浩瀚太空 “穿針引線”
——航天專家解讀天宮/神八交會對接
10月31日上午，天宮一號/神舟八號交會對接任務總指揮部在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心舉行新聞發(fā)布會，中國載人航天工程新聞發(fā)言人武平宣布，經(jīng)任務總指揮部研究決定，將瞄準11月1日5時58分發(fā)射神舟八號飛船。
神舟八號飛行主要任務是：發(fā)射神舟八號飛船，與天宮一號目標飛行器進行我國首次航天器空間交會對接試驗，突破和驗證航天器自動交會對接技術；考核改進后的神舟飛船和長征二號F運載火箭的功能和性能，以及工程各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性；驗證組合體工作模式，并開展空間科學實驗。神舟八號飛船不載人。
中國工程院院士、中國載人航天飛船原總設計師、現(xiàn)任中國航天科技集團公司五院飛船總設計師技術顧問戚發(fā)軔解釋，兩個或兩個以上的航天器通過軌道參數(shù)的協(xié)調(diào)，在同一時間到達太空同一位置的過程稱為交會；對接則是在交會的基礎上，通過專門的對接機構將兩個航天器連接成一個整體。
通俗地講，我國此次交會對接任務的實質(zhì)就是：天宮一號以8公里/秒的速度在飛，神舟八號追上去，然后兩者連接在一起，不僅嚴絲合縫，還要把液、電、氣通上。曾有專家說，這就好像上面放了一根針，底下用一根線，差了幾百公里，最后要拿那個線去穿過那個針眼，非常困難。
在此之前，美、俄兩國已掌握了這項技術，并多次進行航天器空間交會對接，其對接形式也多種多樣。但美國和蘇聯(lián)早期在實施航天器交會對接任務時，都有故障發(fā)生，造成任務失敗，甚至導致航天員傷亡。
為了完美上演“穿針引線”大戲，此次天宮一號采用了全新的測量設備，讓350公里軌道上的“神八”與天宮一號的一切“行蹤”盡在掌握。
瞄準“零窗口”發(fā)射
武平介紹，為了迎接交會對接任務，神舟八號飛船在前期飛船基礎上進行了較大改進。
“600多臺套設備中，一半以上發(fā)生了技術狀態(tài)變化。其中，新研設備約占15%。”武平說，改進主要集中在兩個方面：一是為了具備自動和手動交會對接功能，新增和改進了一些設備；二是為了提高飛船的性能及安全性、可靠性，對部分系統(tǒng)進行了改進，飛船具有了與目標飛行器對接后停靠180天的能力。
武平說，這次交會對接任務瞄準“零窗口”發(fā)射。
為了確保將飛船發(fā)射到與目標飛行器共面的軌道，神舟八號必須在天宮一號軌道面經(jīng)過發(fā)射點后的一定時間內(nèi)準時點火起飛，否則就需要消耗很多的推進劑來修正兩者之間的軌道面偏差。
“這次任務中，提前4小時才能將發(fā)射時間精確到秒。”武平說，隨著我國載人航天發(fā)射場能力的不斷提升，這種精確時刻的發(fā)射能夠?qū)崿F(xiàn)。
“兩個高速飛行的航天器在空間軌道上準確會合，精度要控制在十幾厘米之內(nèi)，其難度和風險可想而知。”武平說，空間飛行器交會對接是航天領域公認的技術難關，風險很大。
武平說，神舟八號雖然是無人飛行，但這次飛行將對未來的載人任務進行充分的技術驗證和準備。
按照工程交會對接階段的任務規(guī)劃，2012年內(nèi)將開展神舟九號、十號飛船與天宮一號的交會對接試驗，其中至少有一次是載人飛行。
“雖然此次是無人飛行，但為明年的載人飛行做了大量準備工作。”武平舉例說，航天員太空鍛煉設備、醫(yī)學監(jiān)測和健康維護設備等已經(jīng)裝上了天宮一號。
交會對接“三大特點”
據(jù)中國航天科技集團公司載人航天工程辦公室主任童旭東介紹，和前7次載人航天工程任務相比，交會對接任務呈現(xiàn)出3個特點。
一是以前執(zhí)行的都是單項任務，而這次執(zhí)行的是“組合體”任務。根據(jù)工程計劃，交會對接任務將執(zhí)行4次發(fā)射任務：首先發(fā)射天宮一號目標飛行器，隨后相繼發(fā)射神舟八號、神舟九號和神舟十號與之進行對接。
二是任務安排緊湊，型號研制時間緊張。在首次交會對接任務中，中國航天科技集團公司承擔了5個飛行器和5發(fā)運載火箭的研制工作。
從1999年的神舟一號到2008年的神舟七號，中國航天用了9年完成7次載人航天任務的研制發(fā)射工作，而現(xiàn)在僅要在1年多的時間內(nèi)，完成4次交會對接任務的組織發(fā)射。
三是在這次試驗中，有很多技術驗證工作很難在地面上充分驗證。如何增強技術風險識別成為此次任務的一個難點。以前的7次載人航天任務的順利推進都是建立在充分的地面試驗的基礎上，而鑒于交會對接任務的特性，很多技術很難在地面上充分驗證。
“舉例來說，飛行器上有一項激光雷達威力測試，但是受重力和大氣等眾多因素的影響，太空上的20公里和地面上的20公里不是一個概念。盡管地面試驗已經(jīng)很充分了，但是仍然對太空缺乏了解。這使得此次任務的技術風險更大。”童旭東說。
對接“四大步驟”
如果把首次交會對接任務比做是一場“太空大戲”，那么神舟八號與天宮一號的對接無疑是此次演出的高潮。要想讓兩個重達8噸的龐然大物在距離地球350公里外的太空中實現(xiàn)完美對接，就不能不提到飛行過程中的精確控制。
童旭東用形象的語言模擬出了神舟八號與天宮一號進行對接的全過程。
在合適的窗口時期發(fā)射天宮一號目標飛行器后，天宮一號將在太空中等待隨后發(fā)射的神舟八號。在飛船發(fā)射前的21天，在太空中遨游的天宮一號將進行降軌，并在對接前3天左右，做好相應準備工作，靜候?qū)拥摹白罴褧r刻”。這時候，天宮一號和神舟八號即將在太空中完成4項“準備動作”。
首先要進行的是“降軌調(diào)相”步驟。天宮一號的飛行姿態(tài)和準備對接的姿態(tài)是不一樣的，在即將對接前，天宮一號需要利用大氣衰減的力量來降低軌道，從飛行狀態(tài)“轉(zhuǎn)換”成“對接”狀態(tài)，等待飛船的到來。其次要進行“地面導引”控制，由地面控制系統(tǒng)對飛船進行姿態(tài)調(diào)整，使得飛船能夠滿足自主控制的條件。第三個步驟至關重要，神舟八號飛船進入自主控制階段，不斷接近天宮一號，滿足初始對接條件，飛船要選擇4個停泊點來進行交會對接準備，而其中最重要的是要在距離天宮一號140米處測試對接機構傳感器，從而確定飛船的對接狀態(tài)是否已經(jīng)到位。最后一步就是對接，對接機構按照捕獲、緩沖、拉近、鎖緊4個階段，完成神舟八號與天宮一號的對接。
值得一提的是，成功實施對接后，神舟八號和天宮一號要以“組合體”的方式在太空中飛行，并由天宮一號來實施對“組合體”的控制，按照計劃完成實驗方案。實驗結(jié)束后，神舟八號將返回地面，而天宮一號將繼續(xù)在太空中服役，等待下一次飛船的對接。此外，飛船還需要與目標飛行器分開。為了確保萬無一失，設計人員分別在神舟八號和天宮一號的對接機構上安置了火工裝置，確保如果出現(xiàn)故障，神舟八號與天宮一號能夠順利分離返回地面。
組合體飛行 長壽命運行
首次交會對接任務將填補中國航天的又一項空白。神舟八號與天宮一號進行對接后，將在太空中以“組合體”的方式運行。“這在中國航天從來沒有遇到過，‘組合體飛行’不僅體積大，而且很難控制。如何使組合體以規(guī)定的姿態(tài)運行很困難，這將給姿態(tài)控制和軌道控制帶來很大難度。”童旭東告訴記者。
除了“組合體飛行”外，首次交會對接任務將面臨“低軌道、長壽命”的考驗。“以前載人航天飛行一般都會幾天內(nèi)結(jié)束飛行，返回地面。而交會對接任務將持續(xù)兩年，天宮一號要在太空中飛行兩年的時間，這將給控制帶來不小的壓力。”童旭東告訴記者，由于低軌運行，將會經(jīng)受原子氧、大氣阻力、地球磁場等一系列環(huán)境考驗，這將對飛行器可靠性帶來一定的難度。
“預計從現(xiàn)在到2020年前后，中國航天將執(zhí)行20余次載人航天飛行任務。任務的高強度可想而知。”童旭東透露，在航天科技集團承擔首次交會對接任務的科研團隊中，“80后”占了較大比例。“他們中近一半的人從來沒有進過發(fā)射場執(zhí)行任務，經(jīng)驗相對不足。為了讓他們提前進入工作狀態(tài)，‘兩總’系統(tǒng)專門安排了發(fā)射場合練環(huán)節(jié)，讓每個人對自己的工作做到心中有數(shù)。” （記者 楊姣 雷宇 通訊員 黃希）
