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神八天宫12天后再次交会对接 将在阳光下进行

2011年11月03日08:00京华时报商西我要评论(0)
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“交会对接过程就像一对情侣在谈恋爱,神八是主动追求的一方,在后面穷追不舍;天宫一号也很想与神八接近,于是就早早转身等待,却又故作矜持地慢慢向后退,最终他俩将零距离地相拥到一起”,“天宫一号”副总设计师白明生说,从神八自主控制,到与天宫的对接机构接触,再到两者连为一体,严丝合缝,全程约160分钟,每分每秒,都惊心动魄。

那么如何交会,如何对接,难在哪里?“天宫一号”和“神舟八号”总设计师张柏楠,解读了整个过程的“五道关卡”。

正负误差不超1秒

神八与天宫交会对接从神八发射起就必须精打细算。神八发射时间正负误差不超1秒,一旦超过1秒误差,就将导致神八与天宫的轨道面极大偏差。

轻则将消耗大量燃料,降低航天器寿命,重则因燃料不足而无法交会。1968年前苏联的一次交会对接,燃料就在两个飞行器相距仅30厘米时耗尽,以失败告终。因此,神八发射前4小时,综合考量发射场风速、火箭起飞重量等数据,最终点火时刻锁定11月1日5时58分07秒。

前15分钟,根据天文台授时的自动点火系统,神八准时点火,分秒不差起飞。同时,托举它的长征二号F遥八火箭,在飞行时不断修正轨道,创下入轨精度的最新纪录。

两天追上1万公里

如果相距遥远,需加大速度追赶,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。

这是因为,在轨道周期不变的情况下,轨道越低,飞行器飞得越快。正是基于这样的物理原理,神八入轨时位于天宫下方,距地面330公里的椭圆轨道,然后一边抬升,一边降速。

在进入轨道那一刻,神八与天宫相距约1万公里,且不在同一轨道平面。怎么才能在短短两天内追上天宫?这就需要严密的计算和超一流的飞控能力。为此,作为“指挥中枢”的北京飞控中心,早在07年7月就开始研发新一代飞控软件,经数年攻关,两年前初启用。这套拥有1100多万行代码的庞大软件系统,能够多目标同时测控,确保飞船和天宫协调每个动作。

同时,原本覆盖率仅17%的航天测控网,也因中继卫星和测控站点的增加,提升到70%。

连续连天5次变轨,神八与天宫恰好达到同一高度、同一位置。

反推发动机防撞

美俄两国早期的交会对接试验中,碰撞事故层出不穷。1997年,俄罗斯进步飞船与和平号空间站还曾相撞,使空间站上的光谱号舱被迫关闭,加速空间站失效坠毁的进程。

当神八在地面引导控制下,抵达天宫一号后下方52公里处时,二者打通通信联系,直接“对话”。此时,飞船通过自身的计算机自主控制,继续接近天宫,途中4次“刹车”。为此,神八专门加装4台反推发动机,紧急时刻能启动避让。

当二者相距5公里以外时,如果关掉发动机,会在各自的轨道上越离越远,不会相撞,但也将无法交会对接。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。

测量设备棒棒接力

4个停泊点就像轮船入港前的锚地,是重要的可靠性备份措施。走走停停,可避免走得太快发生碰撞,也提供处置突发故障的时间。

在3公里的高空高速飞行的航天器,即使用航天测控站的光学望远镜,也难以清晰观测到。在这样的条件下,想让两个8吨多的庞然大物,对接机构挨近时误差仅在18厘米内,姿态小于5度,就好比神八拿着一根线,要穿进天宫一号那根绣花针的针眼里。

所以神八新增8台平移发动机,遍布周身,可从各个角度和方向提供推力。而航天器相对位置的精确测量,是发动机提供精确推力的前提,敏感器们将一棒接一棒。

从相距52公里直至交会对接,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台交会对接测量设备,完全由我国自主研制。

由于在地面无法完全模拟太空中的阳光强度,为避免强光对测量设备的干扰,首次交会对接计划在地球阴影区进行。组合体飞行12天后,第二次试验则将选择阳光照耀的地方,充分验证测量设备的抗干扰能力。

4重备份确保能返回

当神八准备返回时,这也是一个重要关口。特别是在载人情况下,一旦分离不成功,就意味着航天员不能返回。

因此对接完成后,捕获锁要退到初始位置,只保留结构锁,才可保证随时分离。

分离的最初动力来自于对接机构上对称的两对分离弹簧。同时飞船提供4重备份。若飞船锁钩自动解锁失效,则由天宫锁钩解锁,如仍不行,则用火工品炸断飞船锁钩,仍无效,最后的选择就是把天宫的锁钩炸毁。不过天宫的对接机构将永远失效,无法迎接下一艘飞船。

只图分得开也不成,同时还要分得好,保证分离带来的误差,不致导致航天器翻滚,这就需控制姿态相对稳定,锁紧机构依次解开。首次倾情相会,由此暂告一段落。

必经环节

天宫和神八在太空中,各进行两次180度的华丽转身。

神八发射升空后,一直跟随天宫之后,做追赶动作。因此要实现交会对接,天宫必须首先180度转向,让两者的对接机构“面对面”。

科研人员在地面启动组合体控制模式,由天宫“掌舵”控制组合体飞行,并在几个小时后,再度进行组合体的180度转身。

转身完成后,神八跑到了前面,因为处于停靠状态,发动机不再工作,以节省能源,完全靠天宫在身后“发号施令”。

组合体飞行任务完成后,地面人员向神八下达分离指令,它犹如告别热恋多日的情人,将启程返回地球。

与天宫分离后,神八将缓缓调转身姿,转过180度,从而与天宫行驶方向一致,同时加速飞行,进入返回地面程序。

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