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学习强国

神八天宫今日凌晨1时30分在陕西上空成功对接

时间:2011/11/3 8:19:45   作者:不详   来源:网络   阅读:274   评论:0
内容摘要:中国载人航天工程首次空间交会对接今日凌晨在陕西上空成功进行,这意味着中国已经成为世界上第三个有独立交会对接能力的国家。  用于交会对接的目标飞行器天宫一号,于9月29日在酒泉卫星发射中心发射升空。用于

  中国载人航天工程首次空间交会对接今日凌晨在陕西上空成功进行,这意味着中国已经成为世界上第三个有独立交会对接能力的国家。

  用于交会对接的目标飞行器天宫一号,于9月29日在酒泉卫星发射中心发射升空。用于交会对接的神舟八号飞船,于11月1日在酒泉卫星发射中心发射升空。

  交会对接飞行过程分为远距离导引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段和分离撤离段。

  在自主控制段,飞船分三个阶段进行交会对接:其中从52公里到5公里是寻的段,从5公里到140米是接近段,从140米到对接机构接触是平移靠拢段。整个自主控制段用时两个半小时。

  凌晨1时许,吴邦国、***、李长春、习近平、李克强、贺国强、周永康等领导同志来到北京航天飞行控制中心,听取有关汇报,观看天宫一号和神舟八号交会对接实况。正在法国出席20国集团峰会的中共中央总书记、国家主席、中央军委主席***同志专门发来贺电祝贺首次交会对接圆满成功!

  神舟八号飞船与天宫一号对接成功后,组合体飞行段由天宫一号目标飞行器负责组合体飞行控制,神舟八号飞船处于停靠状态。按计划,组合体飞行第12天,“神八”和天宫一号的对接机构将解锁,飞船撤离至距天宫一号5公里的安全距离以外。此后,将择机进行第二次对接试验。

  3大挑战

  协同难度、精度控制、空天环境

  神舟八号与天宫一号的交会对接任务,在将中国载人航天事业引领上一个新台阶的同时,也对载人航天的轨道控制提出了新要求。北京飞控中心轨道室工程师李勰2日在接受采访时说,与以往的航天发射相比,引导两个目标在太空中交会对接,其轨道计算与控制的难度是空前的。

  挑战一:协同难度增大。李勰说,过去的轨道控制任务相对比较简单,飞船飞行到第5圈时轨道由椭圆形变成圆形,最多只需进行两次轨道维持。而为了完成交会对接任务,天宫一号将进行多次变轨,轨道控制协同难度远超从前。

  这种协同,表面上看是考验神舟八号与天宫一号之间的协同,实际上是对控制室与其他参试单位之间协同配合的考验,“算出的数据要进行反复验证、会签,才能最终执行”。

  应对:为保证两个目标和谐运行,轨道室针对不同的目标任务,不仅做了两套方案,而且轨道室的工作人员在同一大厅内也分坐两旁:神舟八号在左,天宫一号在右,一方面可以避免误操作,另一方面也可及时进行信息通报和汇总。

  挑战二:精度控制。交会对接任务中的远距离导引过程中,需要进行多次控制。相对于从前整圈进行控制的情况而言,此次控制段分割的比较短。这意味着,留给工作人员分析和解决问题的时间很短,一旦发现问题,就必须尽快解决。

  应对:李勰介绍说,此次中继卫星加入测控系统,使测控弧段的覆盖更广,所获数据更多,提高了测控精度和轨道预报能力。

  挑战三:空天环境较复杂。轨道室工作人员比较担心的是空天环境对任务的影响,“今年是太阳活动高峰年,空天环境比较复杂。天宫一号在轨时间较长,轨道预报的误差又是随着时间平方发散的,时间越长,误差就越大。”

  应对:“我们想了一些方法,通过一些数学拟合方式,找到规律,进行一些周期性的补偿。”李勰说,空天监测系统也为轨道控制提供参考,轨道室的工作人员要力求通过“蛛丝马迹”的线索,做好全面及时的应对准备。

  4个停泊点

  5公里、400米、140米、30米

  神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器的首次交会对接进入自主导引段后,从5公里到30米的接近距离之间,前后共设置了4个停泊点,在每一个停泊点都要作短暂的停留。那么,为何要设置这4个停泊点?记者采访了青年航天测控专家王瑞军。

  王瑞军参与完成了这次交会对接任务的测控通信系统总体设计方案。他说:“之所以设置这4个停泊点,其目的就是为了降低风险。每一个停泊点的设置都为判断两个飞行器的运行状况留出了时间,只有一切正常才往下一步走,可以最大限度地降低风险。”

  “因为我们是第一次实施,所以非常谨慎,像俄罗斯现在就没有这样复杂的过程。美国在对接时也有停泊的过程,但不像我们有这样多的环节。我们主要是第一次搞,因此比较谨慎,首先要确保两个飞行器的安全。”王瑞军说。

  “在这4个停泊点中,5公里是最重要的一个,这是一个相对安全的距离。再一个是最后30米的这个停泊点,也很关键,就像踢足球的临门一脚。通过多个发动机同时工作,硬把两个飞行器拉过来,接合到一起,这个点应该说是技术含量最高的。”王瑞军说。

  在经过了4次停泊之后,在东风站的上空,“神八”飞船与天宫一号开始接触,直到锁紧。锁紧时,是在太平洋中部远望三号船的上空。

  王瑞军介绍说,在对接之前的一段时间里,两个飞行器都处于失控状态,锁紧之后,天宫一号要启动控制程序,消除之前运行偏差,保持飞行姿态,同时停止一些设备的运行。12天后,还要进行一次交会对接试验。对接后组合体再飞行两天,然后,再分离,“神八”撤离天宫一号开始启动返回着陆场的程序。天宫一号则作升轨控制,进入自主运行。

  5次变轨

  第5圈、第13圈、第16圈、第19圈、第24圈

  神舟八号飞船发射升空后,在与天宫一号目标飞行器交会对接前,先后经历了5次变轨,调整到处于天宫一号后下方约52公里处。

  这一测控方案究竟是如何设计,又是怎样实施的呢?我国载人航天工程测控通信系统上升段主任设计师卢立常对此给出了具体答案。

  卢立常介绍,神舟八号飞船发射升空后,之所以要实施远距离导引,其目的就是为了以合理的位置和速度来与天宫一号实施交会对接。在这一导引过程中,通过不断调整,让“神八”飞船与天宫一号目标飞行器处于相同的轨道面,达到同心共圆的目的,然后才能使其以相对合理的速度保证交会对接的正常进行。

  “有一点需要指出的是,调整到合理的位置后,在实施交会对接时,一定要保证使其处于一个相对可测控时间较长的弧段来进行。”卢立常说,“正是综合考虑到这些因素和要求,我们设计了对“神八”飞船5次变轨的方案。

  第一次变轨是第5圈的远地点变轨以抬升近地点高度;第二次变轨是第13圈调整轨道倾角;第三次变轨是第16圈近地点变轨抬高远地点;第四次变轨是第19圈变轨是为进一步圆化轨道;第五次变轨是第24圈变轨是将前几次的误差进行一次综合修正。

  通过这5次轨道控制,最终使飞船满足与天宫一号进行对接的各项要求。至此,就完成了地面导引阶段,最后在智利圣地亚哥站上空切换到“神八”的自主导引阶段。”

  西安力量

  姿控发动机:助“神八” 准确一“吻”

  本报讯 (记者 孙佳) 两次发射,茫茫宇宙中深情牵手,中国航天科技集团公司第六研究院研制的发动机发挥了至关重要的作用。

  在“神八”上,共有近10台平移发动机,这是控制“神八”对接速度的动力之源,推送着“神八”一步步贴近“天宫”;还有数台反推发动机,如果“神八”距离“天宫”太近了,就要靠这几台发动机,轻轻地将“神八”往回推一点点,让“神八”不要太急躁;而若干台大型姿控发动机和10多台小型姿控发动机,二者对接时,都需要一个适合的姿态,这20多台发动机便是调整“神八”的姿态,让它以正确的姿势与“天宫”对接。

  据了解,天宫一号的飞行速度为每小时2.7万公里,每秒钟达到了7.5公里,神舟八号要与其实现交会对接,需要完成一系列变轨、制动等高难度动作,对于推进系统的要求之高、新技术之多、难度之大,可谓前所未有。六院人身上压上了沉重的担子。

  为了满足交会对接任务的需要,神舟八号推进舱推进子系统与之前神舟系列飞船的推进舱推进子系统相比,进行了革命性的改进,不仅满足了飞船交会对接段的任务需求,并且还要求在飞船停靠期间,一旦出现危险时,推进子系统还需具有快速启动的能力,为紧急脱离的飞船迅速提供控制动力。

  神舟八号与天宫一号实现完美对接后,意味着我国首个空间实验室诞生,它为我国将来的空间站建设开启了先河。但空间站的长期工作,对动力提出了更高的要求——推进系统要满足空间站推进剂补加的需要,通俗点说,就是要不断给空间站“加油”。

  在极其困难的情况下,六院研制人员立足于自主研发,通过近5年的攻关,终于克服了膜盒组件的设计、工艺、制造、无损检测和使用中的一系列难题,并通过了鉴定试验、推进系统热试车和多次单机及系统级环境试验的考核。而且,由于这个类似手风琴结构的贮箱膜盒采用了新型材料,其性能和重量远优于世界航天大国的同类产品。

  5道难关

  如何交会,如何对接,难在哪里?载人航天工程空间实验室系统和飞船系统两个系统的总设计师张柏楠将实现交会对接的过程总结归纳为“过5关”,并向新华社记者独家披露了如何逾越这5道关。

  第一关瞄准 点火误差不能超过正负1秒

  以往飞船发射,可以在几十分钟甚至更宽的时间范围内择机点火,而神舟八号飞船发射点火的时间被限定在正负1秒的范围内。

  这,就是瞄准的需要。

  要想瞄准天宫一号,就得将交会对接的那一刻倒推回来,推算出“神八”起飞时间。11月1日零时,北京飞控中心和飞船试验队根据天宫一号最新位置数据,计算出神舟八号发射窗口和发射诸元。

  点火瞄准时多差1秒,飞船到了太空和“天宫”的轨道面都会产生极大的偏差,轻则消耗大量燃料降低航天器寿命,重则会因燃料不足而无法交会。前苏联1968年的一次交会对接,两飞行器相距仅30厘米时却因燃料耗尽而失败。

  除了点火时间的精确,火箭飞行精度也要提高。这次使用的长征二号F遥八火箭,飞行时通过实时迭代计算不断修正轨道,创造了我国火箭入轨精度的最新纪录。

  第二关追赶 两天内追上10000公里

  按生活常识去思考,无论距离多远,加大速度去追就是,又有何难?

  然而,在太空中,飞船追赶“天宫”的最优方案不是加速,却是不断减速。

  在轨道周期不变的情况下,轨道越低的飞行器飞得越快。正是基于这样的物理原理,飞船追赶“天宫”的过程,是一个边抬高轨道边降速的过程。

  飞船入轨时,与天宫一号还有约10000公里的距离,而且两者轨道不在同一平面。没有严密的计算和超一流的飞控能力,想在短短不到两天的时间内追上,实非易事。

  通过高水平的轨道设计和严密计算,5次轨道控制后,飞船速度降至与“天宫”一致时,飞船也恰好到达天宫一号的同一高度和同一位置:10000公里的距离只剩咫尺。

  第三关防撞 历史上这个过程出事最多

  美俄两国早期的交会对接试验,碰撞事不断。就在1997年,俄罗斯的进步飞船与和平号空间站还发生相撞,使空间站上的光谱号舱被迫关闭。这次碰撞也加速了和平号空间站失效坠毁的进程。

  神舟八号飞船在地面引导控制下到达天宫一号后下方52公里处时,二者建立直接通信联系,飞船通过自身的计算机自主控制继续接近天宫一号,并在5公里、400米、140米、30米设立4个停泊点。

  当飞船历尽艰难来到天宫一号身边,相撞成了最危险的事。飞船专门加装了4台反推发动机,提供紧急避让的动力。

  二者相距5公里以外时,如果关掉发动机,则会在各自的轨道上越离越远,不会相撞。一旦进入5公里之内,即使没有任何动力,也可能越飞越近导致相撞。

  因此,4个停泊点就像是轮船入港前的锚地,是重要的可靠性备份措施。走一段停一停,一方面可以避免走得太快发生碰撞,另一方面也提供了处置突发故障的时间。如果在某一阶段出了问题,可以退回上一停泊点,解决后继续按原计划前进。

  第四关精控 好比在浩瀚太空穿针眼

  在343公里高的轨道上高速飞行的航天器,即使用航天测控站的光学望远镜,也难以清晰观测到。

  要想在这样的条件下,让两个8吨多的庞然大物对接机构挨近时误差在18厘米之内,姿态小于5度,这就好比是让飞船拿着一根线,穿到天宫一号拿的那根绣花针的针眼里去。

  这,需要神舟八号飞船上诸多新增设备的紧密配合。

  飞船新增的8台平移发动机遍布周身,提供了各个角度和方向的推力。而最关键的,首先是航天器相对位置测量数据的精确,发动机提供的推力才能精确。

  从相距52公里到实现交会对接,作用距离较远的微波雷达率先工作,进入20公里后精度较高的激光雷达开始工作,进入100米时更加精确的CCD光学敏感器开始介入。这3台技术方案和性能指标均达国际领先水平的交会对接测量设备,完全由我国自主研制,如果对接成功,将验证我国同时掌握3种世界领先的太空测量技术。

  第五关分离 关系未来航天员生命安全

  两个航天器的速度、位置、姿态、偏差等11个参数满足对接条件后,神舟八号在惯性作用下继续前进,与天宫一号轻轻相触。当感应装置感受到接触,飞船尾部4台发动机随即点火,“捕获”后旋即关机,紧接着,缓冲、校正、拉近、拉紧、锁死等一系列动作就会相继展开,上千个齿轮和轴承同步动作,飞船和“天宫”用大约15分钟的时间组成了刚性连接的组合体。

  两个航天器形成组合体运行结束飞船准备返回时,分离,也是一个重要关口。如果分不开,航天员就无法返回地球,后果是灾难性的。

  对接时锁得太紧,分离时就必然更加困难。对接机构上的12把结构锁,每个锁的拉力都是数吨级。为保分离采取了4重备份。飞船锁钩自动解锁失效,则由“天宫”锁钩解锁,如果仍然不行,则先用火工品炸断飞船锁钩,仍然无效,最后的选择就是把“天宫”的锁钩炸毁,万一发展到这一步,“天宫”的对接机构永远失效,将无法迎接下一艘飞船。

  本版文/图除署名外据新华社


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