空間站艙段轉位，內行看門道

文/常飛

9月30日，經過約1個小時的天地協同，問天實驗艙完成轉位，中國空間站組合體暫時由“一”字構型變成“L”構型。11月3日，夢天實驗艙通過相似的轉位程序，使空間站形成了“T”字構型。那么空間站艙段轉位需克服哪些技術難關？兩次艙段轉位又有何亮點呢？就讓我們一探究竟吧。

▲ 夢天艙轉位成功

“L”和“T”是怎樣形成的

問天實驗艙發射之初，對接在天和核心艙節點艙正前方接口，形成了“一”字構型。10月31日，夢天實驗艙發射，次日成功對接于天和核心艙前向端口。

有人不禁好奇：為什么兩個實驗艙不直接對接到節點艙側面接口，“一步到位”達成最終狀態呢？

這主要是因為空間站組合體遵循第一宇宙速度飛行，經計算顯示，如果實驗艙直接從側面接近天和核心艙，即使兩者的軌道之間只有很小的夾角，雙方的相對速度也會相當可觀，不能排除因控制誤差導致撞擊的風險。

這樣的撞擊顯然是科研人員無法接受的。雖然空間站各艙段在設計和制造的過程中都充分考慮到強度問題，但航天器受到運載火箭發射能力的限制，不可能刻意無限加固，自然不能承受住高速撞擊。更何況，即便艙段安全，造成姿態劇烈變化也會隱患重重。

所以兩個實驗艙最初都被發射到天和核心艙的前方，處在同一個平面和軌道上，以很小的相對速度值逐漸接近，實施對接。

按照軌道動力學的基本原則，在這個對接過程中，兩者的軌道高度仍會發生相對變化，但只要速度差控制得好，軌道高度變化就會很微弱，不會超出對接機構的補償能力范圍。

▲ 問天艙轉位過程效果圖

初步對接完成后，經過一段時間測試，天地團隊確認實驗艙的狀態正常，就會動用機械臂輔助，把實驗艙轉移到天和核心艙的側面對接口上。

可能有人覺得：太空處于失重狀態，機械臂處置20多噸的東西應該困難不大。

事實上，大型艙段移動所產生的慣性不容忽視。如果在轉位過程中沒控制好速度，就會超出機械臂的扭矩范圍，發生險情。所以實驗艙的轉位過程相當謹慎，還需要得到力矩陀螺協助。

力矩陀螺的“貢獻”在哪里呢？由角動量守恒原理決定，只要機械臂把實驗艙向側面移動一點，那么天和核心艙就會發生相應的角度變化，朝著反方向轉動一點。在這個過程中，空間站的軌道方向其實沒變，但偏航角會發生很大的變化，這對于太陽翼帆板、散熱板、數傳天線等設備的工作是不利的，所以就需要靠力矩陀螺“消化”這部分角動量，使空間站組合體保持天和核心艙與軌道切線平行的狀態。

太空中的阻力別忽視

▲ 問天艙轉位后，空間站形成“L”字構型

從理論上說，在真空環境里，任何形狀的物體都可以保持原本的運動狀態，不會發生姿態和方向的改變。然而，現實不會這么理想化。空間站運行軌道高度達到數百千米，大氣已經非常稀薄，但仍然會不斷積累微弱的大氣阻力，逐漸對航天器的姿態和軌道形成顯著影響，所以近地軌道航天器對于姿態控制仍然需要謹慎小心。

舉例來說，當問天實驗艙對接到節點艙側面對接口之后，大氣阻力問題就不容忽視了。問天號實驗艙長17.9米，大柱段直徑達4.2米，加上太陽翼帆板，相當于在空間站正前方形成了巨大的迎風面。

▲ 夢天艙對接于天和核心艙前向端口

對比國外同類，國際空間站因為大氣阻力等問題，每月軌道高度都會下降2千米左右，必須由飛船升軌補償。那么中國空間站實驗艙遭遇的阻力問題也會引發各種后果，比如使整個空間站組合體產生一定的扭矩。有關扭矩如果不進行糾正的話，空間站組合體就會被推動著旋轉起來，向一側過度轉動。

同樣以問天艙的轉位過程為例，假如“L”的直角頂點最終穩定地指向軌道飛行方向，而問天艙、天和核心艙各自在軌道方向兩側呈45度角，那么對于太陽能發電、散熱和無線電通信都不是好位置。另外，當時空間站組合體必須為迎接夢天實驗艙做好準備，空間站組合體也必須回到正常位置，準備好天和核心艙的正前方對接口。

要做到這一點，必須靠力矩陀螺和推力器聯合作用，把不平衡空氣阻力造成的扭矩重新平衡。一般來說，這種計劃內的工作更傾向于使用力矩陀螺，因為空間站上攜帶的燃料是寶貴且有限的，必須節約使用。雖然貨運飛船會定期為空間站送去補給，但太空環境復雜兇險，空間站必須隨時準備應對意外情況。假如出現太空垃圾、微小天體、航天器等異常接近的情況，空間站就需要耗費寶貴的燃料，改變軌道，保障航天員和設備安全。

11月初，夢天實驗艙初步和空間站組合體對接后，又完成了轉位工作，最終對接到另一個方向的天和核心艙側向接口上，而這同樣是力矩陀螺、機械臂緊密配合的結果。

隨著11月3日夢天實驗艙轉位完成，中國空間站組合體形成了較平衡的狀態：天和核心艙對接口的徑向是神舟載人飛船，兩側分別是問天艙和夢天艙，后方對接口上是天舟貨運飛船。

在航天員“太空交班”的時候，節點艙對接口還要迎來神舟載人飛船，同樣需要面對阻力不平衡的問題。不過神舟飛船的“迎風面積”比較小，造成的不平衡扭矩也會相對輕微很多，用力矩陀螺簡單糾正就有望解決。

國際創舉攻克難關

國外的空間站此前經歷過艙段轉位，采用的是垂直轉位方案，轉位后組合體姿態會發生大幅變化。事實上，中國空間站是國際上第一個采用平面轉位方案的，效果更優。不過，相比20多噸重的大型艙段，只有100多千克的機械臂連接兩艙，風險不小，所以實驗艙轉位過程被形容為“一根扁擔挑起兩頭大象”。

▲ 夢天艙轉位組裝效果圖

▲ 大艙段轉位細節

整個轉位過程中最大的限制因素應該是慣性。由于物體的動能與速度的平方成正比，如果轉位速度太快，造成的沖擊力就非常顯著，會給轉位機構和機械臂帶來巨大的扭矩，易造成設備損壞。特別是在艙段需要停下的時候，如果出現剎車式情況，慣性可能使機械臂有報廢的危險。因此，平面轉位要求天地團隊對艙段、機械臂運行速度進行精確計算和嚴格控制。據公開報道稱，科研單位在地面設施上大量進行了計算機仿真和氣浮臺模擬工作，解決了姿態控制、中繼測控鏈路遮擋和能量平衡等多方面的問題。此外，今年初天和核心艙對天舟貨運飛船進行了轉位操作，考慮到天舟貨運飛船的體積和重量都比問天實驗艙小得多，非常適合天地團隊和機械臂“練手”。

總之，經過相當復雜的操作，兩次實驗艙轉位成功，如果要做簡單描述，要領就是“慢”和“準”：“慢”就是盡量降低加速度，不能超過機械臂和轉位機構的承受能力；“準”就是確保實驗艙轉位“一次到位”。

▲ 中國空間站“T”字構型示意圖

如今，中國空間站已經形成了水平對稱的“T”字構型，航天專業人士認為，這樣有三大好處。首先是能夠保證整體質心居中，節省姿態控制所需的能量。其次是兩個實驗艙的氣閘艙分別位于“T”字一橫的端頭，因此在正常泄壓或異常隔離時，均不會影響其他密封艙段構成連貫空間，從而能夠保證安全性。最后是確保兩個實驗艙末端的大型太陽能電池翼不管空間站以何種姿態飛行，都能夠照上太陽，讓空間站日發電量可達近千度，相當于一個普通家庭近半年的用電量，為中國空間站三艙組合體提供80%的能量，在滿足空間站上的各類科學儀器正常運轉的同時，也能保航天員在軌日常生活。

形象地比喻，空間站看似在太空中四平八穩地飛行，其實無時無刻不在“耍雜技”——伴隨著飛船、艙段等對接、離去，空間站的構型、重心、受力情況、軌道等不斷發生著變化，要求天地團隊遵從規律，精密細致地調整完善。這應該就是航天控制科學極具挑戰性卻又充滿了樂趣的原因所在。