從8個(gè)“首次”解碼“神十三”（筑夢(mèng)“太空之家”——中國(guó)空間站建設(shè)記？）
中國(guó)空間站機(jī)械臂對(duì)天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)行在軌轉(zhuǎn)位示意圖。
虎年春節(jié)到來之際，“神十三”飛行乘組在中國(guó)空間站天和核心艙通過中央電視臺(tái)向全球中華兒女拜年。
“神十三”飛行乘組在開展在軌遙操作對(duì)接試驗(yàn)。
近日，世界科技領(lǐng)域最熱門的話題莫過于中國(guó)神舟十三號(hào)飛行乘組從太空歸來，國(guó)際主流媒體紛紛關(guān)注，形成了報(bào)道熱潮。
英國(guó)路透社網(wǎng)站刊文介紹說，“神十三”載人飛行是中國(guó)迄今為止在軌駐留時(shí)間最長(zhǎng)的一次太空任務(wù)，該文還結(jié)合中國(guó)已成功實(shí)施的首次火星探測(cè)任務(wù)和實(shí)現(xiàn)人類首次登陸月球背面壯舉，指出中國(guó)正在向2030年躋身世界航天強(qiáng)國(guó)行列的宏偉目標(biāo)挺進(jìn)。美國(guó)《外交學(xué)者》雜志網(wǎng)站的報(bào)道揭示了“神十三”任務(wù)的性質(zhì)是“中國(guó)空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段的最后一次飛行任務(wù)”，其圓滿成功標(biāo)志著“中國(guó)空間站建設(shè)將進(jìn)入新階段”。美國(guó)太空網(wǎng)深入報(bào)道了“神十三”航天員乘組開展的出艙、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和太空授課等活動(dòng)，認(rèn)為此次任務(wù)的成功為后續(xù)建造空間站奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
奮斗創(chuàng)造輝煌，堅(jiān)持創(chuàng)造卓越，被國(guó)際媒體持續(xù)熱議的“神十三”實(shí)現(xiàn)了中國(guó)航天的一個(gè)又一個(gè)“首次”，成為中國(guó)載人航天工程實(shí)施30年、大踏步邁向中國(guó)空間站時(shí)代的一座豐碑。
①首次執(zhí)行應(yīng)急救援發(fā)射待命任務(wù)
對(duì)于公眾來說，“神十三”成為關(guān)注的焦點(diǎn)始于2021年10月16日成功發(fā)射進(jìn)入太空，然而，其使命早在2021年6月“神十二”發(fā)射之時(shí)就已開始，只不過她彼時(shí)的角色是應(yīng)急救援的備份載人飛船，與長(zhǎng)二F遙十三火箭攜手隨時(shí)做好執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)的準(zhǔn)備。
為了應(yīng)對(duì)載人航天活動(dòng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，確保完成載人飛行任務(wù)并保障航天員生命安全，中國(guó)空間站任務(wù)階段首次建立了應(yīng)急救援任務(wù)模式，采用“滾動(dòng)待命”策略，即在前一發(fā)載人飛船發(fā)射時(shí)，后一發(fā)載人飛船和運(yùn)載火箭在發(fā)射場(chǎng)待命，通過在軌停靠飛船和發(fā)射場(chǎng)待命飛船共同確保在軌航天員安全。為此，“神十三”與“神十二”同時(shí)出廠，同時(shí)在發(fā)射場(chǎng)完成總裝、測(cè)試等工作。與此相應(yīng)，長(zhǎng)二F火箭采取“發(fā)射1發(fā)、備份1發(fā)”的“滾動(dòng)備份”發(fā)射模式，兩發(fā)火箭同時(shí)進(jìn)場(chǎng)，相繼完成總裝測(cè)試，流程上交叉，型號(hào)隊(duì)伍并行作業(yè)。
經(jīng)過緊張有序的準(zhǔn)備工作，在“神十二”載人飛船執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，“神十三”載人飛船和長(zhǎng)二F遙十三火箭均已處在待命狀態(tài)。一旦需要開展緊急救援，可以啟動(dòng)相關(guān)程序，“船”“箭”合璧，短時(shí)間內(nèi)即可發(fā)射入軌，開展太空救援。
②首次開展飛船徑向?qū)訉?shí)戰(zhàn)
順利發(fā)射升空后，“神十三”首要的任務(wù)就是完成與空間站天和核心艙空間交會(huì)對(duì)接，形成組合體。空間交會(huì)對(duì)接被形象地稱作“太空穿針引線”，是兩個(gè)航天器在空間軌道上會(huì)合并在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體的技術(shù)。2011年11月，神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器成功進(jìn)行了中國(guó)航天史上首次空間交會(huì)對(duì)接。此后，該項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)多次航天任務(wù)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證和拓展，“神十三”與天和核心艙實(shí)施的飛船首次徑向交會(huì)對(duì)接就是其中重要拓展成果之一。
“神十三”采用的徑向?qū)雍椭捌渌w船采用的后向?qū)印⑶跋驅(qū)硬煌湟c天和核心艙保持90度夾角，從天和下方來接近并實(shí)現(xiàn)對(duì)接。要成功做到這一點(diǎn)，必須解決好徑向?qū)訒r(shí)兩個(gè)航天器運(yùn)行軌道高度差帶來的速度控制、姿態(tài)控制等諸多難題。“神十三”經(jīng)受住了考驗(yàn)，在制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)指揮下，歷時(shí)6.5小時(shí)，智能自主完成了此次徑向?qū)尤蝿?wù)。這一成功在一定程度上要?dú)w功于“神十二”進(jìn)行的徑向?qū)釉囼?yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)。2021年9月16日，即將結(jié)束飛行任務(wù)的“神十二”成功繞飛空間站組合體并與之進(jìn)行了徑向交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。
③首次進(jìn)行在軌遙操作對(duì)接試驗(yàn)
“神十三”飛行乘組除了開展飛船徑向?qū)訉?shí)戰(zhàn)之外，還首次進(jìn)行了在軌遙操作對(duì)接試驗(yàn)并取得圓滿成功，為確保天舟貨運(yùn)飛船穩(wěn)穩(wěn)停靠“天宮”提供了備份對(duì)接手段，為中國(guó)空間站的在軌建造和運(yùn)營(yíng)上了一道“安全鎖”。
手控遙操作是由航天員在軌利用手動(dòng)技術(shù)對(duì)飛船進(jìn)行遙控操作，控制貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，是專門為貨運(yùn)飛船這類無人來訪飛行器配備的功能，此操作與神舟載人飛船的手控交會(huì)對(duì)接有一些類似的地方。航天員在空間站核心艙里，通過遠(yuǎn)程的方式“駕駛”貨運(yùn)飛船與空間站對(duì)接。在此過程中，航天員仿佛坐在貨運(yùn)飛船里，用第一視角“看向”空間站，憑借面前的儀表系統(tǒng)，通過操作手柄等完成與空間站的對(duì)接。
今年1月8日，“神十三”飛行乘組在核心艙發(fā)出控制指令，讓天舟二號(hào)先與核心艙分離，然后航天員手動(dòng)控制貨運(yùn)飛船的位置和姿態(tài)，撤到前向的一定距離。他們?cè)诘孛婵萍既藛T的密切協(xié)同下，在空間站核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，驗(yàn)證了空間站與來訪飛行器手控遙操作系統(tǒng)的功能、性能以及天地間協(xié)同工作程序的合理性。
④首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)女航天員出艙
走出航天器，漫步太空，開展艙外作業(yè)是空間站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的必備能力之一。通過“神十三”任務(wù)，中國(guó)載人航天繼續(xù)在出艙和艙外作業(yè)能力方面取得新的突破，其中包括圓滿完成了首位女性航天員出艙和艙外作業(yè)任務(wù)。
2021年11月7日晚，“神十三”乘組成員王亞平身著新一代“飛天”艙外航天服，緊隨指令長(zhǎng)翟志剛從“天和”節(jié)點(diǎn)艙成功出艙，由此成為中國(guó)首位進(jìn)行出艙活動(dòng)的女航天員，邁出了中國(guó)女性艙外太空行走第一步。之后，王亞平與翟志剛按照操作規(guī)程，根據(jù)地面指揮中心的指令，在艙內(nèi)航天員葉光富配合支持下，開展了機(jī)械臂懸掛裝置與轉(zhuǎn)接件安裝、艙外典型動(dòng)作測(cè)試等作業(yè)。
由于太空微重力環(huán)境下，艙外行走在很大程度上靠上肢在航天器外部攀爬來實(shí)現(xiàn)，艙外作業(yè)更是要憑借上肢來完成，在身著艙外航天服的情況下，航天員上肢力量和耐力經(jīng)受很大考驗(yàn)。王亞平此次出艙和艙外作業(yè)的亮眼表現(xiàn)證明，在浩瀚太空里，中國(guó)女航天員同樣能撐起“半邊天”。
⑤機(jī)械臂首次在軌轉(zhuǎn)位大型航天器
2022年1月6日凌晨，中國(guó)空間站機(jī)械臂成功捕獲天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船。6時(shí)12分轉(zhuǎn)位試驗(yàn)開始，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與天和核心艙解鎖分離后，在機(jī)械臂拖動(dòng)下以核心艙節(jié)點(diǎn)艙球心為圓心進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位；之后，反向操作，直至天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與核心艙重新對(duì)接并完成鎖緊。
經(jīng)過約47分鐘的跨系統(tǒng)密切協(xié)同，空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船試驗(yàn)取得圓滿成功，這是我國(guó)首次利用空間站機(jī)械臂操作大型在軌飛行器進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗(yàn)。為了保障此次轉(zhuǎn)位試驗(yàn)取得成功，相關(guān)專家和技術(shù)團(tuán)隊(duì)在地面進(jìn)行了大量的仿真模擬，這次試驗(yàn)是對(duì)地面仿真系統(tǒng)的一次成功驗(yàn)證。
此次試驗(yàn)的成功初步檢驗(yàn)了利用機(jī)械臂操作空間站艙段轉(zhuǎn)位的可行性和有效性，驗(yàn)證了空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)和機(jī)械臂大負(fù)載操控技術(shù)，也獲取了在軌失重環(huán)境下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)，為今后機(jī)械臂轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙、艙外大型載荷照料等任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為空間站的后續(xù)建造與運(yùn)營(yíng)提供了一大保障。
⑥首次實(shí)現(xiàn)在軌駐留時(shí)間達(dá)到半年
相對(duì)于在空間技術(shù)上創(chuàng)下諸多“首次”而言，“神十三”乘組創(chuàng)下的中國(guó)航天員在軌183天的時(shí)間長(zhǎng)度紀(jì)錄是很多人印象最為深刻的，一些媒體用“去時(shí)黃葉飛，歸來春滿園”來描述“神十三”乘組本次太空之旅。
隨著中國(guó)航天員乘組入駐“天宮”，太空中迎來了“北京時(shí)間”和以此為時(shí)間坐標(biāo)的中華文化節(jié)日和重大國(guó)際盛會(huì)，于是，人們看到“神十三”乘組歡度了中國(guó)人的第一個(gè)“太空春節(jié)”“太空元宵節(jié)”。虎年新春佳節(jié)，他們手持“福”“春”和“中國(guó)結(jié)”，向全國(guó)人民和全球華僑華人送上新春祝福。他們通過“天地連線”現(xiàn)身央視元宵節(jié)晚會(huì)，航天員王亞平以一曲太空《茉莉花》撥動(dòng)億萬國(guó)人的心弦，航天員翟志剛和葉光富分別以“白云蓬蓬生足下”“懷抱寰宇懸浮立”為燈謎的謎面，指向同一個(gè)謎底“中國(guó)空間站”。北京冬奧會(huì)開幕前夕，九天之上的航天員乘組心系北京冬奧會(huì)，在空間站核心艙展示微重力環(huán)境下懸浮空中的奧運(yùn)五環(huán)標(biāo)志，喜迎北京冬奧會(huì)并為全球冬奧健兒加油、祝福。
從無人到載人，從單人20多小時(shí)到兩人4天多，從多人13天、多人15天到兩人1個(gè)月，從多人3個(gè)月到多人183天，中國(guó)航天員單次飛行任務(wù)太空駐留時(shí)間紀(jì)錄不斷刷新，空間再生生保系統(tǒng)性能持續(xù)優(yōu)化提升，為航天員長(zhǎng)時(shí)間駐留空間站提供了可靠保障。
⑦首次快速返回壓縮歸途時(shí)間
從“天宮”回到“家”需要多長(zhǎng)時(shí)間？“神十三”給出的最新答案是約9個(gè)小時(shí)，這是中國(guó)神舟載人飛船返回艙脫離天和核心艙回歸地面的最短時(shí)間紀(jì)錄。
與之前的神舟載人飛船比如“神十二”相比，“神十三”在返回技術(shù)原理上是相同的，都是通過飛船再入大氣層和降落傘減速后著陸。具體來說，其返回的過程是，返回艙和推進(jìn)艙組合體從“天和”分離后開始踏上歸途，之后返回艙在推進(jìn)艙的助推下重返大氣層，進(jìn)而在預(yù)定區(qū)域內(nèi)著陸。與“神十二”回歸不同的是，“神十三”將以前需要在繞地飛行10多圈內(nèi)完成的飛行事件壓縮到5圈完成，由此大幅減少返回時(shí)間，進(jìn)一步提升了航天員返回體驗(yàn)及任務(wù)實(shí)施效率。
快速返回模式對(duì)地面飛行控制工作和著陸場(chǎng)搜救力量提出了更高要求，據(jù)了解，為適應(yīng)這種模式，有關(guān)方面新增了中繼衛(wèi)星和地面雷達(dá)投入此項(xiàng)任務(wù)，提高了測(cè)控可靠性。
⑧首次啟用無人車參與飛船回收
安全著陸后，最重要的是做到“艙落機(jī)臨”，搜救隊(duì)員可以第一時(shí)間確認(rèn)返回艙位置以及航天員乘組的狀態(tài)。據(jù)中國(guó)軍視網(wǎng)報(bào)道，在“神十三”返回艙搜救中，國(guó)防科技大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)的無人搜救車閃亮登場(chǎng)，這是我國(guó)首次利用無人車參與飛船回收。
飛船返回時(shí)由于受風(fēng)力等不確定性因素影響，實(shí)際落點(diǎn)會(huì)與理論瞄準(zhǔn)點(diǎn)有一定的偏差。因此從安全角度考慮，理論瞄準(zhǔn)點(diǎn)附近一定區(qū)域內(nèi)不允許人員和大型裝備進(jìn)入，這就影響了搜救的時(shí)效性和觀測(cè)的精準(zhǔn)性。針對(duì)此問題，國(guó)防科技大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)出自主能動(dòng)性強(qiáng)的無人車，參與了“神十三”返回艙搜救實(shí)戰(zhàn)并表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。
據(jù)了解，該無人車的“駕駛員”由傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所構(gòu)成。通過對(duì)環(huán)境進(jìn)行觀察、對(duì)車輛周圍的物體進(jìn)行識(shí)別、理解，形成一條期望的虛擬路徑，并根據(jù)車輛所感知的信息，實(shí)時(shí)變換前進(jìn)方向以及加減速，實(shí)現(xiàn)車輛的靈活運(yùn)動(dòng)。之后，通過無線電臺(tái)，團(tuán)隊(duì)將無人車與后方的指控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，隨時(shí)對(duì)無人車的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整，做到人和機(jī)器的相互結(jié)合、精準(zhǔn)調(diào)控。
本文圖片均來自中國(guó)載人航天工程辦公室網(wǎng)站
