10月31日23時(shí)44分,烈焰劃破戈壁夜空,長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭托舉神舟二十一號(hào)載人飛船直沖云霄,將張陸、武飛、張洪章3名航天員精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道,“神舟家族”再次開啟太空接力新征程。
對(duì)接時(shí)間大幅縮短
11月1日3時(shí)22分,神舟二十一號(hào)載人飛船成功對(duì)接于空間站天和核心艙前向端口,整個(gè)對(duì)接過(guò)程歷時(shí)約3.5小時(shí),比神舟十二號(hào)至二十號(hào)的6.5小時(shí)縮短了約3個(gè)小時(shí),創(chuàng)造了神舟飛船與空間站交會(huì)對(duì)接的最快紀(jì)錄。
這一重大跨越是如何實(shí)現(xiàn)的?中國(guó)航天科技集團(tuán)李喆介紹,此次交會(huì)對(duì)接總時(shí)間大幅縮短的技術(shù)關(guān)鍵主要體現(xiàn)在3個(gè)層面:首先,通過(guò)更精確的發(fā)射和入軌控制,使飛船繞飛更少的圈數(shù)、進(jìn)行更少的軌道調(diào)整就能與空間站準(zhǔn)時(shí)相會(huì);其次,縮短近程導(dǎo)引段的初始距離,讓飛船在更近的“起跑線”開始其最終的精準(zhǔn)機(jī)動(dòng),壓縮最后一程的耗時(shí);再次,研制團(tuán)隊(duì)還對(duì)遠(yuǎn)程導(dǎo)引末段和近程導(dǎo)引初段的飛行軌跡進(jìn)行了統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計(jì),增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和適應(yīng)性。
此次快速交會(huì)對(duì)接的成功,其意義遠(yuǎn)不止縮短了航天員在艙內(nèi)的等待時(shí)間,更深層次的價(jià)值在于極大增強(qiáng)了我國(guó)空間站任務(wù)規(guī)劃的靈活性和應(yīng)急響應(yīng)能力:一方面,可降低發(fā)射窗口約束,放寬了能源對(duì)發(fā)射窗口的要求,為任務(wù)規(guī)劃提供更大靈活性;另一方面,可提高和時(shí)間強(qiáng)相關(guān)類重大故障情況下執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)的能力,確保任務(wù)實(shí)施和航天員安全。
安全性能穩(wěn)步提升
作為我國(guó)現(xiàn)役唯一一型載人運(yùn)載火箭,長(zhǎng)二F火箭始終與航天員的生命安全緊密相連。本次的快速交會(huì)對(duì)接,對(duì)飛船入軌精度提出了更高要求,任何微小的偏差都可能導(dǎo)致對(duì)接任務(wù)時(shí)間延長(zhǎng)甚至失敗。
據(jù)介紹,此次長(zhǎng)二F火箭實(shí)施了近20項(xiàng)技術(shù)改進(jìn),進(jìn)一步提升了全箭的可靠性和安全性。其中,控制系統(tǒng)采用了經(jīng)過(guò)多型現(xiàn)役運(yùn)載火箭飛行驗(yàn)證的產(chǎn)品化雙十表光學(xué)慣組,使火箭的感知系統(tǒng)更為敏銳,決策系統(tǒng)更為精準(zhǔn),確保飛船飛得又準(zhǔn)又穩(wěn)。
火箭的飛行過(guò)程充滿了不確定性,必須做好萬(wàn)全準(zhǔn)備。長(zhǎng)二F火箭標(biāo)志性的、形似避雷針的逃逸塔,是其區(qū)別于“長(zhǎng)征家族”其他成員最顯著的外觀特征。整個(gè)逃逸救生系統(tǒng)由大小10臺(tái)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組成,在從起飛前30分鐘到起飛后200秒的關(guān)鍵階段中,一旦火箭檢測(cè)到威脅航天員生命的重大故障,逃逸系統(tǒng)將在指令下達(dá)后的2秒左右瞬間啟動(dòng),將載有航天員的返回艙和軌道艙組合體從故障箭體上拖離,迅速帶到2公里至3公里以外的安全空域,隨后再通過(guò)降落傘系統(tǒng)緩緩降落。這要求逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性指標(biāo)必須無(wú)限趨近于100%。
除此之外,飛船艙體密封件、空間站密封件、航天員艙外航天服手套組件等動(dòng)靜密封件也至關(guān)重要。據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院科研人員李杰介紹,一個(gè)艙門抗靜電密封材料就有近20項(xiàng)考核指標(biāo),密封件在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生靜電吸附,產(chǎn)品成功經(jīng)受了地面8萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn),并通過(guò)低壓(真空)、高低溫、失重等環(huán)境試驗(yàn)。
各分系統(tǒng)高效配合
載人航天任務(wù)的成功,離不開多系統(tǒng)協(xié)同保障,其中能源動(dòng)力、信息通信、精準(zhǔn)對(duì)接三大系統(tǒng)最為關(guān)鍵。
能量供應(yīng)是飛船在太空中一切活動(dòng)的根基。此次快速交會(huì)對(duì)接,對(duì)電源系統(tǒng)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。電源分系統(tǒng)必須在更短時(shí)間內(nèi)完成自身狀態(tài)準(zhǔn)備,并為飛船快節(jié)奏變軌提供充足能量。
中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司八院811所承擔(dān)了神舟載人飛船電源分系統(tǒng)的研制任務(wù)。該所科研人員鐘丹華介紹,研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)應(yīng)用軟件智能“尋零和歸零”技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)翼初始位置的快速掃描與確定,從而快速建立起穩(wěn)定的能源狀態(tài)。
強(qiáng)大的測(cè)控與通信系統(tǒng)確保了飛船在太空中不迷路。這套系統(tǒng)由遍布全球的地面站、高懸于中軌道的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈”,以及安裝在飛船和空間站上的眾多通信設(shè)備共同構(gòu)成,宛如一座橫跨天地的“太空天橋”。通過(guò)這座“天橋”,地面指揮中心可以實(shí)時(shí)接收飛船發(fā)回的遙測(cè)數(shù)據(jù)、航天員的生理參數(shù)、艙內(nèi)視頻畫面以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等,同時(shí)也能向飛船發(fā)送指令,并與航天員進(jìn)行清晰流暢的語(yǔ)音和視頻通話。
當(dāng)飛船與空間站翩然共舞至“最后一厘米”時(shí),對(duì)接機(jī)構(gòu)壓軸登場(chǎng)。其核心技術(shù)在于能夠吸收、消耗兩個(gè)航天器在對(duì)接瞬間產(chǎn)生的碰撞能量,并實(shí)現(xiàn)柔順、精準(zhǔn)的捕獲與鎖緊。目前,神舟二十一號(hào)載人飛船的對(duì)接機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)化為一套“剛?cè)岵?jì)”的受控阻尼緩沖系統(tǒng),無(wú)論面對(duì)怎樣的對(duì)接初始條件,這套系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)靈活緩沖、平穩(wěn)導(dǎo)向,最終完成嚴(yán)絲合縫的剛性連接,大幅提升對(duì)接的適應(yīng)范圍、成功率和可靠性。(記者 常 理)
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