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详解神舟八号与天宫一号的交会对接

北京时间11月3日凌晨1点37分,神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器在我国上空成功实现交会对接,我国成为世界上第3个独立掌握航天器交会对接技术的国家。相信不少人都看过精彩的对接视频了。看完热闹之后,我们再来看看其中的门道吧。

所谓“空间交会对接”,其实是轨道交会和空间对接的总称。空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果称作“轨道交会”;在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器合体的事件称作“空间对接”。

怎样交会?

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成功对接之后,神舟八号与天宫一号构成了我国首个航天器组合体,共同绕地飞行

那么,交会对接是怎样完成的?通常空间交会对接涉及两个飞行器,一个是目标飞行器,一个是追踪飞行器。空间交会与对接过程一般是由地面发射追踪飞行器,由地面控制,使它按比目标飞行器稍微低一点的圆轨道运行;接着,通过变轨,使其进入与目标航天器高度基本一致的轨道,并与目标航天器建立通信关系;追踪飞行器调整自己与目标飞行器的相对距离和姿态,向目标飞行器靠近;最后当两个飞行器的距离为零时,完成对接合拢操作,结束对接过程。

以本次神舟八号的交会对接过程为例,我们来仔细看一下。

天宫一号目标飞行器自9月29日在酒泉卫星发射中心发射升空后,在地面指令引导下,先后完成了多次轨道控制和平台在轨测试工作,于10月30日进入距地面高度约343公里的近圆形交会对接轨道。10月30日19时34分,在北京航天飞行控制中心的精确控制下,天宫一号偏航180度,建立倒飞姿态,这标志着天宫一号已为实施首次空间交会对接做好了准备。截至30日19时30 分,天宫一号已在轨运行30天22小时。根据各项遥测数据监视判断,天宫一号飞行正常、姿态稳定、能源平衡,各项试验进展顺利,具备执行首次交会对接的条件。

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神舟八号飞船在最后一个停泊点,距离天宫一号30米

交会对接飞行过程分为远距离导引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段和分离撤离段:

远距离导引段自神舟八号飞船入轨后开始。在地面测控通信系统的导引下,神舟八号自11月1日发射入轨以来,分别在第5圈、13圈、16圈、19圈、24圈实施了5次变轨控制。由于变轨控制频繁、时间间隔短、空间环境复杂等因素,对短弧段定轨精度提出了极高的要求。北京航天飞行控制中心采用高精度动力学模型和多种数据源融合的短弧段定轨方法,有效提高了测定轨精度。

神舟八号从初始轨道转移到与天宫一号目标飞行器共面的330千米的近圆轨道,在天宫一号目标飞行器后下方约52千米处,与其建立稳定的空空通信链路之后,便开始了自主导航,即不依靠地面的测控系统发出指令,而是靠事先注入到神舟八号的程序指挥它的飞行。

自主控制段经历寻的、接近和平移靠拢3个阶段,神舟八号飞船自主导航控制到与天宫一号目标飞行器接触,自主控制飞行过程约需144分钟。在自主控制阶段,从52公里到5公里是寻的段,从5公里到140米是接近段,从140米到对接机构接触是平移靠拢段。

神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器的首次交会对接进入自主导引段后,从5公里到30米的接近距离之间,前后共设置了4个停泊点,在每一个停泊点都要作短暂停留。之所以设置这4个停泊点,主要是为了进一步确认各项参数是否正常,最大程度降低风险。

如何对接?

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从神舟八号对接装置向外拍到的天宫一号对接口,两个航天器相距已不足10米

当“神舟八号”和“天宫一号”在同一时刻以同样的速度到达同一个地点顺利交会,两个飞行器的速度、位置、姿态、偏差等11个参数满足对接的初始条件后,飞行器就将停止控制,让它们根据惯性进行碰撞。

对接段从对接机构接触开始,在15分钟内完成捕获、缓冲、拉近和锁紧4个过程,最终实现两航天器刚性连接,形成组合体。按照设计进程,“神舟八号”与“天宫一号”对接过程分为8个步骤:

第一步是“相撞”。在惯性作用下,8吨重的“神舟八号”与8.6吨重的“天宫一号”以每秒0.2米左右的速度进行相撞,当“神舟八号”上的主动对接机构碰撞上“天宫一号”上的被动对接机构,对接过程正式开始。

第二步是“捕获”。当“神舟八号”主动对接机构上的对接环,接到失衡传感器发出对接指令信号后,6根滚珠丝杆就会向外推出200多毫米,对接环上安装的3对捕获锁,撞到“天宫一号”被动对接机构相对应的卡板器,就会被牢牢卡住。

第三步是“缓冲”。“神舟八号”对接环受到撞击后,将会通过一套传动机构,联向对接机构上的摩擦自动器和电磁阻尼器,分别吸收纵向和横向的撞击能量,进行缓冲。碰撞、捕获、缓冲三个步骤共需要大约60秒时间。

第四步是“校正”。当“神舟八号”成功捕获“天宫一号”并实施缓冲后,“神舟八号”对接环的6根滚珠丝杆继续往外推至300毫米,同时对两个航天器的姿态、位置和偏差等进行强行校准,校准时间约需80秒。

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从天宫一号舱外拍到的对接前最后一刻的画面,神舟八号的对接装置清晰可见

第五步是“拉近”。校准后,“神舟八号”对接环的6根滚珠丝杆缓缓收缩,将两个飞行器“拉近”,这一过程约需240秒。

第六步是“拉紧”。“神舟八号”和“天宫一号”的对接面上,分别安装了6组共12把对接锁,每把对接锁的拉力达3吨。当两个飞行器被拉近后,两个对接面的12把对接锁一一相扣。

第七步是“密封”。两个飞行器拉紧后,对接机构上的驱动电机将带动钢丝绳系统,将两个连接器面上的密封圈压缩,保持密封。

第八步是对接机构完成捕获。神舟八号飞船发动机关机,处于停靠状态,组合体的飞行控制权交由天宫一号目标飞行器负责。

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神舟八号和天宫一号对接锁紧完成,两个航天器合为一体

仍需努力

现在,请再次回放神舟八号和天宫一号交会对接的视频,知道所以然之后,感受是不是不一样了呢?不过,到目前为止,交会对接实验还不能算是大功告成,还有另一个重要过程需要试验,那就是航天器组合体的顺利分离。

组合体飞行12天后,将择机进行第二次交会对接试验,主要过程就是:对接机构解锁,两飞行器分离,神舟八号飞船撤离至相距天宫一号目标飞行器140米处停泊,按程序进行第二次交会对接,再次构成组合体。

组合体继续飞行两天后,进入分离撤离段,两飞行器再次分离,神舟八号飞船撤离至距目标飞行器5千米以外的安全距离。直到那时,第一阶段的交会对接试验才能算是圆满完成。随后,神舟八号返回舱将返回地球,天宫一号则会继续在太空轨道上停留。

如果一切顺利,神舟九号和十号飞船将于明年发射升空,航天员将搭乘飞船,实现载人空间交会对接,并真正打开舱门,进入天宫一号。所以,还有更多精彩,请继续期待吧!


阅读更多:

神舟八号如何与天宫一号亲密接触

空间站往事

The End

发布于2011-11-03, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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