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[专题]揭秘天宫一号:对俄罗斯的仿效和超越

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9月27日-30日,中国将择机发射天宫一号目标飞行器,随后中国将发射神舟8号飞船与其开展太空交会对接试验,从此迈出中国开展空间站建设的第一步。那么天宫一号的主要目的是什么?天宫一号又采用了那些技术?它对中国航天有什么意义?网易军事将予以独家解读。

9月20日,“天宫一号”目标飞行器、长征二F运载火箭组合体已抵达发射架等待27-30日择机发射。

中国载人航天计划已进入第二步

在完成了神舟七号载人飞行任务之后,中国载人航天工程沉寂了将近3年。虽然2010年8月发布天宫一号完成总装的消息,2010年10月27日中国载人空间站工程正式启动实施,但毕竟距离载人航天的实际发射和试验还太远。不过到了2011年6月底官方发布《天宫一号目标飞行器通过出厂评审 运抵酒泉》的报道,明确提及第三季度和第四季度分别发射天宫一号目标飞行器和神舟八号无人飞船。尽管此后8月18日,长征二号丙火箭发射实践十一号04卫星失利,导致天宫一号推迟了发射时间。不过经过一段时间的重新检查,中国宣布将在9月27日至30日择机发射天宫一号。酒泉卫星发射中心921工位在沉寂已久后终于再次喧腾起来,中国第一次空间交会对接试验也即将拉开序幕。

在完成了载人轨道飞行,实现载人航天第一步战略目标后,中国2004年12月开始启动载人航天第二步任务。载人航天第二步的任务重点是航天器交会对接和航天员空间活动,其中第一阶段主要任务目标为实施航天器交会对接任务和出舱活动,突破和掌握交会对接技术出舱活动技术。

2008年神舟七号任务期间提前进行了出舱活动任务,突破了出舱活动技术。为了进行下一节阶段的任务,中国载人航天工程决定成立空间实验室系统,研制天宫系列航天器,用于实现中国载人航天第二步战略目标。交会对接技术有技术复杂、工程难度大的特点,为了突破掌握这一技术,中国载人航天工程专门研制了天宫一号目标飞行器,用于验证、突破和掌握交会对接技术。天宫一号是神舟系列载人飞船进行交会对接的目标,目标飞行器这一名称,十分确切的说明了它的主要用途。

天宫一号的主要目的就是用于验证太空交会对接技术。图为完成总装的天宫一号目标飞行器。

天宫一号的基本情况

即将发射的天宫一号目标飞行器长度9米多,最大直径3.35米,发射质量约8.5吨。天宫一号目标飞行器主要分为两个舱室,分别是实验舱和资源舱。实验舱前段框装有上海航天据研制的对接装置,用于和神舟在人飞船进行对接。实验舱分为前锥段、柱段和后锥段,其中前两部份为密封加压环境,可支持3名航天员的工作和生活。实验舱后锥段和资源舱是非密封环境,实验舱后锥段安装了再生式生命保证系统,资源藏安装各种设备如电力系统、太阳翼和发动机,为航天器提供在轨飞行和空间应用实验支持。

天宫二号和天宫三号计划

2010年中国载人航天工程办公室主任王文宝在接受英文航天媒体采访时透露了天宫系列航天器的细节,他指出天宫二号和三号空间实验室与天宫一号目标飞行器类似,均为质量约8.5吨直径3.35米规格,都使用长征二号F火箭发射,将在高度400千米、倾角42到43度的轨道上飞行。根据计划中国将首先发射天宫一号目标飞行器,随后发射神舟八号飞船用于交会对接试验。神舟八号飞船在配置上和载人飞船一致,但为了降低交会对接试验的人员风险将不载人。

在两年的工作寿命内,中国还将发射神舟九号和神舟十号飞船继续与天宫一号目标飞行器进行交会对接试验,其中神舟十号将是载人飞船,神舟九号是否载人目前尚未确定,将根据神舟八号与天宫一号交会对接试验的顺利是否再做决定。不过这一阶段天宫一号肯定要与一艘载人的神舟飞船进行交会对接,实际验证载人交会对接能力、天宫一号的实验舱的生保系统和实验设备,进行短期有人驻留飞行,为下一步太空实验室中期有人驻留和开展空间科学实验积累经验。

对接技术是载人航天的重要难关

尽管存在其他目标,但天宫一号目标飞行器最主要的目的还是突破掌握交会对接技术。交会对接技术是载人航天技术的一个重要难关,无论美国还是苏联,在突破空间交会对接技术,进行实际空间交会对接操作上都经历了多次失败。

美国在双子星8号与阿金纳上面级成功完成首次交会对接之前,双子星6号和7号飞船进行了首次人控交会,最近距离180米,更早的双子星3、4、5号交会对接实验都以失败告终。苏联尽管成功进行了大量自控和人控交会对接实验,但礼炮号空间站的实际使用中仍然频频出现对接失败,即使到了和平号时代还出现了进步货运飞船对接失败撞伤和平号空间站的事故。

1995年6月29日,美国的亚特兰蒂斯号航天飞机与“和平”号太空站进行对接。太空交会对接进行时双方要不断进行速度控制和姿态控制,难度也很大。

天宫一号目标飞行器的交会对接系统在设计思路上与俄罗斯相近,首先使用无人飞船进行自控交会对接,再进行实际的载人交会对接操作。交会对接操作要求装备高精度的微波或激光传感器进行相对位置测量并捕获对接目标,双方启动轨控发动机交会并进入对接走廊,对接走廊内双方相对速度约1~3米每秒。接近后利用高精度传感器精确测量双方的距离、相对速度和姿态,启动轨控和姿控发动机机动调整进行最后的接近,对接撞击前轨控关闭发动机,此时相对速度降低到0.15~0.18米每秒并以此速度相撞,利用针-锥(Probe-Drogue)或是异体同构周边(APAS)对接装置进行硬连接。

各国使用的交会对接技术

交会对接系统使用的测量和控制系统各国各有特色,苏联/俄罗斯的交会对接测量系统使用S波段微波雷达为主,近距离还有目视光学瞄准系统,默认为自控交会对接,包含手动备份。美国早期使用L波段微波雷达和目视光学瞄准系统,阿波罗时代改用X波段雷达,航天飞机时代进一步升级为Ku波段脉冲多普勒雷达加目视光学瞄准器,并使用GPS定位导航技术辅助,但交会对接都使用手动完成。

“联盟”系列飞船逼近国际空间站,对准对接舱上“针-锥”式对接机构的“锥”,注意红圈处。

欧洲的ATV和日本的HTV都使用自动交会对接技术,虽然都使用了激光脉冲测量仪器,不过测量控制系统均为本土技术。当前国际载人航天所使用的对接装置主要包括俄罗斯研制的针-锥对接系统,异体同构周边系统和美国研制的通用对接系统(CBM)。美国的CBM对接系统需要空间站机械臂的协助,虽然日本HTV货运飞船和美国未来的Dragon和Cygnus货运飞船都将使用这一系统,但中国无法参与国际空间站项目,无法通过交流合作掌握这一更复杂的对接系统。天宫一号和神舟八号试验的对接装置由中国自行研制,参照了俄罗斯异体同构周边系统的规格。

俄罗斯目前使用针-锥机构对接装置

俄罗斯目前自用的对接装置为针-锥机构,对接过程中主动端探针接触被动端椎体内壁,通过漏斗形椎体引导飞船配合姿控系统调整姿态,将主动端探针移动到中央的插孔上,进行咬合并进行减震操作,最后撤回探针解锁插孔,中心区域加压两扇门向后打开形成加压的内部通道。针-锥系统结构相对简单,因此得到了广泛应用,直到今天仍是俄罗斯标准的对接装置,欧空局的ATV货运飞船也引进了俄罗斯的针-锥系统,不过ATV的自动寻的、交会迫近和对接操作的算法则完全是欧空局自己的设计。

天宫一号实物图片,从图片中可以看出其对接装置仿制的是俄罗斯APAS-89对接装置(图中小图)。

中国对接装置仿效异体同构周边对接系统

虽然中国载人航天工程只能与俄罗斯进行相关的技术交流,但从各方面文字报道和视频看,中国的对接装置并没有使用俄罗斯现成的针-锥系统,而是仿效了异体同构周边对接系统的设计。异体同构周边对接系统来自于20世纪70年代美苏阿波罗-联盟空间对接实验,这一对接试验展示了空间救援的前景。为了在两国的不同飞船之间任意对接,苏联研制了异体同构周边对接系统,编号APAS-75。它克服了针-锥对接系统的缺陷,使用异体同构设计任何一套对接装置都可以既做主动端也做被动端,这对对空间救援极为重要,降低了系统的复杂性。由于对接系统是周边式而不是针-锥系统的中央式,更容易在对接机构总直径相同的条件下增加中央加压通道的直径。

异体同构周边对接系统已有普遍使用

此后虽然苏联联盟载人飞船、进步货运飞船和礼炮空间站都使用传统的针-锥对接装置,但仍进一步改进异体同构周边系统,准备在下一代载人航天系统中使用,苏联新一代的暴风雪号航天飞机使用编号APAS-89系统,原始设计外部直径2.03米,不过随后直径减少到1.55米,由于外部直径的缩小,内部通道直径也缩小到80厘米。和平号空间站主要指用针-锥方式对接的同时,量子实验舱上还带有一个APAS-89对接口,预备用于和暴风雪号航天飞机的对接。苏联解体导致后继的航天计划成为水中月,暴风雪号直接退役。

天宫一号与神舟飞船的对接想像图,请注意在对接中还使用了激光系统来进行对接校准和距离测量(图中红框处)。使用这种技术可以说是中国博彩众家之长后的一技术进步。

为了筹备建设国际空间站,美国航天飞机装备了原定用于暴风雪号航天飞机的异体同构周边对接系统,生产商能源联合体将其重新编号为APAS-95。美国航天飞机使用APAS-95与和平号进行了多次对接。国际空间站对接装置同样使用了APAS-95对接系统,俄罗斯制造的曙光号服务舱与美国团结号节点舱的连接使用了异体同构系统,意大利制造美国拥有的和谐号和宁静号节点舱同样各具有一个APAS-95系统用于对接航天飞机。不过国际空间站上的异体同构周边对接系统为了防止大质量的航天飞机带来太大的震动,异体同构周边对接机构为永久性的被动端以进行适应性的修改,而航天飞机的APAS-95仍然可以在主动端和被动端之间切换。

中国交会对接装置设计博众家之长

中国天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船的对接系统在设计上主要借鉴了俄罗斯的系统,但博采众家之长根据自己的需求进行设计。从目前的资料看,中国的交会对接测量系统使用了远程微波雷达、近距离激光雷达的视频导航传感器(VGS)外加光学瞄准器的组合配置,对接机构硬件规格和俄罗斯APAS-89一致,理论上具备和空间站和谐号与宁静号节点舱上APAS-95接口对接的能力,当然由于来自美国的政治障碍,和空间站的对接是不可能的。虽然空间站上的APAS-95接口只能作为被动端,但中国出于安全考虑,神州飞船和天宫飞行器的对接机构不太可能盲目跟进。可以预计天宫一号的对接装置经过了检验后,将成为中国载人航天标准的对接机构,这是天宫一号对中国航天事业最主要的贡献。

两年的近地轨道维持将大大超越神州飞船6个月设计寿命的轨道舱,这也是对中国载人航天技术又一前所未有的考验。

两年的近地轨道维持技术突破

天宫一号虽然设计上主要用于突破掌握交会对接技术,但它本身作为一个8.5吨的庞大空间平台,自然会进行更多的应用。天宫一号和神舟八号都将进行一系列太空科学试验,如中国载人航天领域的第一个国际合作项目,中德联合进行的研究空间微重力生命科学实验的SIMBOX就将由神舟八号带上太空。天宫一号目标飞行器将在约400千米近地轨道进行2年时间的长期飞行,远大于神州飞船6个月设计寿命的轨道舱,它开拓了中国航天器低轨道长寿命飞行的领域,2年的设计飞行寿命如果得以实现的话,将接近苏联礼炮4号空间站的数字。

潜力巨大的低轨道航天平台

天宫一号还将成为一个拥有巨大潜力的低轨道平台,目前已经规划携带上海计物所的60厘米口径碳化硅红外相机用于对地侦察,此外还装备了超光谱离轴成像三反光学系统,在神州六号上的长春光机所实现了400千米高度0.5米分辨率的性能后,上海计物所又会给我们带来什么样的惊喜呢。天宫一号本身具有8.5吨的质量,根据前载人航天工程总设计师王永志文章中提到的信息,天宫目标飞行器和空间实验室的研制成果将成为大型货运飞船和未来空间站实验舱的基础。13吨的货运飞船和天宫飞行器在外观几乎一致,20吨级的实验舱图片发布后更是有人说是货运飞船的放大版。放大为13吨计货运飞船和20吨级实验舱的潜力,预示着天宫一号平台在近地轨道侦察和天文观测上的光明前景。

对比美国的同类产品,如果未来我们看到中国的锁眼和哈勃,相信并不会让人感到陌生。其实不论这些,天宫一号的研制为货运飞船和空间站实验舱的研制积累了经验并铺平了道路,它的使用也为后继天宫二号和天宫三号太空实验室的运行积累经验,这已经物有所值。从已有的资料推测,天宫一号目标飞行器的三次对接飞行时间可能都在20天左右,由于神舟飞船设计飞行寿命只有7天,天宫一号的实验将大大延长中国载人飞行时间,进行更久的低轨道长时间飞行,进行研究太空环境对人类的影响等太空生物医学实验。

天宫一号实际上就是中国第一个试验性的空间站,承担着为2020年前后建设大型、多舱段空间站进行技术积累的任务。 尽管总体性能尤其是体积质量不如苏联的礼炮一号更不要说美国的天空实验室,但天宫一号部分性能和设计指标仍有自己的特色,这体现出了中国航天所做出的努力和技术进步。

作为中国迈向太空的重要一步,天宫一号必将成为中国航天的一个里程碑。

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