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精確 再精確——航天專家解碼首次載人交會(huì)對(duì)接
2012-06-20
新華網(wǎng)北京６月１８日電 題：精確，精確，再精確——航天專家解碼神舟九號(hào)與天宮一號(hào)首次載人交會(huì)對(duì)接
新華社記者李宣良 白瑞雪 王玉山
航天器空間交會(huì)對(duì)接，被形象地比喻為“百米穿針”。對(duì)于搭載著景海鵬、劉旺、劉洋３位航天員的神舟九號(hào)飛船來(lái)說，在與天宮一號(hào)的交會(huì)對(duì)接過程中，精確顯得尤為重要。
“只有精確，才能避免風(fēng)險(xiǎn)；只有精確，才能確保安全；只有精確，才能取得成功?！陛d人航天工程測(cè)控通信系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師錢衛(wèi)平說，“我們的任務(wù)就是，精確、精確，再精確。”
精確——遠(yuǎn)距離導(dǎo)引的基礎(chǔ)
遠(yuǎn)距離導(dǎo)引到交會(huì)對(duì)接的第一步，神舟九號(hào)需要從數(shù)千公里外的地方被導(dǎo)引至距天宮一號(hào)后下方５２公里處的交會(huì)對(duì)接入口。
“遠(yuǎn)距離導(dǎo)引控制帶來(lái)的控制頻度之密，控制精度要求之高，前所未有。”北京航天飛行控制中心副主任麻永平說，兩個(gè)航天器均以每秒７．８公里的速度高速飛行，要準(zhǔn)確控制這兩個(gè)高速動(dòng)態(tài)飛行器的相對(duì)位置和相對(duì)高度，就好比在太空中打兩個(gè)“移動(dòng)靶”。
這個(gè)艱巨任務(wù)由地面測(cè)控系統(tǒng)來(lái)完成。“神舟九號(hào)發(fā)射升空以后，我們要進(jìn)行５次遠(yuǎn)距離導(dǎo)引控制，實(shí)際上只實(shí)施了４次就實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)?！北本╋w控中心研究員唐歌實(shí)介紹，中心通過精密定軌和精確的軌控效果標(biāo)定，研究分析認(rèn)為第５圈和第１９圈軌道控制將對(duì)軌道面產(chǎn)生一個(gè)固定偏差，因此可以利用這個(gè)偏差，來(lái)替代第１３圈的軌道面修正，從而取消原來(lái)設(shè)計(jì)的軌道面修正控制，將原來(lái)設(shè)計(jì)的５次變軌減為４次。
“飛行控制操作的簡(jiǎn)化，不僅沒有影響到控制精度，反而提高了航天員和飛行控制的安全性和可靠性?！碧聘鑼?shí)說。
精確——近距離自主交會(huì)的前提
從相距５２公里處，神舟九號(hào)開始利用飛行器上微波雷達(dá)、激光雷達(dá)等測(cè)量設(shè)備，獲得和天宮一號(hào)的相對(duì)距離和相對(duì)姿態(tài)等信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序計(jì)算出飛船繼續(xù)前進(jìn)的軌跡和速度，逐漸逼近天宮一號(hào)。
這個(gè)過程就是航天器的自主交會(huì)。為什么要用自主交會(huì)取消測(cè)控系統(tǒng)的導(dǎo)引控制？
錢衛(wèi)平說，由于地面航天測(cè)控網(wǎng)受到距離、分布等因素的制約，在近距離時(shí)難以滿足飛行器交會(huì)的要求，只能依靠航天器自主導(dǎo)引。
要使神舟九號(hào)和天宮一號(hào)對(duì)接機(jī)構(gòu)能夠順利捕獲，誤差必須保持在十幾厘米范圍內(nèi)，這種導(dǎo)航精度，對(duì)飛行的安全性、天地協(xié)同的時(shí)效性，都提出了極其苛刻的要求。
“為了解決難題，飛船上裝備了現(xiàn)代化的測(cè)量手段，距離的測(cè)量精度能達(dá)到厘米級(jí)?！卞X衛(wèi)平說。
從神舟九號(hào)接近天宮一號(hào)起，共設(shè)置了５公里、４００米、１４０米和３０米四個(gè)停泊點(diǎn)。神舟九號(hào)在這幾個(gè)點(diǎn)都要相對(duì)于天宮一號(hào)“停泊”數(shù)分鐘，給地面測(cè)控系統(tǒng)提供分析判斷兩個(gè)航天器狀態(tài)的時(shí)間。如果一切正常，則繼續(xù)進(jìn)行交會(huì)對(duì)接；如果出現(xiàn)意外情況，則可能隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。
精確——實(shí)現(xiàn)“１＋１＝１”的關(guān)鍵
當(dāng)神舟九號(hào)和天宮一號(hào)的對(duì)接機(jī)構(gòu)剛一接觸上，飛船上的發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)，對(duì)飛船進(jìn)行加速。對(duì)接機(jī)構(gòu)按照捕獲、緩沖、拉近、鎖緊四個(gè)階段，完成對(duì)接，并保證密封。
對(duì)接后，天宮一號(hào)和神舟九號(hào)成為一個(gè)組合體在軌道上運(yùn)行，此時(shí)由天宮一號(hào)控制組合體飛行，神九飛船處于“?？俊睜顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)“１＋１＝１”。
如何使對(duì)接時(shí)不發(fā)生碰撞，對(duì)接后能夠保持完全密封，以及使天宮一號(hào)和神舟九號(hào)真正合二為一，都要依賴對(duì)接機(jī)構(gòu)的精確動(dòng)作。神舟九號(hào)和天宮一號(hào)的對(duì)接機(jī)構(gòu)是這次任務(wù)最復(fù)雜和精密的空間機(jī)構(gòu)，有數(shù)百個(gè)軸承齒輪和上萬(wàn)個(gè)零部件。
對(duì)接形成密封通道后，將進(jìn)行通道密封性能檢查，確保艙體的氣密性，保證艙內(nèi)航天員的安全。
精確——讓“１－１＝２”的奧秘
在神九天宮載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)過程中，組合體將至少進(jìn)行兩次分離，一次是手控交會(huì)對(duì)接之前，神九將與天宮短暫作別；一次是航天員返回前，神九將與天宮永久作別。
“相見時(shí)難別亦難”，兩個(gè)航天器能否分離成功，是交會(huì)對(duì)接任務(wù)完整過程的最后一步，也意味著未來(lái)航天員能否順利從空間實(shí)驗(yàn)室或者空間站撤離。
分離過程是“１－１＝２”的過程，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)組合在一起的飛行器順利分開，又保證兩個(gè)飛行器一切正常，神舟九號(hào)恢復(fù)自主飛行功能。
分離是對(duì)接的反過程，對(duì)接時(shí)鎖得緊，分離時(shí)必然就困難。對(duì)接機(jī)構(gòu)上的１２把結(jié)構(gòu)鎖，每個(gè)鎖的拉力都是數(shù)噸級(jí)。為保分離采取了４重備份。
作別神九之后，天宮一號(hào)是否會(huì)迎來(lái)神十？全世界都在拭目以待。
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