中國空間站的重大時刻

2022年10月31日15時37分，中國空間站第三大艙段——夢天實驗艙搭乘長征五號 B 遙四運載火箭，在我國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射，并準(zhǔn)確進入預(yù)定軌道。11月1日4時27分，成功對接于天和核心艙前向端口。三艙組合體，以偏 T 字構(gòu)型在近地軌道在軌飛行。11月3日9時32分，空間站夢天實驗艙順利完成轉(zhuǎn)位，中國空間站終于迎來三艙“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成的重大時刻！從“一”到“L”，再到“T”，這是中國空間站的“太空變形記”，也是一代代中國航天人接續(xù)奮進的印記。未來還可能在機械臂的輔助下進行擴展艙段的組裝，進而形成“十”字、“干”字形等擴展構(gòu)型。

“T”字構(gòu)型有三大好處

“中國空間站‘T字基本構(gòu)型各艙段平展布局極大的提升了對應(yīng)用載荷的支持能力”，中國航天科技集團八院夢天實驗艙總體主任設(shè)計師吳軍表示，“T”字構(gòu)型使得中國空間站穩(wěn)穩(wěn)的飛行在太空，宛如給中國夢插上了翅膀，極好地詮釋了中國特色和時代特征。這一構(gòu)型方案契合國情，特色鮮明，“這就是中國空間站該有的模樣?！眳擒姺Q。

通常而言，為了使航天器易于運動控制，其構(gòu)型要保證主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布盡量對稱、緊湊，確保航天器的質(zhì)心居中，從而減少因姿態(tài)控制所消耗的能量。曾經(jīng)，俄羅斯的和平號空間站就因?qū)恿硕鄠€實驗艙后出現(xiàn)不對稱的情況，使得質(zhì)心不居中，導(dǎo)致和平號為了控制姿態(tài)消耗了較多能量。而中國空間站的三個艙采用水平對稱、“T”字構(gòu)型，這樣有三大好處，首先是能夠保證質(zhì)心居中，節(jié)省姿態(tài)控制所需要的能量，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，從而能夠保證它的安全性。最后是“T”字構(gòu)型能使裝在兩個尺寸、質(zhì)量、大小一致的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。

據(jù)了解，隨著中國空間站更多科學(xué)實驗任務(wù)的開展，空間站載荷供電需求也成倍增加。因此中國航天科技集團八院共為中國空間站配備了2種規(guī)格6套大型柔性太陽翼，其中問天和夢天兩個實驗艙的末端各配備了2套plus版大型柔性太陽電池翼，單套太陽翼展開面積達到138平方米，單個功率高達18千瓦，兩艙的4個太陽電池翼讓空間站日發(fā)電量可達近1000千瓦時，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，在滿足艙內(nèi)搭載的天文、地理、生物、醫(yī)學(xué)等各類科學(xué)儀器正常運轉(zhuǎn)的同時，也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。

“只有當(dāng)中國空間站三艙組合完畢，并且形成‘T字構(gòu)型，我們才能說實現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)”，中國航天科技集團五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計師柏林厚稱，中國空間站的三個主體艙段只有實現(xiàn)了“T”字基本構(gòu)型，空間站上的供電，信息和熱控等系統(tǒng)才能進入最佳工作狀態(tài)，從而為開展較大規(guī)模的空間應(yīng)用實驗提供保障，因此，三艙形成“T”字基本構(gòu)型對完成空間站全面建造具有標(biāo)志性意義。

夢天實驗艙背后的“硬科技”

夢天實驗艙內(nèi)安裝有空間科學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域的超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜等7個方面的8個科學(xué)實驗柜。其中，高精度時頻實驗柜是空間站中最復(fù)雜的實驗柜。高精度時頻實驗系統(tǒng)通過艙內(nèi)不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生的高精度時間頻率信號，利用安置于艙外的微波和激光時間頻率傳遞載荷向地面和空間一定范圍傳遞高精度時間頻率信號。

作為空間站科學(xué)和技術(shù)實驗平臺之一，高精度時頻系統(tǒng)研制目標(biāo)是為相關(guān)精密測量物理提供研究平臺，為相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用提供高精度時頻信號。

此外，中國空間站上搭載的天文、地理、生物、醫(yī)學(xué)等各類科學(xué)儀器將陸續(xù)工作，航天員的日常生活也離不開能源，傳統(tǒng)的剛性、半剛性太陽電池翼因其體積、重量、功率等因素限制無法滿足需求，而柔性翼體積小、展開面積大、功率重量比高，收攏后厚度只有18厘米，與一部手機長度相當(dāng)，僅為剛性太陽翼的八分之一。

夢天艙是如何轉(zhuǎn)位的

為什么不能在實驗艙發(fā)射后，通過側(cè)向交會對接，直接到天和核心艙的兩側(cè)呢？中國航天科技集團五院專家介紹說，有兩方面原因：一是實驗艙與空間站組合體進行側(cè)向?qū)樱瑫驗橘|(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，兩個實驗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，首先需要在天和核心艙兩個側(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，造成資源的浪費。由此可見，兩個實驗艙先與核心艙進行前向交會對接，再通過轉(zhuǎn)位移至核心艙側(cè)向停泊口的方案設(shè)計是最優(yōu)的。

不過，兩個實驗艙在轉(zhuǎn)位任務(wù)安排上有些差異。問天實驗艙在經(jīng)過發(fā)射和交會對接后，開展了航天員出艙等一系列任務(wù)，而后開展轉(zhuǎn)位。與問天實驗艙不同，夢天實驗艙在發(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)。

為確保夢天實驗艙轉(zhuǎn)位任務(wù)順利實施，中國航天科技集團五院研制團隊精心安排、周密部署，制定了轉(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；機械臂分系統(tǒng)始終作為轉(zhuǎn)位機構(gòu)的備份手段，保障平臺安全；各分系統(tǒng)的高效配合，使得此次任務(wù)僅用約1小時就圓滿完成。

“夢天”比“問天”難在哪兒

“夢天實驗艙與3個月前發(fā)射的問天實驗艙個頭差不多，但是交會對接過程卻是難上加難。”航天科技集團五院502所空間站實驗艙主任設(shè)計師宋明超介紹，成功駕馭“夢·天之吻”的幕后神兵，正是由該所研制的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)。

“夢·天之吻”的第一個難關(guān)是此次交會對接任務(wù)最大的危險點：夢天實驗艙入軌后與太陽夾角較大，太陽翼發(fā)電能力有限，能源緊缺，如果不能在規(guī)定時間內(nèi)完成交會對接，就需要中斷自主交會對接過程，緊急調(diào)整夢天實驗艙姿態(tài)，讓它連續(xù)對日定向以保證能源供應(yīng)。

為此，技術(shù)人員為夢天實驗艙特別定制了交會對接任務(wù)故障預(yù)案，將各種可能發(fā)生的故障充分體現(xiàn)在“故障樹”上，通過開展大量的預(yù)演預(yù)判和試驗驗證工作，確保故障止于預(yù)想、不留缺憾。

“夢·天之吻”的第二個難關(guān)是“問·天”交會對接時組合體只有天和核心艙的對稱構(gòu)型，而“夢·天”交會對接時組合體是“L”形的非對稱構(gòu)型，這就顯著增加了空間站在軌姿態(tài)控制的難度?！耙皇恰甃構(gòu)型的組合體質(zhì)心發(fā)生較大的橫向偏移，增加了軌道控制和姿態(tài)控制之間的關(guān)聯(lián)，組合體自身控制難度加大；二是夢天實驗艙在接近組合體時需要開啟反推發(fā)動機減速，發(fā)動機的羽流會干擾組合體的姿態(tài)，讓‘夢·天之吻變得更難?！彼蚊鞒M一步解釋。

在技術(shù)人員的精心指導(dǎo)下，夢天實驗艙GNC系統(tǒng)精準(zhǔn)識別了實驗艙和組合體的相對距離及相對姿態(tài)，逐步接近并最終實現(xiàn)高精度的交會對接。

（綜合人民日報客戶端、新華社訊、《光明日報》等）