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天宫对接神八:280000公里时速下的“太空之吻”(图)
【发布时间:2021-11-24】 【作者:admin】

  执行我国载人航天工程首次空间交会任务的目标飞行器“天宫一号”,未来两天将择机发射。作为中国版空间站的起点,“天宫一号”所迈出的,是全球航天器交会对接试验中独一无二的第一步。

  空间交会对接是除了载人航天器的发射并返回技术、空间出舱活动技术之外,载人航天的三大基本技术之一。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、俄罗斯掌握了完整的空间交会对接技术。此次,如果“天宫一号”和“神舟八号”飞船成功“一吻”,中国将成为世界上第三个完整掌握这一技术的国家。

  初步建立能够短期载人、长期无人独立可靠运行的空间试验平台,为建造空间站积累经验

  人们喜欢用浪漫的“太空之吻”来比喻两个航天器的太空交会对接。实际上,这一“吻”的难度系数非常高。

  重约8吨的“天宫一号”是在神舟飞船技术体系下设计建造的空间实验室。粗短的圆柱体身形比神舟飞船略胖,采用实验舱和资源舱两舱构型。与神舟飞船一前一后两对太阳能帆板不同,“天宫一号”只在尾部装有一对太阳能电池板。

  此次,由上海空间电源研究所设计制造的太阳能帆板采用了全新的半钢性结构,固定电池的支架酷似羽毛球拍,由金属框和尼龙网构成,一片片轻薄的太阳能电池块就悬挂在纵横交错的节点上。如此一来,太阳能帆板的重量更轻,在空间环境下的自我保护性更强。

  神舟飞船原主任设计师、上海航天技术研究院第805研究所研究员刘宗映告诉记者,尽管“天宫”与“神舟”在技术体系上一脉相承,但由于寿命从一周延长到两年,各项设备和零部件都要适应“天宫”长寿命的要求,挑战极大。

  同时,配合交会对接试验,“天宫一号”和“神八”都必须装有一个对接机构。这对类似“螺栓”与“螺帽”的对接装置构造相当复杂,由几百个齿轮传动,至今只有我国和美、俄能设计制造。

  人们喜欢用浪漫的“太空之吻”来比喻两个航天器的太空交会对接。实际上,这一“吻”的难度系数非常高,就好比在28000公里时速下“拧螺丝”既要丝丝入扣,天衣无缝,又要对得上,分得开。

  刘宗映说,对接时,两个航天器必须处于同一轨道面的同一个轨道上,相对速度几近于零(“神八”运行速度略高于“天宫一号”)。如果计算不准,两个高速运行的航天器很可能“追尾”。

  交会时,“天宫一号”与“神八”听从地面的远程控制,对接则完全依靠各自传感器之间的沟通导航。当两个飞行器进入“无限逼近交会”阶段后,便开始对接。首先是捕获两个飞行器的对接机构同时伸出三个板状导向器,通过隼式交叉把对方牢牢抓住;再矫正到精确位置,然后拉紧,锁住,形成一个密闭通道;待充气检漏之后,航天员就可以开门从通道进入空间站。至此,“天宫一号”与“神八”就连在一起共同飞行,等到“神八”返回之前,再分离。

  “天宫一号”将先后在太空完成与“神八”、“神九”、“神十”的无人和有人对接。这种空间实验室与太空飞船“N+1”式的交会对接是属我国首创。

  在早期航天器的交会对接试验中,美国采用的是火箭末级与飞船对接的方案,前苏联选择了更容易上手的飞船与飞船对接的形式。

  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。1967年10月,前苏联“宇宙188号”飞船与“宇宙186号”飞船实现了世界上首次无人自动交会对接。1969年7月,美国阿波罗登月舱与指令服务舱实现了首次月球轨道人控交会对接。

  刘宗映介绍,美苏的早期交会对接试验均采用了结构简单的“杆-锥”式对接机构。这种对接机构由“杆”和“锥”两部分构成,其中“杆”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。

  由于“杆-锥”式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,甚至将通道完全堵死,航天员不得不从舱外爬到空间站中。

  即将发射的“天宫一号”将先后在太空完成与“神八”、“神九”、“神十”的无人和有人对接。这种空间实验室与太空飞船“N+1”式的交会对接是属我国首创,在其他国家航天器交会对接试验历史上还没有出现过这种模式。

  在与神舟飞船的多次交会试验中,“天宫一号”肩负着关键而多样的使命。除了掌握航天器交会对接技术之外,还将逐步攻克太空补给、货船研制、航天员在轨中期居留所需的再生式生命保障系统、飞行器在轨运营等关键技术,并开展一系列空间科学实验。

  从外形上看,“天宫一号”相当于第一代空间站。但我国不会再搞第二代和第三代,而是从“天宫”直奔第四代大型空间站。

  空间站被人们称为“不落的航空母舰”,在太空中可以飞行几年甚至十几年,它的发展总共经历了四代演变。

  第一代是前苏联的“礼炮1号”至“礼炮5号”空间站,其设计只有一个接口,与其交会对接的飞船只能人货混装,补给有限,寿命较短。“礼炮”系列前5座空间站寿命最短的只有47天,最长的为2年。

  美国第一个试验性航天站“天空实验室”也属于第一代空间站。不幸的是,在发射过程中,它的铝制流星防护层被撕裂,三块太阳能电池帆板中,一块脱落,一块被撕裂的铝条缠住没有展开。这使供电量减少一半,电力严重不足,实验室内部温度居高不下。后来,研究人员为“天空实验室”设计制造了一把遮阳伞,才使其在太空坚持工作了6年。

  “礼炮6号”和“礼炮7号”空间站设计有两个接口,属第二代空间站,寿命延长不少,两座空间站总共服役了8年半。

  美国的“和平号”空间站属于第三代,由多个模块组合而成。不过,其“搭积木”式的构造,存在着每个部分太阳能帆板互相遮挡的弊端。

  第四代空间站的代表,是由以美国为首的16国联合建造的国际空间站。相比第三代,拥有13个舱体的国际空间站不仅体型更庞大、构造更复杂,而且各模块间采取“建大厦”式的组装,可以实现空间站和对接飞船等几个组装部分的集中供电。

  刘宗映表示,从外形上看,“天宫一号”相当于第一代空间站。但我国不会再搞第二代和第三代,而是从“天宫”直奔第四代大型空间站。要一步跨越三代空间站,必须把“天宫”系列空间实验室做好、做扎实。

  如果“天宫一号”发射成功,将标志着我国已经拥有建设初步空间站,即短期无人照料的空间站的能力。2015年前,我国将再陆续发射“天宫二号”、“天宫三号”两个空间实验室,在设计上,它们较“天宫一号”基本相同。按照规划,我国真正意义上的载人空间站将在2020年前后建成。如果国际空间站按其设计寿命到2020年到期退役,中国版空间站将成为太空中的唯一。

  据透露,我国最终要建设的是一个基本型空间站,它的规模不会超过国际空间站。基本型空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱,总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守,能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。

  到目前为止,在太空建成的空间站共有10个,包括美国的1个试验性空间站(天空实验室)、苏联(俄罗斯)的1个和平号空间站、7个礼炮号空间站和1个国际空间站。

  1971年4月19日,苏联发射了世界上第一个空间站“礼炮1”号。之后至1982年,又陆续将“礼炮2”至“礼炮7”这6个空间站送上太空。

  美国于1973年5月14日发射了“天空实验室”空间站,有9位宇航员到访,共在太空运行2249天。

  前苏联功勋卓著的和平号空间站从1986年第一个舱段进入轨道后到2001年的15年中,先后102次与联盟TM号、进步号和美国航天飞机等运载工具对接过,接待过12个国家的135名宇航员。

  该空间站以美国、俄罗斯为首,包括加拿大、日本、巴西和欧空局(11个国家)共16个国家参与研制。其设计寿命为10~15年,可载6人。