“太空之吻”背后的“支撑点”——空间交会对接技术解读

来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/27 16:55:39
“太空之吻”背后的“支撑点”
——空间交会对接技术解读

http://www.stdaily.com 2013年06月14日 来源： 中国科技网 作者： 付毅飞

6月13日，聂海胜、张晓光、王亚平以漂浮姿态进入天宫一号。新华社记者 刘潺摄  
    [关注“天神再度对接”]
    6月13日13时18分，天宫一号目标飞行器与神舟十号飞船成功实现自动交会对接。这是我国第5次成功实现空间交会对接。
    中国载人航天工程总设计师周建平曾介绍说，我国载人航天工程交会对接任务包括工程八大系统：航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统和空间实验室系统。交会对接任务的完成，需要八大系统密切配合和协同，是一个复杂的系统工程。
    “要实现两个航天器在空间的交会对接，对各大系统都提出了更高要求。”周建平说，例如运载火箭要满足升交点赤径、轨道倾角、轨道高度和周期等严苛的入轨精度要求；载人飞船和目标飞行器要具有适应空间严酷环境的高精度相对测量能力以及自动和人控交会对接能力；发射场系统要确保“零窗口”发射；测控通信系统要具备对两个航天器同时测控的能力并完成远距离阶段的交会导引等。
    因此，“天神”完美展现“太空之吻”的背后，是更为令人惊叹的技术支撑。
    自主相对测量技术决定交会对接成败
    自主相对测量技术是决定交会对接任务成败的关键之一。其相关设备需满足精度高、作用距离和视场范围大等要求，将在一定程度上决定交会对接自主程度和技术水平。
    周建平介绍，交会对接相对测量敏感器通常分为远场和近场敏感器两类。
    远场敏感器一般作用距离为几十或上百公里到百米量级，目的是测量目标飞行器相对追踪飞行器的位置和速度，用于交会对接寻的段和接近段。在我国实施的数次空间交会对接任务中，由航天科工集团公司研制的微波测量雷达从天宫、神舟相距百余公里之外便牵起了红线，作为交会对接任务的关键传感器，它精确提供了距离、速度、角度、角速度等重要信息。
    近场敏感器一般作用距离为几百米到对接，用于交会对接的近距离接近段和平移靠拢段，除了速度、距离等信息外，它还要对两个飞行器的相对姿态进行测量。在我国数次空间对接任务中，航天科工研制的高精度加速度计组合发挥了精确引导作用，力助“天神”完成“太空之吻”。
    纵观国际航天领域，美国航天飞机和俄罗斯联盟飞船的相对测量技术均在上世纪七八十年代形成。航天飞机采用了交会雷达、乘员光学瞄准镜COAS和轨迹控制敏感器TCS相结合的方案；联盟飞船则采用了Kurs微波雷达系统，技术较为成熟；欧洲ATV飞船和日本HTV飞船则采用相对GPS和交会敏感器RVS相结合的方案，具有测量精度高、设备种类少、重量轻等优点。
    自控、手动对接技术同时掌握提高成功率
    实施空间交会对接的另一关键问题，是在综合考虑燃料、效能和安全性的条件下，设计稳定、可靠、容差容错能力强、自主功能强、优化高效的控制方法。这就关系到制导导航和控制技术。
    载人航天交会对接的控制手段包括自动控制与人工控制，周建平表示，这两者均需具备。
    记者了解到，美国和前苏联分别采用了人控为主和自控为主的对接控制方案。一般来说，自动交会控制方式可以适用于载人和不载人航天器，且更加精确，还可以避免交会对接给航天员带来过重操作负担，以及规避人员操作失误的风险。但自动系统比较复杂，要保证设备可靠性难度较大。而人工控制系统相对而言则要简单得多，可以作为自动控制的备份手段。如果出现故障，航天员可以从监视状态迅速介入交会操作，提高任务的成功率。
    目前，我国已成功实施五次空间交会对接，其中包括四次自动对接和一次手控对接。“神十”任务期间，航天员还将继续验证手控交会对接技术。
    对接机构是我国自主研制最复杂的空间机电设备
    对接机构是实现两个航天器捕获和刚性密封连接的关键设备之一，具有捕获、锁紧、密封、分离等功能。
    “这是一套十分复杂、精细的机电设备。”周建平介绍说，例如“锥—杆”和“周边”式对接机构，均由主、被动两部分组成。被动的一端安装在目标飞行器上，主动的一端则安装在追踪飞行器上，两飞行器进入对接走廊后利用其相对接近速度实现捕获，然后由对接机构完成锁紧等操作。对接完成后，对接机构处的舱门开启，形成追踪和目标飞行器间供人员和货物通行的通道。此外，对接机构上还配置了气、液、电对接接口，能够为目标飞行器补给推进剂和气体，并实现供电和信息并网。
    中国航天科技集团公司副总经理袁洁曾在“神九”任务完成后表示，神舟飞船上配置的异体同构对接机构，有上千个轴承，是我国自主研制的最为复杂的空间机电设备。由于该设备技术难度大，过去只有俄罗斯具备研制能力，而我国经过10多年技术攻关，完全掌握了对接机构技术，表明我国已具备空间复杂机构的设计生成和试验能力。
    除对接机构外还有一种对接途径，是利用机械臂完成捕获并送到指定对接口完成对接锁定操作。2009年9月，日本研制的无人货运飞船HTV便是飞达距国际空间站几米处，由国际空间站的机械臂捕获后与日本实验舱完成对接。这也是国际空间站首次采用这种方式与来访航天器对接。
    交会对接对地面测控能力提出更高要求
    交会对接飞行中，地面要同时对两个飞行器进行测控，并在两三天内完成对追踪飞行器的多次精确轨道控制和预报。周建平表示，由于每次机动前的测控弧段相对更短，精度和实时性要求更高，这都对地面测控提出了更高要求。
    目前，我国载人航天工程地面测控系统包括北京航天飞行控制中心、东风发射指挥控制中心、西安卫星测控中心，东风测控站、发射首区各光学站、山西太原站、陕西渭南站、福建厦门站、山东青岛站、新疆喀什站、和田站、卡拉奇站、纳米比亚和马林迪站等境内外测控站，以及位于三大洋的“远望”系列测量船等。
    同时，交会对接过程中还需要地面飞控中心对交会对接的关键事件进行监视，并实现距离、高度、轴线差别、相对速度等数据的实时传输，这对测控通信系统提出了很高要求。中国电科测控通信专家陈建民此前向科技日报介绍，测控通信系统的功能是控制飞船的运行，测量飞船在整个过程中的轨道运行参数，并保障飞船与地面指控中心之间各种数据、指挥调度、天地通信话音和视频等信息的顺利传输，实现天与地、指挥中心与各个站点之间的有效连接和协同控制。
    然而，完全依靠陆海基测控网难以全面满足测控覆盖率和可靠性要求，中继卫星的高覆盖能力则能更好地解决这一问题。我国分别于2008年4月25日和2011年7月11日发射了两颗中继卫星——天链一号01、02星，进一步提高中国载人航天飞行任务的测控覆盖率，为“神八”、“神九”任务提供了有力的通信保障。2012年7月25日，天链一号03星发射升空，完成了我国中继卫星系统的三星组网，能够实现对200公里以上、2000公里以下的空间全轨道覆盖，覆盖率近100%。这进一步增强了空间交会对接任务实施的安全性和可靠性，为实施载人航天工程、开展空间科学实验等提供稳妥高效的天基测控通信保障。
    地面试验和仿真是交会对接前的必备程序
    交会对接飞行试验前，必须完成一项重要研制程序，就是依靠充分的地面试验和仿真，验证设计的正确性。试验和仿真中要求尽量模拟飞行环境条件、边界条件和极限条件，保证试验和仿真方法的正确性。
    各国在发展交会对接技术时，都十分重视仿真技术的应用。航天飞机与和平号空间站的交会对接任务实施前，航天员在地面进行了超过500小时的地面仿真操作培训。欧洲建立了操作仿真器EPOS，日本也建立了交会对接操作测试系统RDOTS，这些仿真系统都为交会对接技术的发展提供了有力支持。
    我国在载人航天交会对接任务研制过程中，由哈尔滨工业大学等单位研制了9自由度半实物控制仿真系统、6自由度对接动力学半实物仿真系统等一大批可以模拟空间环境和运动的试验设备。同时还提出了工程大系统仿真的概念，并构建了实用的仿真系统，其目的是按交会对接任务飞行时序关系，用仿真系统将工程各大系统联系在一起，飞行控制人员作为仿真系统的有机构成部分直接参与其中，对正常和故障飞行状态进行全面仿真试验，综合检验各大系统飞行程序的正确性、正常和故障情况下飞控策略的实施能力以及各系统间接口的协调性。 （科技日报北京6月13日电 本报记者 付毅飞）  
    《科技日报》（2013-6-14 一版）

“太空之吻”背后的“支撑点”
——空间交会对接技术解读

http://www.stdaily.com 2013年06月14日 来源： 中国科技网 作者： 付毅飞
6月13日，聂海胜、张晓光、王亚平以漂浮姿态进入天宫一号。新华社记者 刘潺摄      [关注“天神再度对接”]    6月13日13时18分，天宫一号目标飞行器与神舟十号飞船成功实现自动交会对接。这是我国第5次成功实现空间交会对接。    中国载人航天工程总设计师周建平曾介绍说，我国载人航天工程交会对接任务包括工程八大系统：航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统和空间实验室系统。交会对接任务的完成，需要八大系统密切配合和协同，是一个复杂的系统工程。    “要实现两个航天器在空间的交会对接，对各大系统都提出了更高要求。”周建平说，例如运载火箭要满足升交点赤径、轨道倾角、轨道高度和周期等严苛的入轨精度要求；载人飞船和目标飞行器要具有适应空间严酷环境的高精度相对测量能力以及自动和人控交会对接能力；发射场系统要确保“零窗口”发射；测控通信系统要具备对两个航天器同时测控的能力并完成远距离阶段的交会导引等。    因此，“天神”完美展现“太空之吻”的背后，是更为令人惊叹的技术支撑。    自主相对测量技术决定交会对接成败    自主相对测量技术是决定交会对接任务成败的关键之一。其相关设备需满足精度高、作用距离和视场范围大等要求，将在一定程度上决定交会对接自主程度和技术水平。    周建平介绍，交会对接相对测量敏感器通常分为远场和近场敏感器两类。    远场敏感器一般作用距离为几十或上百公里到百米量级，目的是测量目标飞行器相对追踪飞行器的位置和速度，用于交会对接寻的段和接近段。在我国实施的数次空间交会对接任务中，由航天科工集团公司研制的微波测量雷达从天宫、神舟相距百余公里之外便牵起了红线，作为交会对接任务的关键传感器，它精确提供了距离、速度、角度、角速度等重要信息。    近场敏感器一般作用距离为几百米到对接，用于交会对接的近距离接近段和平移靠拢段，除了速度、距离等信息外，它还要对两个飞行器的相对姿态进行测量。在我国数次空间对接任务中，航天科工研制的高精度加速度计组合发挥了精确引导作用，力助“天神”完成“太空之吻”。    纵观国际航天领域，美国航天飞机和俄罗斯联盟飞船的相对测量技术均在上世纪七八十年代形成。航天飞机采用了交会雷达、乘员光学瞄准镜COAS和轨迹控制敏感器TCS相结合的方案；联盟飞船则采用了Kurs微波雷达系统，技术较为成熟；欧洲ATV飞船和日本HTV飞船则采用相对GPS和交会敏感器RVS相结合的方案，具有测量精度高、设备种类少、重量轻等优点。    自控、手动对接技术同时掌握提高成功率    实施空间交会对接的另一关键问题，是在综合考虑燃料、效能和安全性的条件下，设计稳定、可靠、容差容错能力强、自主功能强、优化高效的控制方法。这就关系到制导导航和控制技术。    载人航天交会对接的控制手段包括自动控制与人工控制，周建平表示，这两者均需具备。    记者了解到，美国和前苏联分别采用了人控为主和自控为主的对接控制方案。一般来说，自动交会控制方式可以适用于载人和不载人航天器，且更加精确，还可以避免交会对接给航天员带来过重操作负担，以及规避人员操作失误的风险。但自动系统比较复杂，要保证设备可靠性难度较大。而人工控制系统相对而言则要简单得多，可以作为自动控制的备份手段。如果出现故障，航天员可以从监视状态迅速介入交会操作，提高任务的成功率。    目前，我国已成功实施五次空间交会对接，其中包括四次自动对接和一次手控对接。“神十”任务期间，航天员还将继续验证手控交会对接技术。    对接机构是我国自主研制最复杂的空间机电设备    对接机构是实现两个航天器捕获和刚性密封连接的关键设备之一，具有捕获、锁紧、密封、分离等功能。    “这是一套十分复杂、精细的机电设备。”周建平介绍说，例如“锥—杆”和“周边”式对接机构，均由主、被动两部分组成。被动的一端安装在目标飞行器上，主动的一端则安装在追踪飞行器上，两飞行器进入对接走廊后利用其相对接近速度实现捕获，然后由对接机构完成锁紧等操作。对接完成后，对接机构处的舱门开启，形成追踪和目标飞行器间供人员和货物通行的通道。此外，对接机构上还配置了气、液、电对接接口，能够为目标飞行器补给推进剂和气体，并实现供电和信息并网。    中国航天科技集团公司副总经理袁洁曾在“神九”任务完成后表示，神舟飞船上配置的异体同构对接机构，有上千个轴承，是我国自主研制的最为复杂的空间机电设备。由于该设备技术难度大，过去只有俄罗斯具备研制能力，而我国经过10多年技术攻关，完全掌握了对接机构技术，表明我国已具备空间复杂机构的设计生成和试验能力。    除对接机构外还有一种对接途径，是利用机械臂完成捕获并送到指定对接口完成对接锁定操作。2009年9月，日本研制的无人货运飞船HTV便是飞达距国际空间站几米处，由国际空间站的机械臂捕获后与日本实验舱完成对接。这也是国际空间站首次采用这种方式与来访航天器对接。    交会对接对地面测控能力提出更高要求    交会对接飞行中，地面要同时对两个飞行器进行测控，并在两三天内完成对追踪飞行器的多次精确轨道控制和预报。周建平表示，由于每次机动前的测控弧段相对更短，精度和实时性要求更高，这都对地面测控提出了更高要求。    目前，我国载人航天工程地面测控系统包括北京航天飞行控制中心、东风发射指挥控制中心、西安卫星测控中心，东风测控站、发射首区各光学站、山西太原站、陕西渭南站、福建厦门站、山东青岛站、新疆喀什站、和田站、卡拉奇站、纳米比亚和马林迪站等境内外测控站，以及位于三大洋的“远望”系列测量船等。    同时，交会对接过程中还需要地面飞控中心对交会对接的关键事件进行监视，并实现距离、高度、轴线差别、相对速度等数据的实时传输，这对测控通信系统提出了很高要求。中国电科测控通信专家陈建民此前向科技日报介绍，测控通信系统的功能是控制飞船的运行，测量飞船在整个过程中的轨道运行参数，并保障飞船与地面指控中心之间各种数据、指挥调度、天地通信话音和视频等信息的顺利传输，实现天与地、指挥中心与各个站点之间的有效连接和协同控制。    然而，完全依靠陆海基测控网难以全面满足测控覆盖率和可靠性要求，中继卫星的高覆盖能力则能更好地解决这一问题。我国分别于2008年4月25日和2011年7月11日发射了两颗中继卫星——天链一号01、02星，进一步提高中国载人航天飞行任务的测控覆盖率，为“神八”、“神九”任务提供了有力的通信保障。2012年7月25日，天链一号03星发射升空，完成了我国中继卫星系统的三星组网，能够实现对200公里以上、2000公里以下的空间全轨道覆盖，覆盖率近100%。这进一步增强了空间交会对接任务实施的安全性和可靠性，为实施载人航天工程、开展空间科学实验等提供稳妥高效的天基测控通信保障。    地面试验和仿真是交会对接前的必备程序    交会对接飞行试验前，必须完成一项重要研制程序，就是依靠充分的地面试验和仿真，验证设计的正确性。试验和仿真中要求尽量模拟飞行环境条件、边界条件和极限条件，保证试验和仿真方法的正确性。    各国在发展交会对接技术时，都十分重视仿真技术的应用。航天飞机与和平号空间站的交会对接任务实施前，航天员在地面进行了超过500小时的地面仿真操作培训。欧洲建立了操作仿真器EPOS，日本也建立了交会对接操作测试系统RDOTS，这些仿真系统都为交会对接技术的发展提供了有力支持。    我国在载人航天交会对接任务研制过程中，由哈尔滨工业大学等单位研制了9自由度半实物控制仿真系统、6自由度对接动力学半实物仿真系统等一大批可以模拟空间环境和运动的试验设备。同时还提出了工程大系统仿真的概念，并构建了实用的仿真系统，其目的是按交会对接任务飞行时序关系，用仿真系统将工程各大系统联系在一起，飞行控制人员作为仿真系统的有机构成部分直接参与其中，对正常和故障飞行状态进行全面仿真试验，综合检验各大系统飞行程序的正确性、正常和故障情况下飞控策略的实施能力以及各系统间接口的协调性。 （科技日报北京6月13日电 本报记者 付毅飞）      《科技日报》（2013-6-14 一版）
载入航天不是随便那个国家玩得起的
直接意义是：轨道非自主交会对接技术

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