精確 再精確——航天專家解碼首次載人交會對接
2012-06-20
新華網北京６月１８日電 題：精確，精確，再精確——航天專家解碼神舟九號與天宮一號首次載人交會對接
新華社記者李宣良 白瑞雪 王玉山
航天器空間交會對接，被形象地比喻為“百米穿針”。對于搭載著景海鵬、劉旺、劉洋３位航天員的神舟九號飛船來說，在與天宮一號的交會對接過程中，精確顯得尤為重要。
“只有精確，才能避免風險；只有精確，才能確保安全；只有精確，才能取得成功。”載人航天工程測控通信系統總設計師錢衛平說，“我們的任務就是，精確、精確，再精確。”
精確——遠距離導引的基礎
遠距離導引到交會對接的第一步，神舟九號需要從數千公里外的地方被導引至距天宮一號后下方５２公里處的交會對接入口。
“遠距離導引控制帶來的控制頻度之密，控制精度要求之高，前所未有。”北京航天飛行控制中心副主任麻永平說，兩個航天器均以每秒７．８公里的速度高速飛行，要準確控制這兩個高速動態飛行器的相對位置和相對高度，就好比在太空中打兩個“移動靶”。
這個艱巨任務由地面測控系統來完成。“神舟九號發射升空以后，我們要進行５次遠距離導引控制，實際上只實施了４次就實現了目標。”北京飛控中心研究員唐歌實介紹，中心通過精密定軌和精確的軌控效果標定，研究分析認為第５圈和第１９圈軌道控制將對軌道面產生一個固定偏差，因此可以利用這個偏差，來替代第１３圈的軌道面修正，從而取消原來設計的軌道面修正控制，將原來設計的５次變軌減為４次。
“飛行控制操作的簡化，不僅沒有影響到控制精度，反而提高了航天員和飛行控制的安全性和可靠性。”唐歌實說。
精確——近距離自主交會的前提
從相距５２公里處，神舟九號開始利用飛行器上微波雷達、激光雷達等測量設備，獲得和天宮一號的相對距離和相對姿態等信息，根據預先設計好的程序計算出飛船繼續前進的軌跡和速度，逐漸逼近天宮一號。
這個過程就是航天器的自主交會。為什么要用自主交會取消測控系統的導引控制？
錢衛平說，由于地面航天測控網受到距離、分布等因素的制約，在近距離時難以滿足飛行器交會的要求，只能依靠航天器自主導引。
要使神舟九號和天宮一號對接機構能夠順利捕獲，誤差必須保持在十幾厘米范圍內，這種導航精度，對飛行的安全性、天地協同的時效性，都提出了極其苛刻的要求。
“為了解決難題，飛船上裝備了現代化的測量手段，距離的測量精度能達到厘米級。”錢衛平說。
從神舟九號接近天宮一號起，共設置了５公里、４００米、１４０米和３０米四個停泊點。神舟九號在這幾個點都要相對于天宮一號“停泊”數分鐘，給地面測控系統提供分析判斷兩個航天器狀態的時間。如果一切正常，則繼續進行交會對接；如果出現意外情況，則可能隨時進行人工干預。
精確——實現“１＋１＝１”的關鍵
當神舟九號和天宮一號的對接機構剛一接觸上，飛船上的發動機開機，對飛船進行加速。對接機構按照捕獲、緩沖、拉近、鎖緊四個階段，完成對接，并保證密封。
對接后，天宮一號和神舟九號成為一個組合體在軌道上運行，此時由天宮一號控制組合體飛行，神九飛船處于“停靠”狀態，實現“１＋１＝１”。
如何使對接時不發生碰撞，對接后能夠保持完全密封，以及使天宮一號和神舟九號真正合二為一，都要依賴對接機構的精確動作。神舟九號和天宮一號的對接機構是這次任務最復雜和精密的空間機構，有數百個軸承齒輪和上萬個零部件。
對接形成密封通道后，將進行通道密封性能檢查，確保艙體的氣密性，保證艙內航天員的安全。
精確——讓“１－１＝２”的奧秘
在神九天宮載人交會對接任務過程中，組合體將至少進行兩次分離，一次是手控交會對接之前，神九將與天宮短暫作別；一次是航天員返回前，神九將與天宮永久作別。
“相見時難別亦難”，兩個航天器能否分離成功，是交會對接任務完整過程的最后一步，也意味著未來航天員能否順利從空間實驗室或者空間站撤離。
分離過程是“１－１＝２”的過程，要實現兩個組合在一起的飛行器順利分開，又保證兩個飛行器一切正常，神舟九號恢復自主飛行功能。
分離是對接的反過程，對接時鎖得緊，分離時必然就困難。對接機構上的１２把結構鎖，每個鎖的拉力都是數噸級。為保分離采取了４重備份。
作別神九之后，天宮一號是否會迎來神十？全世界都在拭目以待。
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