天宮游太空 神舟赴星河

天宮游太空 神舟赴星河

空間飛行器交會(huì)對(duì)接是航天領(lǐng)域公認(rèn)的技術(shù)難關(guān)，難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。工程技術(shù)人員總結(jié)前幾次交會(huì)對(duì)接的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，那么這次交會(huì)對(duì)接與以往有何不同？北京航天飛行控制中心副總工程師孫軍對(duì)此進(jìn)行了權(quán)威解答。

從打固定靶到打運(yùn)動(dòng)靶

“天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)交會(huì)對(duì)接的軌道高度為393千米，比前幾次高了50千米。”孫軍說，這個(gè)高度與未來空間站的軌道高度基本相同，大氣阻力更小，對(duì)航天器的衰減作用更小，能夠降低維持航天器長期在軌運(yùn)行的資源消耗。

軌道高度的變化，只是這次飛行任務(wù)為空間站建設(shè)所進(jìn)行的驗(yàn)證之一。空間站將來建成后，個(gè)頭大、噸位足，調(diào)整軌道姿態(tài)需要耗費(fèi)大量燃料。這決定了今后的交會(huì)對(duì)接不能再像以往那樣先讓“天宮”主動(dòng)調(diào)整位置，然后發(fā)射飛船，而是先要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)空間站的位置，再讓飛船去追它。

“打個(gè)比方，以前是打固定靶，現(xiàn)在是打運(yùn)動(dòng)靶。這要求能對(duì)空間站運(yùn)行軌道進(jìn)行長時(shí)間的精確預(yù)報(bào)。”孫軍說，受復(fù)雜空間環(huán)境的影響，空間站的軌道每天都在衰減，時(shí)間跨度越長，預(yù)報(bào)難度越大，經(jīng)過科研人員的研究攻關(guān)，現(xiàn)在的預(yù)報(bào)精度已大幅度提高。

交會(huì)對(duì)接方式的變化，使得對(duì)神舟十一號(hào)飛船進(jìn)行軌道控制的間隔較以往大大縮短。孫軍表示，這次任務(wù)中軌道控制參數(shù)的計(jì)算精度、計(jì)算效率比以往更高，能夠把神舟飛船準(zhǔn)確“送到”距離天宮二號(hào)50余千米的地方——此后，它們進(jìn)行自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。

控制軌道實(shí)現(xiàn)精確定軌

在神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接的過程中，地面科技人員是如何判斷變軌效果是否符合預(yù)期，怎樣準(zhǔn)確掌握飛船的軌跡并引導(dǎo)飛船和天宮進(jìn)行交會(huì)對(duì)接的呢？

作為飛控任務(wù)接力的第一棒，北京航天飛行控制中心軌道計(jì)算主任設(shè)計(jì)師張宇的崗位是在“船箭分離”開始，快速準(zhǔn)確計(jì)算出飛船在茫茫太空中的位置，判別其是否成功入軌。

“從飛船升入太空那一刻，我們就要進(jìn)行精確定軌，知道它在哪里。”張宇說，通俗講，精確定軌就是航天器在某一時(shí)刻的飛行軌跡，是橢圓軌道還是其他形狀，什么速度，通過計(jì)算都能知道。

影響參數(shù)的變量很多。張宇介紹，要達(dá)到航天任務(wù)的精度要求，不但要考慮航天器的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)際飛行姿態(tài)，還要綜合考慮空間環(huán)境的影響因素，如高層稀薄大氣阻力、地磁指數(shù)等。

和以往幾次發(fā)射不同，這次張宇還要算出神舟十一號(hào)和天宮二號(hào)的相對(duì)軌道關(guān)系，為之后的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接軌道控制提供決策依據(jù)，“每一次任務(wù)都有新的挑戰(zhàn)，我們也可能會(huì)碰到各種復(fù)雜的情況，針對(duì)各種情況都要做好預(yù)案。”

在確定飛船的精確位置之后，預(yù)報(bào)崗位的科技人員就開始忙碌起來。

“我們要計(jì)算出飛船每一秒鐘所處的位置。”預(yù)報(bào)崗位主崗顏華打了個(gè)比方，譬如風(fēng)箏在天上飛，軌道崗位確定了當(dāng)前風(fēng)箏的位置，我們就能計(jì)算出，接下來的每一秒風(fēng)箏會(huì)往哪里飛。

這次任務(wù)中需要攻破的一個(gè)重要難關(guān)，就是對(duì)天宮二號(hào)運(yùn)行軌道進(jìn)行精確預(yù)報(bào)。對(duì)此，中心提出對(duì)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行改進(jìn)，建立起更為精確的預(yù)報(bào)模型和參數(shù)。張宇說：“這就好像要提前一個(gè)月進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)，還必須報(bào)得準(zhǔn)當(dāng)天是陰、晴、雨、雪哪種氣候。”

同時(shí)，這次交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，還需要重新設(shè)計(jì)遠(yuǎn)導(dǎo)控制策略。中心軌道室主任謝劍鋒告訴記者，這次神舟十一號(hào)任務(wù)中軌控比較多，在前面兩天就要對(duì)飛船進(jìn)行5次遠(yuǎn)距離導(dǎo)引，使它順利飛到預(yù)定位置，這要求軌道控制達(dá)到很高的精度。

“航天器在太空中，它們的每一步動(dòng)作，都是由地面發(fā)出指令，因此地面必須清楚了解航天器當(dāng)前的狀態(tài)，并對(duì)全過程的軌道控制、姿態(tài)調(diào)整等心中有數(shù)，這就要求事先進(jìn)行規(guī)劃和控制。”謝劍鋒介紹。

“航天器在天上的每時(shí)每刻，我們都要有人值守，把它在天上什么時(shí)間干什么算出來，而且要很細(xì)致地做驗(yàn)證。”謝劍鋒說，將數(shù)據(jù)注入給航天器是不能有任何差錯(cuò)的，地面隨時(shí)要準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)的措施。

微波雷達(dá)助力完美對(duì)接

在交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)的精準(zhǔn)導(dǎo)引下，神舟十一號(hào)飛船與天宮二號(hào)在10月19日凌晨實(shí)現(xiàn)完美交會(huì)對(duì)接。這是繼成功助力神舟八號(hào)、九號(hào)、十號(hào)飛船與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接后，交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)的第4次完美表現(xiàn)。

10月18日22時(shí)53分，交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)加電，完成開機(jī)自校準(zhǔn)流程。加電數(shù)分鐘后，微波雷達(dá)首次捕獲目標(biāo)，鎖定后，全程穩(wěn)定跟蹤，直至交會(huì)對(duì)接任務(wù)圓滿完成。

“它是一個(gè)僅有iPad2一半大小的裝置，重量只有幾千克，是袖珍的高科技‘小眼睛’。”交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)總工程師孫武介紹。作為實(shí)施交會(huì)對(duì)接任務(wù)的關(guān)鍵敏感器，微波雷達(dá)為交會(huì)對(duì)接提供了距離、速度、角度、角速度等信息，牽引著它們從“相遇”到“相連”，成為明亮有神的“太空之眼”。

這雙“眼睛”有多厲害？在測量范圍上，它上至北京五環(huán)一整圈，下至一張桌子的長度，在如此之大的跨度中，它的測距精確程度可以達(dá)到20厘米的尺張度，測角精度相當(dāng)于人眼測試視力時(shí)相鄰兩行之間的角度，而速度測量的誤差基本小于一只螞蟻的爬行速度。

據(jù)科研人員介紹，交會(huì)對(duì)接技術(shù)是空間工程應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過精確測量兩個(gè)航天器之間的相對(duì)位置、相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)及它們的變化率，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器在空間的交會(huì)對(duì)接。交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)包括雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)兩個(gè)分系統(tǒng)，在交會(huì)對(duì)接過程中，“雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)像是電話的兩端，一問一答，協(xié)同工作，共同完成航天器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測量過程”。

神舟十一號(hào)發(fā)射成功

在這次任務(wù)中，天宮二號(hào)上的微波應(yīng)答機(jī)為第二代新研產(chǎn)品，結(jié)合后續(xù)任務(wù)需求進(jìn)行了小型化改進(jìn)，比第一代產(chǎn)品更好用、更可靠。神舟十一號(hào)飛船上的微波雷達(dá)依然為第一代功勛產(chǎn)品，一如既往地穩(wěn)定可靠。這次任務(wù)后，微波雷達(dá)也將升級(jí)為第二代產(chǎn)品。

相比于第一代產(chǎn)品，第二代產(chǎn)品做了三大改進(jìn)。首先，第二代產(chǎn)品成功瘦身。第一代交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)產(chǎn)品僅有iPad2大小，而第二代產(chǎn)品在原基礎(chǔ)上，體積和重量又縮小了一半，提前為后續(xù)任務(wù)做出余量，可搭載更多產(chǎn)品，為開展更多空間實(shí)驗(yàn)省了空間、減了重量，同時(shí)功耗減少到原來的2/3。

其次，沉默的眼睛可以說話。第二代產(chǎn)品增加了通信功能，不僅能看見，也能通話，實(shí)現(xiàn)了測量通信一體化功能，這意味著通過第二代產(chǎn)品，飛船和空間實(shí)驗(yàn)室之間的溝通更加及時(shí)、有效。

最后，第二代產(chǎn)品披上了盔甲，迎戰(zhàn)太空中的敵軍。太空中環(huán)境惡劣，充滿了各種高能粒子，它們像一個(gè)個(gè)敵軍士兵一般沖向微波雷達(dá)，造成微波雷達(dá)誤碼甚至失鎖。通過新措施應(yīng)對(duì)高能粒子的沖擊，就好像身穿盔甲的戰(zhàn)士，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的可靠性，不懼來襲。

延伸閱讀：

神舟與天宮的歷次“天空之吻”

神舟八號(hào)與天宮一號(hào)

2011年11月1日，神舟八號(hào)“赴約”天宮一號(hào)，并于2天后與天宮一號(hào)完成自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，成功實(shí)施我國首次空間交會(huì)對(duì)接。組合體運(yùn)行12天后，神舟八號(hào)飛船脫離天宮一號(hào)，并再次與之進(jìn)行交會(huì)對(duì)接實(shí)驗(yàn)，這標(biāo)志著我國已經(jīng)成功突破了空間交會(huì)對(duì)接及組合體運(yùn)行等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

神舟九號(hào)與天宮一號(hào)

2012年6月16日，神舟九號(hào)載人飛船搭載著航天員景海鵬、劉旺和劉洋成功發(fā)射，6月18日轉(zhuǎn)入自主控制飛行，14時(shí)左右與天宮一號(hào)實(shí)施自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，這是中國實(shí)施的首次載人空間交會(huì)對(duì)接。飛船在軌飛行十余天，共安排飛船與天宮一號(hào)進(jìn)行兩次交會(huì)對(duì)接，第一次為自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，第二次由航天員手動(dòng)控制完成。

神舟十號(hào)與天宮一號(hào)

2013年6月，神舟十號(hào)載人飛船搭載著航天員聶海勝、張曉光和王亞平成功發(fā)射。飛船在軌飛行15天，先后與天宮一號(hào)進(jìn)行一次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接和一次航天員手控交會(huì)對(duì)接。

神舟十一號(hào)和天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接