“天舟”腾空 “天宫”恭候

2017-04-21 06:25 北京日报

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来源标题:“天舟”腾空 “天宫”恭候

南海之滨,天舟飞天。昨日19时41分,大地震动,烈焰飞腾,长征七号运载火箭腾空而起,将天舟一号货运飞船送入太空。这是我国首次“零窗口”发射,一分不差。

约596秒后,船箭分离,天舟一号进入预定轨道,发射圆满成功。海南文昌、北京飞控,掌声、欢呼声不绝于耳。航天人有理由高兴,因为,他们为这一分不差,为这596秒,付出了太多太多。

古邑文昌,落日余晖。

筑梦天梯又一次树立在椰林之中,长征七号火箭和天舟一号飞船准备就绪,静候发射。

茫茫太空之中,天宫二号也在北京飞控中心人员的帮助下,悄悄“转身”。飞控人员已帮助天宫二号完成了对接前的最后一次巡检——打通控制、测控、数传、对接机构、热控、生保等13个“关键穴位”,天宫二号已做好准备,等待天舟。

为了天宫、天舟顺利牵手,此次发射为“零窗口”发射,发射窗口只有1分钟,难度可想而知。

“各号注意,1小时准备!”文昌发射场上空,传来任务01指挥员王光义的口令,发射程序进入临射倒计时。此时,夜幕降临,灯火渐明。

18时52分,通天塔双臂渐渐张开,30度、90度、180度……塔架的每一次变化,都会引得2.8公里之外的观众们一阵惊呼。

夜幕下,长征七号修长的箭体上,五星红旗无比鲜艳,“中国航天”四个大字格外醒目。

发射时间渐渐近了,参试人员聚精会神地紧盯着屏幕、设备,一字一码地查验每一项数据。

“2分钟准备!”“1分钟准备!”紧抱火箭的摆杆迅速摆开,发射塔架上与火箭相连的各系统设备瞬间脱落,发射进入读秒程序,所有人都屏住呼吸,现场一片安静。

“……5、4、3、2、1!”

“点火!”“起飞!”

烈焰喷涌,长征七号腾空而起,刺破无边长空。

此时,海岛沸腾。

“飞行正常!”“跟踪正常!”“遥测信号正常!”

北京飞控大厅里,没有欢呼,只有忙碌。大屏幕上,各种代码数据不断更新,红绿相间的各种信号不断闪烁。首次担任总调度的贺勇,双眼紧盯着屏幕,右手操作着黑色调度单机上的各方向系统标识。贺勇深知任务的难度,以往各类数据都由陆海天基测控站共同捕获,而这一次,只有赴太平洋某海域的长江七号单船执行海上测控任务。测站数据信息的惟一性,考验着贺勇和他的同事。

19时44分,“助推器分离!” “一二级分离!” 

19时45分,“整流罩分离!”

“雷达跟踪正常”“遥测信号正常!”“飞行正常!”

19时47分,“长江七号发现目标!”

19时51分,“船箭分离!”与飞控大厅一墙之隔的轨道机房里,轨道计算岗位的主任设计师张宇与团队利用有限的数据源精确计算出飞船的初始轨道参数。这组参数,将是判断飞船是否发射成功的惟一依据。

数据传来,天舟一号货运飞船发射任务取得圆满成功!

北京、海南,欢呼声再次响起。

庆祝只是短暂的,因为天舟的“长征”才刚刚开始。

解密天舟

能“运货”,会“加油”,“投递”准

“太空快递”真神通

本报特派记者 刘可 

通讯员 张文军 王玉磊 孙维 刘峰

别看天舟一号只运货,不送人,其实,这位“太空快递”有多项“神通”,不仅能运货,还会加油,而且投递精准……过去6年,天舟一号苦练内功,经历了上千小时测试验证,经受了上百次大型试验考核,终于练就七大“神通”。

载货真不少

我国要建造长期有人照料的空间站,就需要输送宇航员所需的生活、工作物资,以及空间站运转所需的推进剂,天舟系列货运飞船就将承担这一任务。

这位“太空快递”身高10.6米,体宽3.35米,体量和天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室相当,外形类似天宫一号,由大直径的货物舱和小直径的推进舱组成,货物舱用于装载货物,推进舱为整个飞船提供电力和动力及装载补加推进剂。

别看体量相仿,“太空快递”可是力大无穷,物资上行能力超过6吨,接近天宫一号载荷能力的两倍,高于俄罗斯研制的进步号M型和美国的天鹅座飞船扩展型。根据公开的数据,天舟一号的载货能力已高于日本和欧洲的货运飞船。

天舟一号之所以能装,是因为两大利器——货架和货包。

天舟一号的货架和普通书架类似,但其细节和构型都很“特殊”。货架采用一种基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构,形成大量的标准装货单元,传力效果好,结构与货物重量比达到8%。同时,采用适用于蜂窝板的预埋封边梁方法,巧妙地消除蜂窝板结构锐边,既避免划伤人手,又解决了边缘薄弱、易破坏的问题。

设计师还精心设计了一种大承载轻量化预埋结构,既能适应传统刚性结构安装,又能适应柔性束缚带的连接承载,经过测试,三个预埋结构就可以承载一台豪华轿车。此外,大承载货架结构与密封舱主结构的连接环节也是结构设计一大亮点,碳纤维结合铝合金的设计,避免了在轨环境下内压载荷对结构造成的破坏。这些先进的技术成就了高效承载的货架结构,保证“太空快递”稳固送货。

天舟一号的货包同样有“特质”。由于“太空快递”要运送的物资中有许多精密的仪器设备和宇航员用品,发射段受力又大,生怕磕碰,因此对于敏感的电子器件、机械硬件系统以及其它生活物资等通常采用“软包装”或类似方法来实现装载、运送。这种“软包装”是将货物包裹在泡沫或气囊袋里面,再一起固定在货架上,而不是直接与运载工具的内部货架结构相连接。

由于“软包装”为装载对象提供了一个柔软的、高阻尼的、分布式系统的支撑,可以获得一个高度隔离并减振的载荷环境,也为货物的上行运输提供了更好的适应性和合理的货包绑扎方式。货包设计过硬不行,容易对货架进行磕碰,过软也不行,不能有效保护货物。仅仅为了确定货物绑扎方式以及内部泡沫设计,科研人员在试验现场一待就是3个月。

投递极精准

茫茫太空,既没手机信号,也没地图可循,而且,收件人还不在家,这“快递”可怎么送?天舟一号有办法。

中国航天科技集团公司五院西安分院为天舟一号研制的应答机天线网络通过提供惟一通信与测控信号传输通道,让“太空快递”与地面搭建联络专线,保障投递。

天舟一号进入太空之后,通过天线进行地面信号的收发,从而建立与地面系统的联系。应答机天线网络就好比是耳朵接收声音,再用嘴巴将声音传递出去,天舟一号接收到地面的通信和测控信号时,就通过应答机天线网络传输到应答机接收信号。天舟一号给地面发送信号时,通过应答机天线网络将信号传输到天线并发送到地面。

相比天宫二号空间实验室中使用的USB天线网络,应答机天线网络重量减轻了500克,体积也相应减小,但功能更强大。设计人员在应答机天线网络上使用了新研制的收发双工器,通过4个通道中的8个端口,实现了通信测控信号的高效传输。这项独特设计将应答机天线网络的射频信号传输能力提升了近1倍多,而且还实现了信号的“常通”,从根本上提升了信号传输的可靠性。

同时,为保证天舟一号信号传输清晰,在应答机天线网络中还使用了新研的介质滤波器,当信号通过的时候,可以将多余的谐杂波过滤掉,提升了信号传输的质量。这就如同手机通话中,将多余的干扰声音过滤掉,并保留正式的通话声音。

以往,我国对航天器的跟踪、测控以及在轨异常的及时监测处置,主要依赖陆基测控站和海基测量船。这就需要耗费大量的人力物力建造、维护地面测控站和海上测量船,研制人员奔波在各个站点之间开展相关试验,并且受到跨国、跨境地域限制。此次任务中,天舟一号首次采用以天基测控体制为主的设计原则,将原本在地面或海上的测量系统“搬”到了天上,避免了在地面或海上的地域限制,实现了对航天器在轨飞行的关键事件的全程跟踪,以确保及时监测处置在轨异常,同时,降低了成本。

太空首“加油”

这位“太空快递”不仅会送货,还会加油。天舟一号此次将实施我国首次“太空加油”。

此前,我国掌握的交会对接技术大致需要耗时两天左右时间,天舟一号将开展自主快速交会对接试验,将在几个小时内完成交会对接,“太空快递”全面提速。

快速交会对接的实现,有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性,减少交会对接过程中包括轨道控制等产生的资源消耗,同时,更大程度保障飞行器,方便空间站突发事件应急处理。

天舟一号就好比跨出了从“普通列车”迈向“高铁”的一大步,运输货物更快、更舒适、更稳妥。

可主动离轨

完成任务后,“太空快递”还会主动离轨,受控坠落。

飞行任务结束后,经由地面飞控工作人员决策,天舟一号实施主动离轨,通过两次降轨控制,受控坠落于南太平洋预定区域。

一般卫星在使命完成后,随着推进剂的消耗殆尽,缓慢降轨,最终在大气层烧毁。天舟一号则首次采用主动离轨方式,并能受控地落到预定区域,既避免自身成为太空垃圾、避开离轨过程中的不可控因素,又能为打造洁净、安全的太空环境作出贡献。

此外,为带动元器件自主研制,加速实现元器件的自主可控,提前验证空间站中所用的关键元器件,天舟一号首次大刀阔斧地使用了七大类国产新研核心元器件,将未来空间站建设的关键命脉牢牢握在手中。天舟一号还在满足运输货物需求的同时,最大限度地发挥了平台效能,随船搭载了几十台载荷设备,在轨开展十余项载荷试验,实现“一次飞行、多方受益”的目标。

飞控难点

指挥天舟有六难

本报记者 刘欢 通讯员 姜宁 祁登峰

虽然北京航天飞控中心拥有11次载人航天工程任务、4次探月工程任务的丰富飞控经验,但面对全新的天舟一号货运飞船,首次实施的“太空加油”“快速交会对接”等飞控任务,难点多多。

昨天,北京航天飞控中心副总工程师孙军接受记者采访时透露,这次任务中,中心面临着技术状态新、在轨时间长、交会模式复杂、轨道控制频繁、推进剂在轨补加实施周期长和快速交会对接六大难点。

难点一,任务状态新。货运飞船瞄准空间站任务功能设计,新状态新技术新设备要求很多飞控工作要从“新”开始。参试系统新,货运飞船、运载火箭和发射场系统均为新型号、新状态,特别是货运飞船瞄准空间站任务功能设计,采用了很多新技术新设备,中心需要全面掌握系统技术状态和机理原理。

承担任务新,天舟一号承载了推进剂补加、货物运输、快速交会对接、离轨控制等试验,对中心的轨道计算、上行控制提出了更高的要求;技术难点多,动态交会对接模式设计、推进剂补加地面控制、快速交会对接飞控、离轨轨道控制等都是新技术、新难点。

难点二,在轨时间长,不确定因素多。天舟一号货运飞船至少在轨飞行5个多月的时间,这是目前中心执行载人航天任务时间跨度最大的一次。货运飞船在轨飞行期间,软硬件系统高强度不间断工作,对飞控系统稳定性和可靠性提出了更高要求。    

难点三,交会模式复杂,对飞控系统的动态适应性提出了更高要求。

天舟一号和天宫二号交会对接轨道调整为393公里后,增加了发射窗口计算和远距离导引段的不确定性因素,存在两天至五天交会的不同模式。轨道相位和轨道高度变化带来的动态交会直接影响了自主控制段的测控条件及自主控制接近段和逼近段的光照条件,对自主控制的关键停泊点测控条件和导航光学敏感器的可用性带来了一定的影响。

难点四,轨道控制频繁,实施难度大。经初步分析,天舟一号从入轨到离轨整个飞行过程需十几次轨道控制;控制要求多样,快交准备阶段的降轨调相,对控后轨道有严格要求;首次实施的离轨控制需开展陨落轨道设计、落点预报等技术研究。

难点五,推进剂在轨补加实施周期长,控制风险高。飞控中心将控制天舟实施我国首次“太空加油”,在轨补加将实施持续5天,步骤繁多。地面需进行“补加”全过程、长时间的状态监视与控制,对地面自动化监控提出了更高要求。补加的29个步骤均需两目标配合执行,补加过程强耦合,需研究两目标协同补加流程。控制风险高,在轨补加首次实施,涉及船载气、液路设备,控制逻辑复杂,减压阀超压、液路泄漏等情况均可能危害整船安全,地面控制必须确保无误。

难点六,快速交会对接控制精度要求高。天舟、天宫将首次实施快速交会对接,天地配合复杂、控制约束很多、精度要求很高。

此外,任务期间,4个航天器同时在轨飞行,轨道高度与轨道面比较接近,且立方星没有轨控能力,无法进行轨道规避。飞控中心要对航天器安全距离进行监测,确保安全。

幕后功臣

天舟“生命科学载荷”北理工研制

本报讯(记者 任敏)昨晚,北京理工大学研制的“空间微流控芯片生物培养与分析载荷”搭乘天舟一号货运飞船升空,开启为期两周的在轨实验。该装置将在地面飞控中心的干预下,自主完成多细胞多腔室细胞共培养和在轨在线分析检测任务,研究将有助于保障航天员长期在轨飞行的健康。

本次搭乘天舟一号货运飞船的生命科学载荷是一个集多细胞生物共培养、细胞影像分析、在轨在线样品处理和生化分析以及遥操作自动化等多项技术于一体的空间生命科学实验平台,由北京理工大学生命学院教授、国际宇航科学院院士邓玉林团队自主创新研制。这也是继2011年和2016年之后,北理工研制的生命科学载荷再次遨游太空。

据介绍,该实验装置将全自动地完成神经细胞和免疫细胞的在轨共培养、在线观测、在线生化分析并进行在线数据处理与传输。研究人员将把空间实验、地面实验结果进行比较,以发现在空间微重力环境下神经与免疫系统相互作用的新现象新知识。研究结果将有助于保障航天员长期在轨飞行时的健康,可服务于载人航天工程以及深空探测等国家重大科技工程,也将为保护人类健康提供有益参考。

责任编辑:李楠楠(QN0006)  作者:刘可 刘欢 通讯员 杨欣 肖建军 姜宁 许诺

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