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神舟十一号与天宫二号实现自动交会对接

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在太空飞行了30多天的天宫二号,终于在10月19日凌晨迎来“赴约”的神舟十一号载人飞船。3时31分,“神十一”与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接。随后,航天员景海鹏、陈冬先后进入天宫二号空间实验室,开启30天的太空生活,将在舱内按计划开展相关空间科学实验和技术试验。

综合京华时报记者潘珊菊新华社

动态

1:11 飞船转入自主控制状态

神舟十一号载人飞船经过多次变轨,19日1时11分转入自主控制状态,以自主导引控制方式向天宫二号逐步靠近。

3000米、2000米、1000米……神舟十一号飞行40多个小时,历经5次轨道控制,与天宫二号的距离近了,又近了。

这是中国实施的第五次载人交会对接,承担着为未来空间站建设验证一系列技术的重要任务。

“神舟十一号报告,仪表显示,进入400米停泊。”飞控大厅里,航天员景海鹏的声音清晰传来。

“飞船转120米接近”“飞船转30米保持”……飞控大厅里每一条洪亮的调度口令,大屏幕上神舟十一号每一次向天宫二号靠近,都牵动着北京航天飞行控制中心总体室副主任邹雪梅的心。

为确保自主导引段的顺利执行,邹雪梅带领中心总体岗位科技人员制定了近百个应急预案,充分考虑了可能发生的各种风险及应对措施。每次任务,随着时间的推进,他们会把一条条已经走过的应急预案划掉。

“应急预案划掉的越多,代表着我们离最后的胜利就越近。”邹雪梅说。

近了,又近了……神舟十一号传回画面中,天宫二号上的十字靶标牢牢锁定在瞄准器中心。随着画面轻轻晃动,它们相拥到了一起。

对接接触,进入捕获锁紧程序,对接环锁紧。原本同时显示在飞行轨迹上两个名字,被“组合体”取代。

3时31分,对接成功,飞控大厅里响起一阵热烈掌声。

3:31 成功实现自动交会对接

19日3时31分,神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接。这是天宫二号自9月15日发射入轨以来,与神舟飞船开展的首次交会对接。

经北京航天飞行控制中心就对接准备状态进行最终确认,神舟十一号开始向天宫二号缓缓靠拢。3时24分,神舟十一号与天宫二号对接环接触,在按程序顺利完成一系列技术动作后,对接机构锁紧,两个飞行器建立刚性连接,形成组合体。

自动交会对接实施期间,航天员景海鹏、陈冬在神舟十一号飞船返回舱值守,密切监视着飞船仪表盘上的各类数据和对接过程,认真执行各种指令发送操作,并通过天地通信系统,迅速准确地向地面报告交会对接实施情况。

按照任务实施计划,两名航天员随后从神舟十一号飞船进入天宫二号。

6:32 航天员飘进空间实验室

在神舟十一号与天宫二号成功实现自动交会对接后,19日6时32分,航天员景海鹏、陈冬先后进入天宫二号空间实验室。

在向地面报告对接完成后,根据地面口令,两名航天员解开束缚带,从座椅上缓缓起身,依次打开返回舱舱门平衡阀和返回舱舱门,进入轨道舱。他们在轨道舱脱下舱内压力服,换上蓝色工作服。

完成各项准备后,景海鹏成功开启天宫二号空间实验室实验舱舱门。随后,他们以飘浮姿态依次进入天宫二号实验舱。景海鹏和陈冬在天宫二号实验舱向全国人民问好并敬礼。

据了解,他们将在舱内按计划开展相关空间科学实验和技术试验。

解读

这次交会对接与以往有何不同

在太空飞行了30多天的天宫二号,终于在10月19日凌晨迎来“赴约”的神舟十一号载人飞船。这是中国实施的第五次载人交会对接。这次交会对接与以往有何不同?存在哪些风险挑战?神舟十一号与天宫二号做了哪些改进?北京航天飞行控制中心副总工程师孙军进行了权威解答。

“天宫二号和神舟十一号交会对接的轨道高度为393公里,比前几次高了50公里。”孙军说,这个高度与未来空间站的轨道高度基本相同,大气阻力更小,对航天器的衰减作用更小,能够降低维持航天器长期在轨运行的资源消耗。

轨道高度的变化,只是这次飞行任务为空间站建设所进行的验证之一。

空间站将来建成后,个头大、吨位大,调整轨道姿态需要耗费大量燃料。这决定了今后的交会对接,不能再像以往那样先让“天宫”主动调整位置,然后发射飞船,而是先要准确预报空间站的位置,再让飞船去追它。

“打个比方,以前是打固定靶,现在是打运动靶。这要求能对空间站运行轨道进行长时间的精确预报。”孙军说,受复杂空间环境的影响,空间站的轨道每天都在衰减,时间跨度越长预报难度越大,经过科研人员研究攻关,现在的预报精度大幅提高。

交会对接方式的变化,使得对神舟十一号飞船进行轨道控制的间隔较以往大大缩短。孙军表示,这次任务中轨道控制参数的计算精度、计算效率比以往更高,能够把飞船准确“送到”距离天宫二号50余公里的地方——此后,它们进行自动交会对接。

空间飞行器交会对接是航天领域公认的技术难关,难度大、风险高。这次飞行任务中,工程技术人员总结前几次交会对接的经验,对神舟十一号用于导航的敏感器进行了升级换代。

孙军说,与天宫一号运用的一代产品相比,升级后的敏感器太阳杂光抑制能力、识别目标敏感度均大幅提升,即便是在光照强烈、光线条件复杂的阳照区也能快速准确地捕获目标,使神舟十一号飞船与天宫二号具备了全天候交会对接能力。

尽管已经多次取得成功,这次交会对接仍然在风险控制方面做了充分准备。孙军表示,他们对交会对接方案进行了充分的地面仿真与试验验证,并设置了各种意外情况下的预案,确保飞行过程中能够有效应对风险、化解风险。

“比如,自动交会对接过程中,手动交会对接控制系统会同步打开,以便及时应对突发情况。”孙军说。

揭秘

轨道精算指引穿针引线

神舟十一号与天宫二号自动交会对接的过程中,地面科技人员是如何判断变轨效果是否符合预期,怎样准确掌握飞船的轨迹并引导飞船和天宫进行交会对接的呢?

作为飞控任务接力的第一棒,北京航天飞行控制中心轨道计算主任设计师张宇的岗位是在“船箭分离”开始,快速准确计算出飞船在茫茫太空中的位置,判别其是否成功入轨。

“飞船踏入太空那一刻,我们就要进行精确定轨,知道它在哪里。”张宇说,通俗讲,精确定轨就是航天器在某一时刻的飞行轨迹,是椭圆轨道还是其他形状,什么速度,通过计算都能知道。

影响参数的变量很多。张宇介绍,要达到航天任务的精度要求,不但要考虑航天器的几何结构和实际飞行姿态,还要综合考虑空间环境的影响因素如高层稀薄大气阻力、地磁指数等。

和以往几次发射不同,这次张宇还要算出神舟十一号和天宫二号的相对轨道关系,为之后的自动交会对接轨道控制提供决策依据,“每一次任务都有新的挑战,我们也可能会碰到各种复杂的情况,针对各种情况都要做好预案”。

在确定飞船精确位置之后,预报岗位的科技人员开始紧张忙碌起来。

“我们要计算出飞船每一秒钟所处位置。”预报岗位主岗颜华打了个比方,譬如风筝在天上飞,轨道岗位确定了当前风筝的位置,我们就能计算出,接下来的每一秒风筝会往哪里飞。

这次任务中需要攻破的一个重要“难关”,就是对天宫二号运行轨道进行精确预报。

对此,中心提出对预报方法进行改进,建立起更为精确的预报模型和参数。张宇说:“这就好像要提前一个月进行天气预报,还报得准当天是阴晴雨雪。”

同时,这次交会对接任务中,还需要重新设计远导控制策略。中心轨道室主任谢剑锋告诉记者,这次神舟十一号任务中轨控比较多,在前面两天就要对飞船进行5次远距离导引使它顺利飞到预定位置,这要求轨道控制达到很高的精度。

“航天器在太空中,它们的每一步动作,都是由地面发出指令,因此地面必须清楚了解航天器当前的状态,并对全过程的轨道控制、姿态调整等心中有数,这就要求事先进行规划和控制。”谢剑锋介绍。

“航天器在天上的每时每刻,我们都要有人值守,把它在天上什么时间干什么算出来,而且要很细致地做验证。”谢剑锋说,数据注入给航天器是不能有任何差错的,地面随时要做好应对的措施。

微波雷达助力完美对接

在交会对接微波雷达的精准导引下,神舟十一号飞船与天宫二号19日凌晨实现完美交会对接。这是继成功助力神舟八号、九号、十号飞船与天宫一号交会对接后,交会对接微波雷达的第四次完美表现。

18日22时53分,由中国航天科工二院25所研制的交会对接微波雷达加电,完成开机自校准流程。加电数分钟后,微波雷达首次捕获目标,锁定后全程稳定跟踪,直至交会对接任务圆满完成。

“它是一个仅有iPad2一半大小的装置,重量只有几公斤,是袖珍的高科技 小眼睛 。”交会对接微波雷达总工程师孙武介绍。作为实施交会对接任务的关键敏感器,微波雷达为交会对接提供距离、速度、角度、角速度等信息,牵引着它们从“相遇”到“相连”,成为明亮有神的“太空之眼”。

这双“眼睛”有多厉害?在测量范围上,它上至北京五环一整圈,下至一张桌子的长度,在如此之大的跨度中,它的测距精确程度可以达到一把20厘米的尺长,测角精度相当于人眼测试视力时相邻两行之间的角度,而速度测量的误差基本小于一只蚂蚁的爬行速度。

据中国航天科工二院科研人员介绍,交会对接技术是空间工程应用的一项重要关键技术,通过精确测量两个航天器之间的相对位置、相对速度、相对姿态及它们的变化率,实现两个航天器在空间的交会对接。交会对接微波雷达包括雷达和应答机两个分系统,在交会对接过程中,“雷达和应答机像是电话的两端,一问一答,协同工作,共同完成航天器运动参数的测量过程”。

在这次任务中,天宫二号上的微波应答机为第二代新研产品,结合后续任务需求进行了小型化改进,比第一代产品更好用、更可靠。神舟十一号飞船上的微波雷达依然为第一代功勋产品,一如既往稳定可靠。这次任务后,微波雷达也将升级为第二代产品。

相比于第一代产品,第二代产品做了三大改进。首先,第二代产品成功瘦身。第一代交会对接微波雷达产品仅有iPad2大小,而第二代产品在原基础上,体积和重量再缩小了一半,提前为后续任务做出余量,可搭载更多产品,为开展更多空间实验省了空间、减了重量,同时功耗减少到原来的三分之二。

其次,沉默的眼睛可以说话。第二代产品增加了通信功能,不仅能看见也可以说话了,实现了测量通信一体化功能,这意味着通过第二代产品,飞船和空间实验室之间的沟通更加及时、有效。

最后,第二代产品披上了盔甲,迎战太空中的敌军。太空中环境恶劣,充满了各种高能粒子,它们像一个个敌军士兵一般冲向微波雷达,造成微波雷达误码甚至失锁。通过新措施应对高能粒子的冲击,就好像身穿盔甲的战士,进一步提高了产品的可靠性,不惧来袭。

盘点

历次神舟天宫“天空之吻”

神舟八号与天宫一号

2011年11月1日,神舟八号“赴约”天宫一号,并于两天后与天宫一号完成自动交会对接,成功实施我国首次空间交会对接。组合体运行12天后,神舟八号飞船脱离天宫一号,并再次与之进行交会对接实验,这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。

神舟九号与天宫一号

2012年6月16日,神舟九号载人飞船搭载着航天员景海鹏、刘旺和刘洋成功发射,6月18日转入自主控制飞行,14时左右与天宫一号实施自动交会对接,这是中国实施的首次载人空间交会对接。飞船在轨飞行十余天,共安排飞船与天宫一号进行两次交会对接,第一次为自动交会对接,第二次由航天员手动控制完成。

神舟十号与天宫一号

2013年6月,神舟十号载人飞船搭载着航天员聂海胜、张晓光和王亚平成功发射。飞船在轨飞行15天,先后与天宫一号进行一次自动交会对接和一次航天员手控交会对接。

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