為何要實(shí)現(xiàn)“T”字構(gòu)型

張蕾　任昕宇　蘇際聰　毛凌野

11月3日9時32分，夢天實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國空間站組合體實(shí)現(xiàn)了“T”字基本構(gòu)型，即以天和核心艙為對稱軸，問天實(shí)驗(yàn)艙與夢天實(shí)驗(yàn)艙分布于天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙的兩個側(cè)向停泊口。

在我國空間站的建造及后續(xù)任務(wù)實(shí)施中，艙體的轉(zhuǎn)位動作發(fā)揮著重要作用。關(guān)于轉(zhuǎn)位，相信這些問題的答案，你一定想知道……

問天、夢天兩個實(shí)驗(yàn)艙在發(fā)射后，首先與天和核心艙進(jìn)行前向交會對接，再通過轉(zhuǎn)位動作從天和核心艙的前向?qū)涌谝苿拥絺?cè)向停泊口，從而完成空間站“T”字基本構(gòu)型的建造任務(wù)。

為什么不能在實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，直接側(cè)向交會對接到天和核心艙的兩側(cè)呢？據(jù)航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔介紹，主要有兩方面原因：一是實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體直接進(jìn)行側(cè)向?qū)樱瑫驗(yàn)橘|(zhì)心偏差對空間站姿態(tài)造成較大影響，甚至可能會有滾轉(zhuǎn)失控的風(fēng)險；二是根據(jù)空間站建造方案，兩個實(shí)驗(yàn)艙將在天和核心艙的側(cè)向永久停泊，如果選擇側(cè)向交會對接，就需要在天和核心艙的兩個側(cè)向端口分別配置一套交會對接設(shè)備，并且這兩套設(shè)備只能使用一次，造成資源浪費(fèi)。“由此可見，兩個實(shí)驗(yàn)艙先與核心艙進(jìn)行前向交會對接，再通過轉(zhuǎn)位移至核心艙側(cè)向停泊口的方案設(shè)計(jì)是最優(yōu)的?！蓖跸鑿?qiáng)調(diào)。

不過，他表示，兩個實(shí)驗(yàn)艙在轉(zhuǎn)位任務(wù)安排上有些差異：問天實(shí)驗(yàn)艙在經(jīng)過發(fā)射和交會對接后，先開展航天員出艙等一系列任務(wù)，而后再轉(zhuǎn)位；夢天實(shí)驗(yàn)艙則在發(fā)射、交會對接后直接轉(zhuǎn)位，待形成“T”字構(gòu)型組合體后，再開展在軌測試、航天員駐留等任務(wù)。

2022年7月，問天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射并與天和核心艙完成交會對接，空間站組合體呈兩艙“一”字構(gòu)型。9月底，問天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位成功，空間站組合體變?yōu)閮膳摗癓”字構(gòu)型。幾天前，夢天實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射并與天和核心艙完成前向交會對接，空間站組合體呈橫向且不對稱的“T”字構(gòu)型。此次，夢天實(shí)驗(yàn)艙完成轉(zhuǎn)位，三艙最終呈現(xiàn)真正的“T”字構(gòu)型。

為什么是“T”字構(gòu)型呢？據(jù)悉，構(gòu)型要保證主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布盡量對稱、緊湊，以獲得好的質(zhì)量特性，易于控制航天器的運(yùn)動。

誠然，轉(zhuǎn)位后空間站的“T”字構(gòu)型結(jié)構(gòu)對稱，從姿態(tài)控制、組合體管理上都比較穩(wěn)定，顯然更易于組合體的飛行，而且受到地心引力、大氣擾動等影響較為均衡，姿態(tài)控制消耗的推進(jìn)劑和其他資源較少?！叭舨捎梅菍ΨQ構(gòu)型，空間站組合體的力矩、質(zhì)心與受到的干擾，相對于姿態(tài)控制、軌道來說都不對稱，飛行效率更低，控制模式也更加復(fù)雜，一旦發(fā)生偏轉(zhuǎn)，就需要付出額外的資源和代價將其控制回來?！蓖跸杞忉尅?/p>

為確保夢天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位任務(wù)順利實(shí)施，航天科技集團(tuán)五院研制團(tuán)隊(duì)精心安排、周密部署了轉(zhuǎn)位方案。轉(zhuǎn)位過程中，測控與通信分系統(tǒng)在天地間搭建起暢通的通信鏈路，傳輸高清圖像，使得整個轉(zhuǎn)位過程100%受控；機(jī)械臂分系統(tǒng)始終作為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的備份手段，保障平臺安全；熱控分系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個空間站組合體的溫度控制，包括向太空輻射散熱與熱管理；空間站GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）分系統(tǒng)始終精準(zhǔn)控制，確保組合體以最高穩(wěn)定度進(jìn)入?？貭顟B(tài)；數(shù)管分系統(tǒng)發(fā)揮“智能大腦”作用，處置一系列復(fù)雜指令，全程零差錯。得益于各分系統(tǒng)的高效配合，此次任務(wù)僅用約1小時就圓滿完成。

中國空間站在設(shè)計(jì)之初就運(yùn)用了系統(tǒng)科學(xué)的思想，即系統(tǒng)的各部分相對獨(dú)立，組成系統(tǒng)時則相互聯(lián)系、作用，有機(jī)地形成一個整體。

三艙形成“T”字構(gòu)型后，便以“1+1+1=1”的理念構(gòu)建成為“組合體核心”。其中，由天和核心艙進(jìn)行統(tǒng)一的組合體管理，包括姿態(tài)軌道控制、載人環(huán)境、熱控、信息通信等；問天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙互為備份，問天實(shí)驗(yàn)艙可隨時接替天和核心艙對空間站組合體進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制；問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙為開展艙內(nèi)外科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供支持。三艙如此協(xié)同配合、有機(jī)統(tǒng)一，構(gòu)成更加完整可靠的空間站組合體。

值得一提的是，夢天實(shí)驗(yàn)艙上還配置了由航天科技集團(tuán)五院研制的貨物氣閘艙與艙外展開試驗(yàn)平臺?！敖窈?，需要安裝在艙外的科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備可通過貨運(yùn)飛船運(yùn)送到空間站，再通過貨物氣閘艙把載荷送到艙外，由機(jī)械臂或者航天員安裝到艙外平臺上，從而實(shí)現(xiàn)艙外試驗(yàn)項(xiàng)目的不斷更新?！蓖跸璞硎?。