免发射阶段产生的振动让遮光装置触碰到发动机。”八院天舟货运飞船推进舱总装主任设计师李传吟说道。为此,研制团队做了大量的仿真分析以验证新增的遮光板可以对发动机工作性能产生有效保护。“新增遮光板后,发动机喷管处温度可大幅降低,为空间站组合体的在轨飞行控制提供了有力支撑。”

●充电方式

7种控制方式提高电池容量

天舟二号飞船入轨后与核心舱快速对接,让电源分系统的锂离子蓄电池感到“压力山大”。

要知道,锂离子蓄电池的使命,从货运飞船发射前1小时就开始了。之后的发射、飞行、入轨,在太阳帆板展开前,都是由锂离子蓄电池进行供电。而在交会对接时,为减少对接冲击力对太阳帆板的影响,会将太阳帆板置于水平归零状态,这个时候,大部分的电量仍需要锂离子蓄电池来提供。

这时,货运飞船独有的“7种充电控制方式”发挥了作用。据货运飞船电源分系统副主任设计师朱超介绍,根据锂离子蓄电池在轨寿命周期,研制人员设置了7种充电控制方式,分别对应正常模式、故障模式和柔性模式。“为适应快速对接状态,天舟二号采用了与天舟一号不同的充电控制方式,将锂离子蓄电池组的容量提高约10安时,有效保证了电池电量供货运飞船使用。”

朱超介绍说,“之前给锂离子蓄电池充电,需要采集太阳帆板的信号。可在太阳电池翼被大面积遮挡的‘假阴影区’,这个信号并不能反映太阳帆板实际在轨状态,将会产生蓄电池过充或欠充的问题。为此,我们优化升级了蓄电池的充电控制方式。”新的充电控制方式,增加了一个策略,能够全周期监测锂离子蓄电池单体和电池组电压。“不再受太阳帆板被遮挡情况的影响,相当于将蓄电池的充电控制器从1.0版本升级至2.0版本,有效解决了未来空间站复杂组合体情况下锂离子蓄电池充电控制技术难题,提高了货运飞船的可靠性和安全性。”

A04-05版采写/新京报记者 李玉坤 【编辑:张奥林】