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北京時間2022年9月30日12時44分，經(jīng)過約1小時的天地協(xié)同，問天實驗艙完成轉(zhuǎn)位。轉(zhuǎn)位期間，問天實驗艙首先完成相關狀態(tài)設置，而后與天和核心艙分離，之后采用平面轉(zhuǎn)位方式完成轉(zhuǎn)位，并與節(jié)點艙側(cè)向端口再對接。

問天實驗艙轉(zhuǎn)位完成后，空間站組合體由兩艙“一”字構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)閮膳摗癓”構(gòu)型。后續(xù)，空間站組合體將以“L”字構(gòu)型在軌飛行，等待夢天實驗艙發(fā)射、交會對接后，還將轉(zhuǎn)位形成空間站三艙“T”字構(gòu)型組合體。

(資料圖片僅供參考)

記者從航天科技（000901）集團八院獲悉，在400公里高空上演的這場超高難度“太空泊車”，將23噸的問天實驗艙從節(jié)點艙的前向?qū)涌诰徛揭浦料嗖?0°的側(cè)向?qū)涌?，并再次對接鎖緊，整個轉(zhuǎn)位過程共歷時30分鐘。這是我國首次實施的航天器在軌轉(zhuǎn)位試驗，也是國際上首次以平面式轉(zhuǎn)位方案完成航天器轉(zhuǎn)位的成功嘗試。

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為什么要“太空泊車”？

按照我國空間站建造方案，在空間站組裝建造階段，陸續(xù)發(fā)射的兩個實驗艙將對稱分布于核心艙節(jié)點艙的兩個側(cè)向停泊口，從而完成空間站“T字”基本構(gòu)型的建造任務。

“問天實驗艙是我國目前最大的單體航天器，如果直接與空間站組合體進行側(cè)向?qū)?，會因為質(zhì)心偏差對空間站姿態(tài)造成較大影響，甚至會出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)失控的風險?！焙教炜萍技瘓F八院空間站系統(tǒng)副總師魏智說。

他解釋，“就像是我們用手推一根木棍的底部，如果是沿著它的方向直推過去的話，木棍會徑直向前走；如果從側(cè)面撞過去，木棍則會發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。在太空的微重力狀態(tài)下，偏離質(zhì)心的力足以‘四兩撥千斤’，讓空間站的姿態(tài)失穩(wěn)?！币虼耍覈鴥蓚€實驗艙都將先軸向?qū)佑谇跋蚨丝?，再通過轉(zhuǎn)位移至側(cè)向停泊口，這意味著轉(zhuǎn)位動作的成敗直接關乎我國空間站的建造及后續(xù)任務實施。

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國際上首次實現(xiàn)平面式轉(zhuǎn)位

為了讓問天實驗艙的轉(zhuǎn)位過程更加平穩(wěn)、順利，航天科技集團八院805所對接與轉(zhuǎn)位研制團隊幾經(jīng)論證，并綜合對比國際空間站的轉(zhuǎn)位方案，創(chuàng)造性地提出了“平面式轉(zhuǎn)位方案”，這是國際上首次以平面式轉(zhuǎn)位方案完成航天器的轉(zhuǎn)位動作。

魏智介紹，俄羅斯“和平號”空間站采用的是翻轉(zhuǎn)式組裝方案，但這一方案在艙體轉(zhuǎn)位到位后，艙體姿態(tài)會發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)。“我們采用的方案是讓問天實驗艙在同一平面內(nèi)進行轉(zhuǎn)位，此時由于質(zhì)心的運動軌跡也處在一個平面，轉(zhuǎn)位動作對空間站組合體的姿態(tài)擾動較小，更易于空間站的姿態(tài)控制?！?/p>

但相對于翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案，平面式轉(zhuǎn)位方案結(jié)構(gòu)設計難度更大，地面試驗系統(tǒng)也更為復雜。為了讓轉(zhuǎn)位任務一氣呵成、一次成功，研制團隊對平面式轉(zhuǎn)位方案進行了精心的分析論證，并研發(fā)了相應的測試系統(tǒng)進行在軌工作載荷及轉(zhuǎn)位全時序試驗驗證，確保了實驗艙轉(zhuǎn)位任務的有序、安全、可靠。

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小轉(zhuǎn)臂讓實驗艙轉(zhuǎn)得穩(wěn)、停得準

據(jù)介紹，此次轉(zhuǎn)位動作主要由配置在實驗艙上的轉(zhuǎn)臂機構(gòu)以及核心艙節(jié)點艙上的轉(zhuǎn)位基座擔綱完成。位于實驗艙上的轉(zhuǎn)臂機構(gòu)，它以流暢的操作讓重達23噸的實驗艙起得柔、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、停得準、對得順。

首先，轉(zhuǎn)臂需要捕獲安裝在核心艙上的轉(zhuǎn)位基座，也就是將“手”輕輕搭到核心艙上并實現(xiàn)剛性連接，此時，對接機構(gòu)解鎖，實驗艙與核心艙之間處于柔性連接狀態(tài)；隨后，轉(zhuǎn)臂緩緩起動，在兩分鐘內(nèi)以肉眼難以察覺的速度實現(xiàn)艙體緩慢起動，并逐漸提高至全速轉(zhuǎn)動。

哪怕是在全速轉(zhuǎn)動的過程中，“小臂”的運動速度也很低，且不能出現(xiàn)“急剎”“點剎”的現(xiàn)象，這樣低速且勻速的運轉(zhuǎn)模式可以有效降低對空間站組合體的擾動。在即將到達側(cè)向停泊點時，轉(zhuǎn)臂開啟“制動”模式，為了避免電機斷電可能帶來的“急剎車”，轉(zhuǎn)臂上安裝了緩沖耗能裝置，既可以避免大慣量沖擊造成“小臂骨折”，又能在三分鐘內(nèi)快速消耗艙體轉(zhuǎn)位帶來的動能，使實驗艙能夠精準地停在預定的側(cè)向?qū)游恢谩?/p>

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新技能確保實驗艙連得緊，滿足15年在軌需求

問天實驗艙成功轉(zhuǎn)位至側(cè)向停泊口后，問天實驗艙與天和核心艙需要完成側(cè)向再對接，也就是迎來最后一步動作——“倒車入庫”，這一動作就需要對接機構(gòu)和轉(zhuǎn)位機構(gòu)之間協(xié)調(diào)配合、共同完成。

首先，轉(zhuǎn)位機構(gòu)要具有位置保持的能力，讓23噸的實驗艙以“懸停姿態(tài)”做好對接準備；其次，對接機構(gòu)要采用一種全新的捕獲對接方式——“準靜態(tài)對接技術(shù)”，由實驗艙的對接機構(gòu)主動推出對接環(huán)實現(xiàn)捕獲，這動作更輕盈緩和。

同時，由于我國空間站的在軌工作時間長達15年，問天實驗艙側(cè)向停靠后，對接機構(gòu)需要長期在軌剛性連接，為了驗證對接機構(gòu)在軌長期連接狀態(tài)下的性能，研制團隊開展了長壽命專項試驗，確保對接機構(gòu)在軌15年后其連接性依然能夠滿足空間站各艙段之間的可靠連接。

記者 張建林