“天宫一号“与其他空间站六大不同

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导读: [img]http://img4.itiexue.net/1371/13718632.jpg[/img] 天宫一号9月27日—30日择机发射 [img]http://img5.itiexue.net/1371/13718633.jpg[/img] 天宫1号目标飞行器与神舟8号飞船交会示意图 9 月20日,天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体以每小时22米左右的速度,行进1500米,于10时09分钟到达发射架。当日,中国载人航天工程新闻发言人宣布,我国将实施载人航天工程首


“天宫一号“与其他空间站六大不同

天宫一号9月27日—30日择机发射


“天宫一号“与其他空间站六大不同

天宫1号目标飞行器与神舟8号飞船交会示意图


9 月20日,天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体以每小时22米左右的速度,行进1500米,于10时09分钟到达发射架。当日,中国载人航天工程新闻发言人宣布,我国将实施载人航天工程首次空间交会对接任务,执行任务的天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体已从酒泉卫星发射中心垂直总装测试厂房顺利转运至发射区。天宫一号将于9月27日至30日择机发射。新华社记者秦宪安摄


据报道,举世瞩目的“天宫一号” 目标飞行器目前一切准备工作就绪,将于最近发射升空。虽然具体的发射时间仍未有官方说法,但是公众一直对其保持了较高的关注度。在以往的媒体报道中,多次提到,“天宫一号”只是空间站的雏形、是试验性空间站。那么试验性空间站有哪些特点?它和其他国家的空间试验站有何不同?未来,我国的空间站如何发展?针对这些热点问题,8月23日,科技日报记者专访了我国航天专家庞之浩。


“天宫一号”是建造空间站的重要前提和技术保障


据报道,“天宫一号”并非真正的空间站,而是用于试验我国未来空间站项目所需技术的首个太空试验平台,目的是为此后我国建设空间站做准备。


回望苏、美及欧洲航天局的空间站发展历程,均为先研制试验性空间站、再建造其他空间站。庞之浩认为,研制试验性空间站是建造空间站的重要前提和技术保障。


庞之浩告诉记者,试验性空间站和其他空间站是两种既有联系又有明显区别的载人航天器,它们在任务目标、功能规模、技术指标、资金投入和研制周期等方面均有不同之处。


9 月20日7时59分,酒泉卫星发射中心垂直装配厂房的大门徐徐升起,天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体露出真容。当日,中国载人航天工程新闻发言人宣布,我国将实施载人航天工程首次空间交会对接任务,执行任务的天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体已从酒泉卫星发射中心垂直总装测试厂房顺利转运至发射区。天宫一号将于9月27日至30日择机发射。新华社记者秦宪安摄


据了解,试验性空间站是为发展其他空间站,从运输器过渡到载人航天基础设施的试验性航天器;而空间站指可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天器。


“天宫一号”在寿命、对接口等方面不同于其他空间站


结合国外试验性空间站和其他空间站的发展,庞之浩指出,两者之间主要存在六大区别。


“首先,试验性空间站在轨寿命通常低于5年,而其他空间站可达5至10年,或者更长。”他说。


其次,试验性空间站的规模较小,对接口也少,没有扩展能力。而其他空间站至少有2个对接口,能同时对接载人运输器、货物运输器或专用实验舱。


三是试验性空间站上的航天员一次在轨时间较短,一般是几十天。而其他空间站上的航天员一次在轨时间大多为百天以上。


此外,两者的区别还体现在:试验性空间站上的燃料和消耗品原则上要一次带足,其他空间站则是用货运飞船定期进行多次补给;试验性空间站上的有效载荷设备很少更换,但其他空间站可多次更换和增加实验仪器;试验性空间站上的航天员一般不进行航天器的维修工作,只进行试验、训练等,而其他空间站上的航天员要经常进行维修工作。


“简言之,试验性空间站的各方面要求均比空间站低,因而技术难点少,比较容易研制。”庞之浩说。


谈及“天宫一号”, 庞之浩表示该飞行器与国外试验性空间站在功能和用途方面有相似之处,但质量较小,约为8吨,而国外试验性空间站都为20吨级以上,因此称其为简易“空间实验室”更加合适。


9 月20日7时59分,酒泉卫星发射中心垂直装配厂房的大门徐徐升起,天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体露出真容。当日,中国载人航天工程新闻发言人宣布,我国将实施载人航天工程首次空间交会对接任务,执行任务的天宫一号目标飞行器、长征二F运载火箭组合体已从酒泉卫星发射中心垂直总装测试厂房顺利转运至发射区。天宫一号将于9月27日至30日择机发射。新华社记者秦宪安摄


据了解,试验性空间站是为发展其他空间站,从运输器过渡到载人航天基础设施的试验性航天器;而空间站指可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天器。


“天宫一号”在寿命、对接口等方面不同于其他空间站


结合国外试验性空间站和其他空间站的发展,庞之浩指出,两者之间主要存在六大区别。


“首先,试验性空间站在轨寿命通常低于5年,而其他空间站可达5至10年,或者更长。”他说。


其次,试验性空间站的规模较小,对接口也少,没有扩展能力。而其他空间站至少有2个对接口,能同时对接载人运输器、货物运输器或专用实验舱。


三是试验性空间站上的航天员一次在轨时间较短,一般是几十天。而其他空间站上的航天员一次在轨时间大多为百天以上。


此外,两者的区别还体现在:试验性空间站上的燃料和消耗品原则上要一次带足,其他空间站则是用货运飞船定期进行多次补给;试验性空间站上的有效载荷设备很少更换,但其他空间站可多次更换和增加实验仪器;试验性空间站上的航天员一般不进行航天器的维修工作,只进行试验、训练等,而其他空间站上的航天员要经常进行维修工作。


“简言之,试验性空间站的各方面要求均比空间站低,因而技术难点少,比较容易研制。”庞之浩说。


谈及“天宫一号”, 庞之浩表示该飞行器与国外试验性空间站在功能和用途方面有相似之处,但质量较小,约为8吨,而国外试验性空间站都为20吨级以上,因此称其为简易“空间实验室”更加合适。



“天宫一号“与其他空间站六大不同

美国航天飞机与“国际空间站”对接


美国人先“吃螃蟹”


回首一:上世纪六七十年代,美苏的空间技术竞赛进行得十分激烈。而在空间交会对接技术领域,是美国人先走了一步。


1966年3月16日,美国双子星座8号载人飞船与改装的“阿金纳”火箭末级实现了世界上首次手动交会对接,其中,“阿金纳”火箭末级作为追踪飞行器,双子星座8号作为目标飞行器。


在实施空间交会对接的2个航天器中,一个称目标飞行器,一般是空间站或其他的大型航天器,作为准备对接的目标,交会对接时保持稳定状态;另一个称追踪飞行器,一般是地面发射的宇宙飞船、航天飞机等,交会对接时要通过变轨来追赶目标飞行器,实现两者的交会对接。


这次交会时使用的测量设备是微波雷达、电视摄像机;对接机构为“杆-锥”式结构。


美国航天员阿姆斯特朗和斯科特乘坐双子星座8号飞船,手动操作交会过程。对接后,飞船猛烈滚动旋转,阿姆斯特朗不得不将飞船与“阿金纳”分开。但飞船仍在滚动,改用手动控制,才使飞船稳定下来。后查明是因人为扳错开关造成姿控系统故障。为确保安全,飞船紧急返回。


此后,“双子星座”飞船又成功进行了3次交会对接。



技术解析:“杆-锥”式对接机构


对接机构是把两个航天器合二为一的“纽带”,具有关节的作用。目前常用的主要有“杆-锥”式和“异体同构周边”式。


“杆-锥”式对接机构由“杆”和“锥”两部分构成,前者为主动,装在追踪飞行器上,“锥”为被动,装在目标飞行器上。对接时杆插入锥内,然后锥将杆锁定,接着拉紧两个航天器,最终锁定两个对接面完成对接。


“杆-锥”式的优点是结构简单,质量较轻。其缺点是对接机构全部安装在航天器壳体内部,对接后占据较大内部空间,其承载能力也比较低。另外,在应用中需要主、被动两种机构成对使用,不具有异体同构性,通用性差。


“天宫一号“与其他空间站六大不同

俄罗斯进步M-M货运飞船伸出对接用的杆准备对接


苏联人完成了无人对接


回首二:1967年10月30日,苏联先后发射了2艘不载人的联盟号飞船——宇宙-186、188,成功进行了世界上第一次无人航天器自动交会对接。其中宇宙 -186为追踪飞行器,宇宙-188为目标飞行器。它们采用“针”模拟测量系统和无通道的“杆-锥”式对接机构。


1967年10月27日,宇宙-186率先上天;同年10月30日,宇宙-188被发射到距宇宙-186相差24千米的轨道上。此后,先通过地面站的导引指令,使宇宙-186进行交会机动,并进行姿态调整,宇宙-188也进行姿态调整,保持与宇宙-186的相对指向。接着,这2艘飞船启动“针”模拟测量系统,即用雷达和计算机系统测量彼此之间的相对距离、相对速度、相对角速度、相对方位角,并逐渐接近。当相对距离为350米、彼此之间的相对速度降到2米/ 秒时,进入最终逼近阶段。在最终逼近阶段,宇宙-188利用姿态控制推力器保持与宇宙-186同轴,宇宙-186伸出可伸缩的对接探杆,插到宇宙-188 的接纳锥中,实现对接。


技术解析:手动控制和自动控制


航天器空间交会对接技术的实施必须由高级控制系统来完成,根据航天员及地面站的参与程度可将控制方式划分为如下四种类型:


(1)遥控操作:追踪航天器的控制不依靠航天员,全部由地面站通过遥测和遥控来实现,此时要求全球设站或者有中继卫星协助。


(2)手动操作:在地面测控站的指导下,航天员在轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断,然后动手操作。


(3)自动控制:不依靠航天员,由船载设备和地面站相结合实现交会对接。该控制方法亦要求全球设站或有中继卫星协助。


(4)自主控制:不依靠航天员与地面站,完全由船载设备自主实现交会对接。


从本质上说,上述分类可归结为人工控制方式或自动控制方式。


用手动控制来完成空间交会对接成功率高,但缺点是工作时间长,从几个小时到几天,而且劳动强度很大,此外还受空间环境条件(如光照)的严格限制等。用自动控制来完成空间交会对接不需考虑人员的安全和救生问题,但需要分布很广的地面站或中继卫星,花费巨大。


两个拟交会对接的航天器在相距较远时一般都采用自动控制,在相距较近时,美国采用手动控制,俄罗斯仍采用自动控制,只有在自动控制失败时才采用手动控制。这可能是由于其地理位置决定的,俄罗斯横跨欧亚大陆,因此可以满足自动控制中地面站数量的要求,美国则达不到这样的条件。


未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合,以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。


月球轨道上的交会对接


回首三:1969年7月,美国“阿波罗”登月舱与指令舱实现了首次月球轨道人控交会对接。


“阿波罗”登月飞船往返月球一次,需进行二次交会对接,重构航天器,以实现系统优化。第一次是指令舱在地球轨道分离后调头180度,指令舱与登月舱对接;第二次是登月舱由月球返回时与月球轨道上的指令舱对接。


在地球轨道交会对接解决了降低火箭上升段逃逸质量与人员进入登月舱通道之间的矛盾;在月球轨道交会对接实现了将指令舱与登月舱的功能区分和独立,大幅度降低了对火箭运载能力的需求。其交会测量设备采用X频段交会雷达,最终采用手动完成。其对接机构采用可移开的“杆-锥”式结构。


1969年7月至1972年12月,美国先后发射了阿波罗-11至17共7艘登月飞船,除阿波罗-13发生意外事故中止登月任务外,其余6次完全成功。这说明“阿波罗”飞船使用的交会对接技术是可靠的。


技术解析:测量设备


两个航天器要想在太空交会靠近,主要依靠航天器上测量设备,它是航天器之间进行交会靠拢的“眼睛”。


两个航天器之间为中长距离时主要使用微波雷达、激光雷达、GPS差分接收机等;两个航天器之间为短距离时主要使用光学成像敏感器和对接敏感器等。


交会对接渐成寻常事


回首四:1975年,苏联联盟-19与美国阿波罗-18载人飞船首次进行了两个不同国家航天器的交会对接,同时也实现了从两个不同发射场发射的航天器的交会对接,并首次使用了“异体同构周边”式对接机构。


1995年至1998年,美国航天飞机成功与俄罗斯和平号空间站进行9次交会对接;1998年至2011年,美国航天飞机成功与“国际空间站”进行37次交会对接,没有1次失败,这充分显示了美国航天飞机的交会对接技术十分先进和可靠。航天飞机与空间站对接时使用的机构是改进的“异体同构周边”式。


迄今为止,全世界共计进行了300多次空间交会对接活动,但只有美国和苏联/俄罗斯掌握完整的空间交会对接技术。欧洲和日本的转移飞行器在“国际空间站”的空间交会对接技术方面,分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。欧洲自动转移飞行器的对接机构由俄罗斯提供,日本H-2转移飞行器的对接机构由美国提供。二者在飞行任务中均需要美国和俄罗斯的数据中继卫星系统支持。



“天宫一号“与其他空间站六大不同

航天飞机上的“异体同构周边”式对接机构特写


技术解析:


“异体同构周边”式对接机构


“异体同构”是指追踪飞行器和目标飞行器上的对接机构采用同样结构,没有主动、被动之分;“周边式”是指机构不设置在中间,而是设置在周边。对接时,追踪飞行器上的对接机构伸出装在周边的三个板状导向器,使两个对接机构准确地接触,锁定后对接机构回缩拉紧对接面,最终锁定两个对接面完成对接。


“异体同构周边”式的优点是对接后通道畅通,对接连接环直径较大承载能力大,适宜大质量航天器间对接。其缺点是结构比较复杂,质量较大。


现有的对接系统要求有一定强度的对撞,不具有完全的异体同构性。未来的对接机构,应该是坚固的、重量轻的和弱碰撞的,这将降低航天器对接的风险。(庞之浩 作者为《国际太空》杂志执行主编)



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