解密“天宮一號”科技

“天宮一號”將對地球光譜探測，可測渤海漏油面積

載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師張善從表示，“天宮一號”將安排開展空間材料科學(xué)、空間環(huán)境探測和對地觀測三個方面的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在對地觀測方面，“天宮一號”將實(shí)驗(yàn)一種高分辨率光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對地球進(jìn)行光譜探測。

據(jù)介紹，這次“天宮一號”對地觀測將首次實(shí)驗(yàn)短波紅外光譜儀探測，“天宮一號”上使用的對地觀測設(shè)備與遙感系列衛(wèi)星星載對地觀測設(shè)備不同，后者使用的技術(shù)與設(shè)備都具有較高的成熟度，可直接應(yīng)用；前者則注重實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)成功后觀測設(shè)備才會用于衛(wèi)星使用。

張善從介紹，比如最近渤海漏油事件，普通的相機(jī)看不出來海面的變化情況，通過光譜儀可探測石油泄漏影響的海域面積，以及對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞情況等。

據(jù)悉，這種光譜相機(jī)是國內(nèi)第一種短波紅外光譜探測設(shè)備，也是目前國內(nèi)空間分辨率最高的一種設(shè)備，其空間分辨率最高將達(dá)到10米，而國外同類型儀器的空間分辨率都是百米量級的，甚至有1000米量級的。

我國陸海天基測控網(wǎng)首次攜手，為“天宮一號”保駕護(hù)航

從北京跟蹤與通信技術(shù)研究所獲悉，我國自行設(shè)計(jì)、研制和建設(shè)的陸海天基三位一體載人航天測控通信網(wǎng)，第一次正式攜手為“天宮一號”及后續(xù)空間交會對接任務(wù)保駕護(hù)航。中繼衛(wèi)星的加入，使“天宮一號”測控覆蓋率大幅提升。

針對任務(wù)要求，科研人員在原來測控通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和調(diào)整，新建了澳大利亞當(dāng)加拉測控站；與巴西阿爾坎特拉和法國奧賽蓋爾、凱爾蓋朗3個測控站進(jìn)行了國際聯(lián)網(wǎng)；對北京航天飛控中心重新設(shè)計(jì)和布局，新建了第二指揮廳；開發(fā)研制出交會對接任務(wù)飛控軟件，滿足了雙目標(biāo)協(xié)同管理要求。

海上測控力量由遠(yuǎn)望三號、遠(yuǎn)望五號和遠(yuǎn)望六號遠(yuǎn)洋測量船承擔(dān)。考慮到后續(xù)載人航天任務(wù)高頻度發(fā)射特點(diǎn)，系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)時，以保證交會對接重點(diǎn)測控弧段為基本原則安排船位，遠(yuǎn)望五號船布設(shè)在日本以南海域，完成入軌和剛性對接段測控任務(wù)，遠(yuǎn)望六號船布設(shè)在新西蘭以東海域，完成第5圈變軌測控任務(wù)。

中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，是航天器在太空運(yùn)行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，可為中、低軌資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)?！疤鞂m一號”和后續(xù)將要實(shí)施的空間交會對接任務(wù)中，我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)正式作為陸海天基三位一體載人航天測控通信網(wǎng)的組成部分發(fā)揮重要作用。兩顆中繼衛(wèi)星天鏈一號01、02星的加入，將提供三分之二以上的軌道覆蓋率和百兆以上的高數(shù)據(jù)傳輸速率，使我國載人航天測控通信網(wǎng)的整體能力顯著提高。

儀表控制器應(yīng)用軟件為“天宮一號”,打造超級智囊

“天宮一號”目標(biāo)飛行器被送入預(yù)定軌道后，儀表控制器應(yīng)用軟件就正式開始運(yùn)行。中國航天科技集團(tuán)公司五院西安分院技術(shù)專家介紹，“天宮一號”儀表控制器應(yīng)用軟件是按載人飛行的要求設(shè)計(jì)的，在后續(xù)的載人飛行中，航天員可以通過儀表控制器這樣一個人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對整個目標(biāo)飛行器的全盤掌控，不僅可以直接獲取飛行器所有分系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，而且可以掌握飛行器的運(yùn)行姿態(tài)。

“天宮一號”的人機(jī)界面完全是按照載人的狀態(tài)來設(shè)計(jì)的，在未來的載人飛行中，航天員在太空可以借助儀表控制器應(yīng)用軟件進(jìn)行短信息編輯和收發(fā)電子郵件。如果有一些比較重要的文字和圖像資料需要在飛行器與地面之間進(jìn)行交換，那么航天員可以通過電子郵件與地面進(jìn)行信息交流。而這些界面與地面互聯(lián)網(wǎng)的電子郵件系統(tǒng)一樣智能，可以直接輸入文字，并可以添加8兆以內(nèi)的附件，可傳遞大量的數(shù)據(jù)信息。

為確保軟件在軌期間的穩(wěn)定運(yùn)行，西安分院的設(shè)計(jì)師通過對軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在地面對軟件進(jìn)行更新，這樣可以有效地確保軟件的升級，也可以確保航天員的超級智囊增加新的功能。由于儀表控制器軟件是未來航天員觀測飛行器整體狀況的主界面，軟件運(yùn)行的穩(wěn)定也可以在一定程度上確保航天員的安全。

攻克“天宮一號”在軌，長壽命技術(shù)難關(guān)

“天宮一號”的使用壽命要達(dá)到兩年，這對研制團(tuán)隊(duì)來說無疑是個挑戰(zhàn)。對此，中國航天科技集團(tuán)公司空間技術(shù)研究院載人航天總體部型號主管設(shè)計(jì)師李興乾表示，研究團(tuán)隊(duì)已提前做足準(zhǔn)備，攻克了飛行器在軌長壽命的技術(shù)難關(guān)。

據(jù)介紹，為防止“天宮一號”發(fā)射升空時所攜帶的資源如氣體等外泄影響航天員的使用，科研人員在研制中對艙體密封性提出很高要求。李興乾說，這使“天宮一號”所攜帶資源泄漏的可能性微乎其微，同時也攜帶足夠的氣源進(jìn)行泄漏補(bǔ)償，不會影響航天員的正常使用?！啊鞂m一號’艙體密封性很好，所攜帶的資源足以供應(yīng)航天員工作和實(shí)驗(yàn)時的需要?！?/p>

“天宮一號”里的500余臺大小設(shè)備對其在軌運(yùn)行十分關(guān)鍵，在太空中，這些設(shè)備一旦出現(xiàn)故障該怎么辦？李興乾說：“我們設(shè)計(jì)時已做了充分的地面試驗(yàn)，有的設(shè)備試驗(yàn)次數(shù)達(dá)萬次以上，就是為了提高設(shè)備的可靠性?！?/p>

他透露，研制人員經(jīng)過大量試驗(yàn)，在參考同類設(shè)備實(shí)際飛行結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對各種可能出現(xiàn)的故障提前制定了幾百種預(yù)案，從系統(tǒng)、到分系統(tǒng)、到單機(jī)，各級、各層面上都做了備份，保證“天宮一號”身體各部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

“在一些關(guān)鍵設(shè)備的控制上，我們還設(shè)計(jì)了‘雙保險’，比如無人期間設(shè)備自動控制，有人時還可以讓航天員參與進(jìn)行人工控制?！崩钆d乾補(bǔ)充道。

“天宮一號”中有人時的生活豐富多彩，無人時也并不“寂寞”，除了進(jìn)行空間探測等試驗(yàn)外，它還要時刻對太空中隨時可能遇到的危險保持高度警惕。太空垃圾就是其可能遇到的危險之一。由于它們和航天器之間的相對速度很大，一般為每秒幾千米至每秒幾十千米，因此，即使輕微碰撞，也會造成航天器的重大損壞。

李興乾指出，研制人員在“天宮一號”艙體上設(shè)計(jì)了特殊防護(hù)裝置，較小的太空垃圾幾乎不會對飛行器造成多大影響；遇到體積較大的太空垃圾時，“天宮一號”會啟動預(yù)警機(jī)制，躲開危險物以保證安全。

太空環(huán)境千變?nèi)f化，太陽因能量增加向空間釋放大量帶電高速粒子流就是太陽風(fēng)暴，強(qiáng)烈太陽風(fēng)暴會使航天器受到干擾。這兩年是太陽活動高峰年，研制人員預(yù)計(jì)到“天宮一號”將會遭遇太陽風(fēng)暴的影響，致使其軌道的衰減速度加快，進(jìn)而影響下次與飛船的交會對接。

李興乾說，研制人員適時會利用地面控制系統(tǒng)，啟動“天宮一號”上的推進(jìn)器將自身往高處托舉，使之維持在要求的軌道高度。即使不發(fā)生太陽風(fēng)暴，“天宮一號”在太空中運(yùn)行的軌道高度也不是一成不變的。李興乾說，在與飛船交會對接時，它會飛得低一些，大約距離大氣層340公里；無人期間則會飛得高一些，約370公里，因?yàn)樵礁叩牡胤娇諝饷芏仍叫?，軌道衰減少，更加節(jié)約能源。

“天宮一號”航天員生命保障系統(tǒng),開始自主運(yùn)行

從中國航天員中心獲悉，“天宮一號”的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)已經(jīng)啟動，轉(zhuǎn)入自主運(yùn)行狀態(tài)，航天員進(jìn)入“天宮”前將建立載人環(huán)境。

我國載人航天工程環(huán)控生保系統(tǒng)專家李英斌在接受采訪時說，人在太空生存，必須要依靠航天器提供適宜的氧氣、濕度、溫度和壓力等條件。盡管歷次神舟任務(wù)已在這方面積累了成熟經(jīng)驗(yàn)，但 “天宮一號”任務(wù)仍然提出了巨大挑戰(zhàn)，特別是很多產(chǎn)品要長期耐受溫濕度、振動沖擊、真空低壓、失重等多種特殊環(huán)境考驗(yàn)。

李英斌說，這次任務(wù)提出了嚴(yán)苛的艙內(nèi)微生物指標(biāo)和可吸入顆粒物指標(biāo)要求，為此，他們專門研制了微量有害氣體凈化裝置，采取綜合手段對艙內(nèi)氣體高效凈化。此外，還首次帶入了微生物凈化裝置，為航天員打造高度潔凈的環(huán)境。

據(jù)介紹，水汽會引起電器設(shè)備受潮短路，人在潮濕的環(huán)境中也不舒服。因此，“天宮一號”還有專門的儲箱回收人體呼吸、排汗等代謝產(chǎn)生的水汽。

長二F火箭換了，全新“大腦”

任何一發(fā)火箭在點(diǎn)火升空之后之所以能夠按照預(yù)定軌跡飛行，并且最終能夠精確地將目標(biāo)送入預(yù)定軌道，主要是靠火箭的控制系統(tǒng)來完成整個過程。承擔(dān)“天宮一號”發(fā)射任務(wù)的改進(jìn)型長二F火箭總設(shè)計(jì)師荊木春在接受采訪時表示，改進(jìn)型長二F火箭的控制系統(tǒng)是個全新的系統(tǒng)，從使用的方案、原理、具體設(shè)備、軟硬件等方面都與傳統(tǒng)狀態(tài)的 “長二F”發(fā)生了很大變化，相當(dāng)于給火箭置換了一個全新的“大腦”。

“和先前的長二F火箭相比，改進(jìn)型長二F火箭控制系統(tǒng)的一個重大更改是，取消原先的氣浮陀螺平臺，采用兩套慣組作為測量裝置，可以更好地滿足火箭在俯仰偏航方向上的機(jī)動要求?！鼻G木春解釋，慣性測量組合是火箭控制系統(tǒng)的核心，也是影響火箭入軌精度的關(guān)鍵部件。

有了上述制導(dǎo)工具，改進(jìn)型長二F火箭在制導(dǎo)方式上，首次使用了迭代制導(dǎo)技術(shù)。這些做法都是為了滿足交會對接任務(wù)對火箭入軌精度、軌道調(diào)整適應(yīng)性和可靠性等多個方面的要求。

荊木春表示，首次交會對接任務(wù)對“天宮一號”的入軌精度并沒有很高要求，但對“神舟八號”的入軌精度要求很高?！八?，我們的工程研制人員也制定了了套方案：當(dāng)發(fā)射目標(biāo)飛行器時，火箭僅采用攝動制導(dǎo)；當(dāng)發(fā)射飛船時，火箭采用‘?dāng)z動+迭代’組合制導(dǎo)。”