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从航天员“手控遥操作”看空间交会对接技术

来源:中国载人航天
2022-01-14 09:54:27

  原标题:从航天员“手控遥操作”看空间交会对接技术

  1月8日上午,神舟十三号航天员乘组在地面科技人员的密切协同下,在空间站核心舱内采取手控遥操作方式,圆满完成了天舟二号货运飞船与空间站组合体交会对接试验。这是我国航天员首次在轨进行手控遥操作试验。什么是手控遥操作?与之前载人飞船手控交会对接相比有何难点和特点?国内外技术应用有什么区别?

  什么是手控遥操作?

  手控遥操作是由航天员在轨利用手动技术对飞船进行遥控操作,控制货运飞船与空间站进行交会对接,是专门为无人来访飞行器配备的功能,和神舟载人飞船的手控交会对接类似。

  航天员在空间站核心舱里,通过远程的方式“驾驶”货运飞船与空间站进行对接。整个过程中,航天员的视角是从飞船“看向”空间站的,仿佛坐在货运飞船里。航天员面对的仪表系统、操作手柄等等,和此前神舟飞船上实施的两次手控交会对接大同小异,最大限度减小了航天员的训练难度,减轻了操作、识别的负担。

  交会对接技术的发展

  随着人类对太空探索的深入进行,航天器交会对接技术是发展航天技术的关键部分之一,是体现国家综合国力和航天科技的重要标志。自1966年美国第一次成功实现空间交会对接以来,空间对接和分离技术作为航天技术的一个重要发展方向,得到了快速发展。

  迄今为止,包括美国、俄罗斯、欧洲航天局、日本和中国都在大力研究航天器交会对接和分离技术,并已经完成了上百次的交会对接和分离任务。例如,美国的登月飞行中利用登月舱与“阿波罗”飞船的交会对接,苏联利用联盟号飞船与和平号空间站的交会对接等。

  航天器交会对接和分离技术已被公认为航天领域的重要技术之一,成功的交会对接并有效分离对于许多航天任务来说是必不可少的,比如空间站补给、航天员轮换等。

  如何进行手控遥操作?

  以此次试验为例,神舟十三号航天员乘组在核心舱发出控制指令,让天舟二号先与核心舱分离,然后航天员手动控制整个货运飞船的位置和姿态,撤到前向的一定距离,然后再次控制它来进行对接,一直到锁紧完成。

  与之前相比有什么难点/特点?

  与载人飞船的手控交会对接相比,货运飞船的手控遥操作有着自己的难点和特点。在操作的响应速度和运动的敏捷性上,载人飞船与货运飞船的区别,就如同开轿车和开货车。其原因有二:一是货运飞船的手控遥操作需要把货运飞船上的摄像机“看到”的图像传到空间站,空间站上的航天员需要把指令传回给货运飞船,一来一回,就造成了航天员反应和执行指令的延时;二是货运飞船要比载人飞船重,平移加速度小,因此动作不敏捷。

  对空间站建设有何重要意义?

  遥操作交会对接试验对于空间站的建造非常重要,载人飞船可以通过航天员驾驶飞船,手动操作与空间站完成对接。而货运飞船则不同,一旦自动交会对接功能失效,货运飞船将无法和空间站对接,导致任务失败,所以货运飞船就必须具备遥控操作的功能,与自动交会对接技术互为备份。此次试验,初步验证了空间站与来访飞行器手控遥操作系统的功能、性能以及天地间协同工作程序的合理性。

  国内外技术应用

  我国:自控为主、手控为辅

  在前期的探索实践中,我国已经进行多次空间交会对接试验,解决了空间交会对接的问题,掌握了交会对接全自动控制技术及飞船航天员手动控制技术。神舟九号航天员刘旺在太空打出一个漂亮的“十环”,证明了我国航天员具有高超的、世界一流的手动操作水平与优秀的心理素质。此后的例行飞行中,交会对接采用自控为主、手控为辅的方式,以减轻航天员的负荷。在自动控制出现故障的情况下,或遭遇突发事件时(如面临轨道碎片碰撞危险),航天员将手动介入,执行飞行命令。

  国际:手动与自动控制相结合

  对接机构设计的最基本原则是在保证机构具备所要求的功能的同时,还要有高可靠性和尽可能小的重量,因此国际上一般应用远距离采用自动和近距离采用手动与自动相结合的方案,这样既比较安全可靠又能保证足够精度,并实现软对接。当最终逼近阶段的自控飞行范围不易掌握时,采用人工控制后可提高任务成功率。

  交会对接技术未来发展

  在突破和掌握近地轨道长期有人驻留和有人参与近地空间应用等相关技术的基础上,载人登月、载人小行星探测、载人火星探测等载人深空探索活动成为国际上重要发展方向,而交会对接技术是实现未来载人深空探索任务的重要手段。交会对接技术还需进一步发展,包括有效和经济的交会对接系统策略、权衡使用自主和有人控制方法、发展先进敏感器技术和发展交会对接机构等,以满足未来任务的需求。

  文/何慧东、五轩、吴馥桐

责任编辑:迟语洋

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