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神舟十三号与天和成功对接!“太空三人组”空间站里过春节

第一财经 2021-10-16 11:57:49

作者:金叶子    责编:杨志

首次与三舱组合体自主快速径向交会对接,首次长期在轨停靠6个月,实现4个载人航天器形成组合体长期在轨飞行,首次具备天地结合多重保证的应急救援能力。

随着神舟十三号载人飞船发射圆满成功,中国载人航天事业又迈出了关键的一步。

10月16日0时23分(北京时间,下同),搭载神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭,在酒泉卫星发射中心按照预定时间精准点火发射,发射取得圆满成功。

据中国载人航天工程办公室消息,神舟十三号载人飞船入轨后顺利完成入轨状态设置,于10月16日6时56分,采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱径向端口,与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱(船)组合体,整个交会对接过程历时约6.5小时。10月16日9时58分,航天员翟志刚、王亚平、叶光富先后进入天和核心舱。后续,航天员乘组将按计划开展相关工作。

3名航天员进驻空间站后,将分别开启天舟二号和天舟三号货运飞船舱门,进一步开展再生生保、在轨维修等技术验证和应用,转移物资和废弃物,视情进行出舱活动。驻留期间,还将择机利用天舟二号进行机械臂转位验证试验。航天员驻留180天后返回地面,任务结束后全系统完成评估,转入空间站建造阶段。这意味着“太空出差”三人组将在空间站里过春节。

神舟十三号载人飞船是中国空间站关键技术验证阶段的最后一次任务。此次飞行,它将验证空间站建造和运营所需的最后几项关键技术,为中国建造“天宫”打下重要基石。

按程序完成各项工作后,翟志刚开启天和核心舱舱门,北京时间2021年10月16日9时58分,航天员翟志刚、王亚平、叶光富先后进入天和核心舱。图文来源:央视,中国载人航天官方微信号

首次径向交会对接

神舟十三号载人飞船将实现多个首次,即首次与三舱组合体自主快速径向交会对接,首次长期在轨停靠6个月,实现4个载人航天器形成组合体长期在轨飞行,首次具备天地结合多重保证的应急救援能力。

10月16日在北京航天飞行控制中心拍摄的神舟十三号载人飞船与天和核心舱自主快速交会对接成功,并与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱(船)组合体的画面。新华社记者 田定宇 摄

尤其值得关注的是首次径向交会对接。

早在航天事业起步之初,老一辈航天工作者就认识到掌握空间交会对接技术是我国独立自主建设空间站必须走出的关键一步,并将其确定为实现载人航天工程“三步走”中第二步要突破的核心关键技术之一。

自4月份以来,我国已成功实施了空间站建造任务的5次发射,其中包括被称为“太空母港”的天和核心舱,派出两位“太空快递小哥”派送物资,安排两批共6名航天员“出差”外太空。后续,我国还将实施2次空间站舱段的发射、以及多艘飞船的发射任务。

要想搭建起“太空城堡”,被称为“太空之吻”的空间交会对接技术至关重要,而中国航天科技集团八院(下称“八院”)研制的对接机构则是实现对接的核心。

载人飞船系统副总设计师张崇峰介绍,在我国空间站任务中,所有对接机构(包括天和核心舱在内的3个舱段与后续每一艘飞船的对接机构)都是由八院研制。

从2011年首次亮相至今,“太空之吻”已经走过了整整十年。十年间,我国共成功实施15次(含神13)精准可靠对接,经历了从无人到有人、从自动到手控、从几天到6.5小时、从轴向对接到径向对接。

神舟八号以来5艘飞船与目标都是轴向对接,而径向与轴向的夹角呈90度。此次神舟十三号首次完成与49吨级的空间站组合体自主快速径向交会对接,我国空间站首次组成“T”字构型。与以往历次任务中的轴向对接相比,径向对接的初始条件更加苛刻,如何确保实现90度的“稳”,成为研制团队的重要任务。

在发射神舟十三号前,天舟二号和天舟三号货运飞船分别停靠核心舱的前向端口和后向端口。

这样的布局是为了满足神舟十三号径向交会对接时的组合体姿态控制要求,对接机构也将面临前所未有的对接偏心长度变大的可能。为此,八院805所对接机构分系统通过全面分析对接工况,在增加可控阻尼器的基础上,配合总体完成任务规划,并开展了31个工况的捕获缓冲试验,仅单项极偏差工况就达到24次。可有效消除对接机构与多构型、变吨位、大偏心对接目标的捕获、缓冲、连接适应性风险,确保载人飞船与空间站组合体径向稳妥可靠对接。

值得注意的是,因为神舟十三号在径向对接口停靠,帆板将长期被空间站大型柔性太阳电池翼和大柱段舱体遮挡,导致载人飞船在光照区供电能力受到影响,需要空间站为飞船并网供电。轨道舱配电器为了满足长期停靠最大并网供电能力需达到1400w的要求,进行多项适应性更改。八院805所的设计师对内部器件安装位置及安装方式均进行了大范围调整,并通过鉴定级力学试验、热学试验、电磁兼容试验,验证产品的可靠性和安全性。在神舟十二号飞行任务期间,还开展了空间站并网供电试验,证明未来神舟十三号将可通过这条并网专线获取需要的电能。

“对接五兄弟”

“对接机构分为主动对接机构和被动对接机构。神舟载人飞船、天舟货运飞船以及后续发射的两个实验舱都配置主动端,入轨后,它们会自主完成与核心舱上的被动对接机构的捕获、拉回、锁紧。不同的飞船将根据任务需求,对接于核心舱上配置的各个对接口,这也是核心舱被称为‘太空母港’的由来。”八院对接机构设计师对第一财经介绍。

核心舱上共配置了5个被动对接口,设计师称它们为“对接五兄弟”。

“大哥”在核心舱的后端,核心舱专门的“太空快递通道”,又称为“后向对接口”,主要用于对接“太空快递小哥”天舟货运飞船,保证整个空间站的货物输送及在轨“能量”补充,同时也是载人飞船的备份对接通道;“二哥”在节点舱的最前端,大名叫“前向对接口”,来访的“客人”较多,除了神舟载人飞船、天舟货运飞船外,将来还要会先后迎接问天实验舱、梦天实验舱,堪称“天宫守门人”;大哥和二哥还有特殊的补加接口,都可以为空间站补充推进剂;“三哥”又称“径向对接口”,本次神舟十三号载人飞船就是对接在此处,是专门的“航天员通道”;“四哥”和“五弟”在节点舱的两侧呈对称分布,称为“侧向停泊口”,将来问天实验舱和梦天实验舱会永久停靠在这里,让航天员的居住条件由“一居室”变成“三居室”,大大增加航天员的活动空间和范围。

对“五兄弟”来说,要如此长时间暴露在太空环境中,承受88000次超过200摄氏度范围的高低温循环、低轨空间原子氧的剥蚀、多频次的对接与分离后仍确保可靠,这对它们来说是一个全新的艰难考验。“通常来说,对接机构的设计寿命为3年,而 ‘五兄弟’足以算得上高寿命了。”为此,八院805所对接机构团队全面系统地为“五兄弟”做了“深度体检”,并为“五兄弟”量身定制了“延寿保险”,包含了可能发生的故障预案共79项并制定了详细处置措施,确保它们在轨期间的健康稳定工作。

据了解,按照后续空间站建造及运营规划,八院对接机构团队每年都要至少保证5套对接机构的生产交付,才能跟得上空间站工程高密度发射的步伐。“只要后续有航天器发射,就必须通过对接机构才能实现与空间站舱段的组合。任务重、节点紧,产品的研制生产不允许任何一个环节出现失误,否则就会影响到整个任务的进程。”设计师介绍说。

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