空間站艙段轉(zhuǎn)位，內(nèi)行看門道

文/常飛

9月30日，經(jīng)過約1個小時的天地協(xié)同，問天實驗艙完成轉(zhuǎn)位，中國空間站組合體暫時由“一”字構(gòu)型變成“L”構(gòu)型。11月3日，夢天實驗艙通過相似的轉(zhuǎn)位程序，使空間站形成了“T”字構(gòu)型。那么空間站艙段轉(zhuǎn)位需克服哪些技術(shù)難關(guān)？兩次艙段轉(zhuǎn)位又有何亮點呢？就讓我們一探究竟吧。

▲ 夢天艙轉(zhuǎn)位成功

“L”和“T”是怎樣形成的

問天實驗艙發(fā)射之初，對接在天和核心艙節(jié)點艙正前方接口，形成了“一”字構(gòu)型。10月31日，夢天實驗艙發(fā)射，次日成功對接于天和核心艙前向端口。

有人不禁好奇：為什么兩個實驗艙不直接對接到節(jié)點艙側(cè)面接口，“一步到位”達(dá)成最終狀態(tài)呢？

這主要是因為空間站組合體遵循第一宇宙速度飛行，經(jīng)計算顯示，如果實驗艙直接從側(cè)面接近天和核心艙，即使兩者的軌道之間只有很小的夾角，雙方的相對速度也會相當(dāng)可觀，不能排除因控制誤差導(dǎo)致撞擊的風(fēng)險。

這樣的撞擊顯然是科研人員無法接受的。雖然空間站各艙段在設(shè)計和制造的過程中都充分考慮到強度問題，但航天器受到運載火箭發(fā)射能力的限制，不可能刻意無限加固，自然不能承受住高速撞擊。更何況，即便艙段安全，造成姿態(tài)劇烈變化也會隱患重重。

所以兩個實驗艙最初都被發(fā)射到天和核心艙的前方，處在同一個平面和軌道上，以很小的相對速度值逐漸接近，實施對接。

按照軌道動力學(xué)的基本原則，在這個對接過程中，兩者的軌道高度仍會發(fā)生相對變化，但只要速度差控制得好，軌道高度變化就會很微弱，不會超出對接機構(gòu)的補償能力范圍。

▲ 問天艙轉(zhuǎn)位過程效果圖

初步對接完成后，經(jīng)過一段時間測試，天地團(tuán)隊確認(rèn)實驗艙的狀態(tài)正常，就會動用機械臂輔助，把實驗艙轉(zhuǎn)移到天和核心艙的側(cè)面對接口上。

可能有人覺得：太空處于失重狀態(tài)，機械臂處置20多噸的東西應(yīng)該困難不大。

事實上，大型艙段移動所產(chǎn)生的慣性不容忽視。如果在轉(zhuǎn)位過程中沒控制好速度，就會超出機械臂的扭矩范圍，發(fā)生險情。所以實驗艙的轉(zhuǎn)位過程相當(dāng)謹(jǐn)慎，還需要得到力矩陀螺協(xié)助。

力矩陀螺的“貢獻(xiàn)”在哪里呢？由角動量守恒原理決定，只要機械臂把實驗艙向側(cè)面移動一點，那么天和核心艙就會發(fā)生相應(yīng)的角度變化，朝著反方向轉(zhuǎn)動一點。在這個過程中，空間站的軌道方向其實沒變，但偏航角會發(fā)生很大的變化，這對于太陽翼帆板、散熱板、數(shù)傳天線等設(shè)備的工作是不利的，所以就需要靠力矩陀螺“消化”這部分角動量，使空間站組合體保持天和核心艙與軌道切線平行的狀態(tài)。

太空中的阻力別忽視

▲ 問天艙轉(zhuǎn)位后，空間站形成“L”字構(gòu)型

從理論上說，在真空環(huán)境里，任何形狀的物體都可以保持原本的運動狀態(tài)，不會發(fā)生姿態(tài)和方向的改變。然而，現(xiàn)實不會這么理想化。空間站運行軌道高度達(dá)到數(shù)百千米，大氣已經(jīng)非常稀薄，但仍然會不斷積累微弱的大氣阻力，逐漸對航天器的姿態(tài)和軌道形成顯著影響，所以近地軌道航天器對于姿態(tài)控制仍然需要謹(jǐn)慎小心。

舉例來說，當(dāng)問天實驗艙對接到節(jié)點艙側(cè)面對接口之后，大氣阻力問題就不容忽視了。問天號實驗艙長17.9米，大柱段直徑達(dá)4.2米，加上太陽翼帆板，相當(dāng)于在空間站正前方形成了巨大的迎風(fēng)面。

▲ 夢天艙對接于天和核心艙前向端口

對比國外同類，國際空間站因為大氣阻力等問題，每月軌道高度都會下降2千米左右，必須由飛船升軌補償。那么中國空間站實驗艙遭遇的阻力問題也會引發(fā)各種后果，比如使整個空間站組合體產(chǎn)生一定的扭矩。有關(guān)扭矩如果不進(jìn)行糾正的話，空間站組合體就會被推動著旋轉(zhuǎn)起來，向一側(cè)過度轉(zhuǎn)動。

同樣以問天艙的轉(zhuǎn)位過程為例，假如“L”的直角頂點最終穩(wěn)定地指向軌道飛行方向，而問天艙、天和核心艙各自在軌道方向兩側(cè)呈45度角，那么對于太陽能發(fā)電、散熱和無線電通信都不是好位置。另外，當(dāng)時空間站組合體必須為迎接夢天實驗艙做好準(zhǔn)備，空間站組合體也必須回到正常位置，準(zhǔn)備好天和核心艙的正前方對接口。

要做到這一點，必須靠力矩陀螺和推力器聯(lián)合作用，把不平衡空氣阻力造成的扭矩重新平衡。一般來說，這種計劃內(nèi)的工作更傾向于使用力矩陀螺，因為空間站上攜帶的燃料是寶貴且有限的，必須節(jié)約使用。雖然貨運飛船會定期為空間站送去補給，但太空環(huán)境復(fù)雜兇險，空間站必須隨時準(zhǔn)備應(yīng)對意外情況。假如出現(xiàn)太空垃圾、微小天體、航天器等異常接近的情況，空間站就需要耗費寶貴的燃料，改變軌道，保障航天員和設(shè)備安全。

11月初，夢天實驗艙初步和空間站組合體對接后，又完成了轉(zhuǎn)位工作，最終對接到另一個方向的天和核心艙側(cè)向接口上，而這同樣是力矩陀螺、機械臂緊密配合的結(jié)果。

隨著11月3日夢天實驗艙轉(zhuǎn)位完成，中國空間站組合體形成了較平衡的狀態(tài)：天和核心艙對接口的徑向是神舟載人飛船，兩側(cè)分別是問天艙和夢天艙，后方對接口上是天舟貨運飛船。

在航天員“太空交班”的時候，節(jié)點艙對接口還要迎來神舟載人飛船，同樣需要面對阻力不平衡的問題。不過神舟飛船的“迎風(fēng)面積”比較小，造成的不平衡扭矩也會相對輕微很多，用力矩陀螺簡單糾正就有望解決。

國際創(chuàng)舉攻克難關(guān)

國外的空間站此前經(jīng)歷過艙段轉(zhuǎn)位，采用的是垂直轉(zhuǎn)位方案，轉(zhuǎn)位后組合體姿態(tài)會發(fā)生大幅變化。事實上，中國空間站是國際上第一個采用平面轉(zhuǎn)位方案的，效果更優(yōu)。不過，相比20多噸重的大型艙段，只有100多千克的機械臂連接兩艙，風(fēng)險不小，所以實驗艙轉(zhuǎn)位過程被形容為“一根扁擔(dān)挑起兩頭大象”。

▲ 夢天艙轉(zhuǎn)位組裝效果圖

▲ 大艙段轉(zhuǎn)位細(xì)節(jié)

整個轉(zhuǎn)位過程中最大的限制因素應(yīng)該是慣性。由于物體的動能與速度的平方成正比，如果轉(zhuǎn)位速度太快，造成的沖擊力就非常顯著，會給轉(zhuǎn)位機構(gòu)和機械臂帶來巨大的扭矩，易造成設(shè)備損壞。特別是在艙段需要停下的時候，如果出現(xiàn)剎車式情況，慣性可能使機械臂有報廢的危險。因此，平面轉(zhuǎn)位要求天地團(tuán)隊對艙段、機械臂運行速度進(jìn)行精確計算和嚴(yán)格控制。據(jù)公開報道稱，科研單位在地面設(shè)施上大量進(jìn)行了計算機仿真和氣浮臺模擬工作，解決了姿態(tài)控制、中繼測控鏈路遮擋和能量平衡等多方面的問題。此外，今年初天和核心艙對天舟貨運飛船進(jìn)行了轉(zhuǎn)位操作，考慮到天舟貨運飛船的體積和重量都比問天實驗艙小得多，非常適合天地團(tuán)隊和機械臂“練手”。

總之，經(jīng)過相當(dāng)復(fù)雜的操作，兩次實驗艙轉(zhuǎn)位成功，如果要做簡單描述，要領(lǐng)就是“慢”和“準(zhǔn)”：“慢”就是盡量降低加速度，不能超過機械臂和轉(zhuǎn)位機構(gòu)的承受能力；“準(zhǔn)”就是確保實驗艙轉(zhuǎn)位“一次到位”。

▲ 中國空間站“T”字構(gòu)型示意圖

如今，中國空間站已經(jīng)形成了水平對稱的“T”字構(gòu)型，航天專業(yè)人士認(rèn)為，這樣有三大好處。首先是能夠保證整體質(zhì)心居中，節(jié)省姿態(tài)控制所需的能量。其次是兩個實驗艙的氣閘艙分別位于“T”字一橫的端頭，因此在正常泄壓或異常隔離時，均不會影響其他密封艙段構(gòu)成連貫空間，從而能夠保證安全性。最后是確保兩個實驗艙末端的大型太陽能電池翼不管空間站以何種姿態(tài)飛行，都能夠照上太陽，讓空間站日發(fā)電量可達(dá)近千度，相當(dāng)于一個普通家庭近半年的用電量，為中國空間站三艙組合體提供80%的能量，在滿足空間站上的各類科學(xué)儀器正常運轉(zhuǎn)的同時，也能保航天員在軌日常生活。

形象地比喻，空間站看似在太空中四平八穩(wěn)地飛行，其實無時無刻不在“耍雜技”——伴隨著飛船、艙段等對接、離去，空間站的構(gòu)型、重心、受力情況、軌道等不斷發(fā)生著變化，要求天地團(tuán)隊遵從規(guī)律，精密細(xì)致地調(diào)整完善。這應(yīng)該就是航天控制科學(xué)極具挑戰(zhàn)性卻又充滿了樂趣的原因所在。