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【材制 | 視角】天宮的落成——空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)概述

2021-10-23 21:40 作者:青春材制 0人讀過(guò) | 我要投稿

初原載于? 愛(ài)學(xué)習(xí)的? 青春材制

2021-10-22

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????????北京時(shí)間2021年10月16日6時(shí)56分，神舟十三號(hào)載人飛船首次在太空實(shí)現(xiàn)了徑向快速交會(huì)對(duì)接！

????????在我國(guó)天宮空間站的建設(shè)過(guò)程中，“快速自主交會(huì)對(duì)接”技術(shù)越來(lái)越多的進(jìn)入人們的視線。本文將與您一同抽絲剝繭，解開(kāi)“快速自主交會(huì)對(duì)接”技術(shù)的神秘面紗。

交會(huì)對(duì)接四個(gè)階段

?交會(huì)段、對(duì)接段、組合體運(yùn)行段、撤離段

????????下面就讓我們按照時(shí)間順序，模擬一次“神舟十三號(hào)”與“天和”核心艙的交會(huì)對(duì)接吧！

Step 1 進(jìn)入軌道

????????想要讓“神舟十三號(hào)”載人飛船與400千米軌道上運(yùn)行的“天宮”空間站會(huì)面，首先要使“神舟十三號(hào)”進(jìn)入地球軌道，成為地球的一顆“衛(wèi)星”。這次我們選擇中國(guó)載人航天的“神箭”長(zhǎng)征二號(hào)F進(jìn)入太空。

幕間四次變軌與“航天運(yùn)動(dòng)病”

????????現(xiàn)在我們已經(jīng)成功進(jìn)入了地球軌道，透過(guò)舷窗你可以看到美麗的地球風(fēng)光和深邃的太空。那么天宮呢？別著急，我們距離天宮還有一段距離，讓我們點(diǎn)燃引擎，開(kāi)始軌道轉(zhuǎn)移吧！

????????交會(huì)對(duì)接技術(shù)可大致分為第4圈軌道交會(huì)（M＝4）、第3圈軌道交會(huì)（M＝3）、第1圈軌道交會(huì)（M＝1）、光學(xué)交會(huì)、從上面交會(huì)、穩(wěn)定軌道交會(huì)以及雙光學(xué)交會(huì)7種。我國(guó)快速自主交會(huì)對(duì)接技術(shù)采用了第4圈軌道交會(huì)的方案，示意圖見(jiàn)圖2。

????????第4圈交會(huì)指尋的航天器在與目標(biāo)對(duì)接前會(huì)在地球軌道上飛行四圈，分別是入軌軌道（第1圈）、調(diào)相軌道（第2、3圈）和目標(biāo)軌道（第4圈）。

????????我們乘坐的“神舟”載人飛船在發(fā)射升空后首先進(jìn)入的是入軌軌道，也就是在電視直播中“飛船成功入軌”時(shí)所在的軌道。但由于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心并不處于赤道，發(fā)射升空的“神舟”的軌道與“天宮”所在的軌道并不在同一平面上，所以需要通過(guò)變軌使二者軌道平面重合并使軌道相交?！吧裰邸睂?huì)自動(dòng)計(jì)算變軌的時(shí)機(jī)，得出需要點(diǎn)火加速的位置及相關(guān)參數(shù)，稱為“機(jī)動(dòng)節(jié)點(diǎn)”（即圖中的BCDE點(diǎn)）。在到達(dá)機(jī)動(dòng)節(jié)點(diǎn)所要求的位置后，“神舟”將會(huì)自動(dòng)調(diào)整方向并點(diǎn)火加速抬升軌道，經(jīng)過(guò)數(shù)次軌道調(diào)整最終到達(dá)目標(biāo)軌道，這個(gè)過(guò)程稱為“調(diào)相”。

方案優(yōu)勢(shì)

????????在對(duì)接前航天器有足夠的時(shí)間進(jìn)行自檢，減小了交會(huì)對(duì)接過(guò)程中儀器失靈的幾率，同時(shí)節(jié)約了推進(jìn)器燃料的問(wèn)題，兼顧了經(jīng)濟(jì)和安全的要求。

經(jīng)歷了4次變軌，你現(xiàn)在感覺(jué)怎么樣？

????????據(jù)統(tǒng)計(jì)有1/3的航天員在進(jìn)入太空1小時(shí)后會(huì)患上航天運(yùn)動(dòng)病，表現(xiàn)為出現(xiàn)惡心嘔吐和出冷汗等身體不適的癥狀，有的也會(huì)出現(xiàn)頭暈以及感覺(jué)錯(cuò)位等錯(cuò)覺(jué)。該癥狀大多在30小時(shí)后消退，在此期間你只能在艙內(nèi)看看風(fēng)景了，這也是快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)在過(guò)去并不流行的原因之一。

????????不過(guò)不用擔(dān)心，感謝現(xiàn)代太空技術(shù)，現(xiàn)今航天員不必事事親力親為，你搭乘的“神舟”載人飛船可以自動(dòng)完成交會(huì)對(duì)接中的絕大多數(shù)步驟。下面的工作就交給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)完成吧。

Step 2 交會(huì)段及對(duì)接段

????????交會(huì)對(duì)接可以簡(jiǎn)單的分為交會(huì)階段和對(duì)接階段。

交會(huì)階段

????????交會(huì)是一個(gè)航天器接近另一個(gè)航天器的過(guò)程。簡(jiǎn)單來(lái)講就是通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)使兩個(gè)航天器在同一時(shí)間到達(dá)同一地點(diǎn)。交會(huì)段又分為遠(yuǎn)程導(dǎo)引段和近程自主控制段。遠(yuǎn)程導(dǎo)引段是“神舟”根據(jù)“地圖導(dǎo)航”到達(dá)“天宮”的附近，而近程自主控制段則是“神舟”用“眼睛”尋找“家門”的過(guò)程。近程自主控制段又分為尋的段（也就是尋找目的地的階段）、接近段、平移靠攏段，示意圖見(jiàn)圖3。各個(gè)階段距離上由遠(yuǎn)及近，精度上由粗到精，對(duì)航天器敏感器精度有很高要求。

????????我們這次乘坐的“神舟”載人飛船主要使用了4種敏感器充當(dāng)交會(huì)對(duì)接時(shí)的“眼睛”，并且每一個(gè)階段至少有兩雙“眼睛”看向目標(biāo)，以確保在茫茫太空中精確的找到“天宮”（不同敏感器使用階段見(jiàn)表1）。

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????????接下來(lái)就讓我們看看“神舟”是如何在千里之外找到“天宮”的。

尋找“天宮”——遠(yuǎn)程導(dǎo)引段

????????要想找到“家門”，首先要根據(jù)地圖導(dǎo)航到達(dá)自家附近，這就是遠(yuǎn)程導(dǎo)引段。與我們一樣，“神舟”的導(dǎo)航也是采用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，利用衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備接收到的觀測(cè)信息，將“神舟”從幾千公里外導(dǎo)引到距“天宮”100公里左右的范圍內(nèi)，這和我們從某處來(lái)到自家所在的街道的過(guò)程是類似的。在此階段，“神舟”的任務(wù)是找到“家門”周圍熟悉的路標(biāo)。

遇見(jiàn)“天宮”——尋的（di）段

????????此時(shí)，你已經(jīng)可以通過(guò)舷窗看到“天宮”空間站的燈光了，交會(huì)對(duì)接即將進(jìn)入下一個(gè)階段——尋的段。在此階段，“神舟”上的交會(huì)雷達(dá)捕獲并跟蹤到“天宮”并到達(dá)距“天宮”約500米處。

????????本階段“神舟”仍然主要利用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)確定２個(gè)航天器間的相對(duì)位置和相對(duì)速度等相對(duì)導(dǎo)航參數(shù)。此時(shí)“神舟”的“眼睛”也已經(jīng)看到了“家門”的位置，并參與進(jìn)了導(dǎo)航的過(guò)程。

靠近“天宮”——接近段

????????我們離“天宮”越來(lái)越近了，透過(guò)舷窗你或許可以找到對(duì)接口的位置?！吧裰邸闭龑?duì)家門，開(kāi)始向門口走去，這就是接近段。

????????該階段“神舟”仍主要使用“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量相對(duì)位置和相對(duì)速度等相對(duì)導(dǎo)航參數(shù)，并使用微波交會(huì)雷達(dá)和激光交會(huì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)速率的測(cè)量，使“神舟”和“天宮”的對(duì)接口軸線接近重合。

觸碰“天宮”——平移靠攏段

????????現(xiàn)在，“神舟”已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)了家門，準(zhǔn)備開(kāi)鎖進(jìn)屋了。平移靠攏段是“神舟”進(jìn)入對(duì)接走廊后到與“天舟”接觸為止的過(guò)程。在這個(gè)階段“神舟”終于收起了衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，用“眼睛”引導(dǎo)自己回家。至此交會(huì)階段完成。

對(duì)接階段

????????隨著閉鎖裝置的聲音響起，“神舟”正式的和“天和”軌道艙對(duì)接成功了。稍安勿躁，等艙室間氣壓平衡完畢后，我們就可以打開(kāi)承壓艙門，穿過(guò)軌道艙，進(jìn)入天宮了。

Step 3 組合體運(yùn)行段

????????當(dāng)我們進(jìn)入天宮，映入眼簾的是一個(gè)有六個(gè)艙門的節(jié)點(diǎn)艙，這個(gè)并不寬敞的艙室承擔(dān)著溝通實(shí)驗(yàn)艙、核心艙和載人飛船的任務(wù)。讓我們穿過(guò)艙門，進(jìn)入“天和”核心艙，開(kāi)始為期6個(gè)月的太空生活吧。

????????當(dāng)然，在天宮中的生活不止是觀光，還有一系列有趣而意義重大的任務(wù)需要完成。本次“神舟十三號(hào)”共有五大主要任務(wù)：

1、開(kāi)展機(jī)械臂輔助艙段轉(zhuǎn)位、受控操作等空間站組裝建造關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)；

2、要進(jìn)行2-3次出艙活動(dòng)，安裝大小機(jī)械臂、雙臂組合轉(zhuǎn)接件及懸掛裝置，為后續(xù)空間站建設(shè)任務(wù)做準(zhǔn)備；

3、要進(jìn)一步驗(yàn)證航天員在軌駐留6個(gè)月的健康生活和工作保障技術(shù)；

4、進(jìn)行航天醫(yī)學(xué)、微重力物理領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用，開(kāi)展多樣化科普教育活動(dòng)；

5、全面考核工程各系統(tǒng)執(zhí)行空間站任務(wù)的功能性能以及系統(tǒng)間的匹配性。

Step 4 撤離段

????????6個(gè)月后，你的太空生活即將結(jié)束，帶好隨身物品，讓我們回到“神舟十三號(hào)”返回艙，脫離對(duì)接，開(kāi)始返回地球吧。

Step 5? 返回地球

????????“神舟十三號(hào)”返回地球時(shí)，將拋棄軌道艙在軌道上，僅保留返回艙和推進(jìn)艙返回。當(dāng)你返回地球時(shí)，推進(jìn)艙將在大氣層中燒毀，而軌道艙可在軌道上繼續(xù)工作半年左右，充當(dāng)對(duì)地觀察衛(wèi)星或太空實(shí)驗(yàn)室，可謂是經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。在經(jīng)過(guò)了十多分鐘刺激的返回過(guò)程后，隨著反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，你正式回到了地面。歡迎回到地球！

????????未來(lái)的交會(huì)對(duì)接會(huì)是什么樣的呢？答案會(huì)在下期的材制視角揭曉哦！敬請(qǐng)期待~