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交会对接:快!准!稳!三代人30年的心血凝聚

时间:2022年06月06日 信息来源:本站原创 点击:777 字体:

 “天”“神”如期相拥,航天员到站了!


2022年6月5日17时42分,由航天科技集团五院抓总研制的神舟十四号载人飞船采用自主快速交会对接模式,经过6次变轨,成功对接于天和核心舱径向端口,整个对接过程历时约7小时。随后,3名航天员顺利进驻天和核心舱。

 

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在五院502所研制的制导导航与控制系统的操控下,此次神舟十四号造访“天宫”,整个过程平稳有序、快速准确,整体表现堪称完美。这标志着中国“神舟”系列载人飞船在太空中第2次开展径向交会对接取得圆满成功,再次验证了我国交会对接技术的稳定可靠。

 

此次任务也是“神舟”系列飞船在轨执行的第10次交会对接任务。自2011年神舟八号与天宫一号首次开展交会对接以来,“神舟”与“天宫”不仅十次共舞、十全十美,而且实现交会对接技术持续创新、更加先进。这背后,是三代交会对接研制人员30年的不变坚守、30年的心血凝聚。

 

从无到有,何其难!

 

1986年出台的《高技术研究发展计划纲要》(“863”计划),明确列出了“大型运载火箭及天地往返运输系统”“载人空间站系统及其应用”等航天项目,为中国载人航天工程的实施按下了启动键。经过深入系统的论证,1992年,中央专委和中央政治局常委会先后批准载人航天工程。承载着民族的希望,中国载人航天工程踏上了漫漫征途。

 

交会对接技术是发展载人航天、推进工程任务必须突破的关键技术,但这在当时对我国而言仍是一片空白。五院502所林来兴研究员、王旭东研究员、孙承启研究员、吴宏鑫院士等率先将目光投向这里,围绕交会对接的概念和控制方法开展了探索性的研究工作。1999年起,逐渐进入可行性论证阶段,由解永春研究员担任技术负责人。

 

2002年,国家交会对接任务规划正式确立,五院502所成立了交会对接工程组,在孙承启研究员的指导下,开始进行“载人运输飞船制导、导航与控制技术”关键技术攻关和可行性论证工作。

 

“难点不是不知道如何解决问题,而是根本提不出问题。”回忆初期的研制历程,解永春研究员如是感慨。按照工程要求,整个交会对接过程要实现“看得见、对得上、分得开、撤得出”,其基本方案如何设计、每阶段飞行方案的设计原则、需要解决的关键技术、以及需求单机的技术指标等一系列问题都需要解决。而这些都是难啃的硬骨头。解永春清晰地记得,当初她和负责数学仿真研究的柯旗实在无法解释仿真中出现的诸多现象,于是将所有的仿真图都打印出来,满满地铺了一地来查找规律并进行分析的情景。

 

方案论证期间,除了大量调研国外技术资料外,502所还派代表去国外进行交流学习。交流会上,中方技术人员对交会对接工程缺乏有效认识,外方专家多次斥责我方问题太“幼稚”……

 

面对巨大的挑战,面对异样的眼光,五院的科研人员拿出了当年搞东方红一号卫星的劲头,自力更生、白手起家。

 

在薪火相传中顽强冲锋

 

2003年,神舟五号载人飞船成功开展我国首次载人航天任务。2005年,神舟六号载人飞船搭载2名航天员往返太空。由此,我国突破和掌握了载人天地往返技术,成为第三个具有独立开展载人航天活动能力的国家,中国载人航天工程第一步任务目标圆满完成。

 

按照工程规划,我国载人航天工程的第二步任务目标,是突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。同时,要求“神舟”飞船要瞄准国际先进水平,具备自动交会对接和手动交会对接双重能力。

 

2004年12月,载人航天工程第二步第一阶段任务立项,突破交会对接技术,实现跨越式发展,赶超世界先进水平,成为当时最紧迫的任务之一。

 

再难也要干。在科研人员十余年艰苦攻关的积累基础上,五院502所集合精干力量,组建攻关队伍,正式开始我国交会对接方案的工程化实施。解永春携胡海霞、石磊、王颖以及之后毕业陆续入职的张昊、陈长青、刘涛、王敏等参与其中。围绕交会对接技术,三代人完成了技术交棒与精神承继。

 

他们只有不到6年时间,但面前的问题多如牛毛——

 

交会对接用的成像敏感器的目标标志器光点个数和布局对成像敏感器测量精度有何影响?

 

仅凭图像如何由人判断两个航天器的相对位置和姿态?

 

受条件限制,靠地面指令变轨如何在50公里以内实现控制?

 

……

 

“敢啃硬骨头,能坐冷板凳”,这支队伍从不畏难怯战。仅交会对接的工作模式与自主切换逻辑,他们就花了半年时间一遍遍绘图,一遍遍修改,改好之后就找各位专家提意见,根据意见再一遍遍研究、一遍遍完善。

就这样,凭借扎实的理论功底与刻苦的攻关钻研,他们终于全面掌握了相对动力学运动学特性、带大型帆板的航天器挠性动力学特性、推力器羽流特性、相对制导、导航和控制原理等理论基础,并结合我国航天器控制技术特点,设计了手自一体的交会对接制导导航控制方案和易于工程实施的算法。

 

技术日益先进

 

2011年11月3日凌晨1时29分,经历近43小时飞行和5次变轨的神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功对接,在静谧太空中上演了一场属于中国的“万里穿针”盛景,这标志着我国成为世界上第三个独立掌握交会对接技术的国家。

 

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2012年,在神舟九号与天宫一号飞行任务中,我国首次手控交会对接任务取得圆满成功。

 

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但从技术发展角度看,为了减轻航天员的负担,减少对地面站过多和过高的依赖,提高整个空间交会对接过程的稳定性和可靠性,交会对接将越来越向自主快速交会对接这一方向发展。

 

2013年,502所开始了自主快速交会对接技术的研究。解永春又带领交会对接团队成员在原有远距离导引地面制导算法,以及前期远距离快速交会技术调研和论证的基础上,针对空间站工程批产化的货运飞船与空间站对接、载人飞船与空间站对接等任务,设计了全相位自主交会对接方案,天舟货运飞船和神舟载人船已经对该技术进行了多次在轨验证。当前,正在利用该技术搭建中国人自己的空间站。

 

2021年6月17日,我国载人飞船(神舟十二号)首次成功实施快速交会对接。

 

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2021年10月16日,神舟十三号载人飞船在太空首次实施径向交会对接。

 

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2022年6月5日,神舟十四号载人飞船再次在太空中奉献“天神无需苦等、船站快速相拥”的盛景。

 

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“夏日到天宫,凭栏望莫穷。”

 

此次神舟十四号飞船搭载3名航天员在初夏时节出征,将在天上领略星空浩瀚无比的同时,也将把中国的天宫越建越“大”,获得更加丰硕的成果。

 

五院交会对接技术科研人员还在继续努力,他们决心让这项技术更成熟、更智能、更先进,更有力地支撑后续空间站建造及运营、载人登月、火星采样返回等一系列任务的顺利开展。



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