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                    《科技生活》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

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                    “天神之吻”背后的秘密

                    2011-11-23 11:21:32
                    “天神之吻”背后的秘密
                    文  李鵬

                      “天宮一號”與“神舟八號”空間對接使中國成為世界上第三個自主掌握并成功實施航天器空間交會對接技術的國家。但這次對接也有許多疑問有待解答。

                      兩航天器為何不發射到同一軌道實施對接?

                      兩個重量極大的飛行器,它們距離地面300多公里,在茫茫太空中以比子彈還快數倍的速度飛行,要完成無縫對接,無疑是一項巨大的挑戰。

                      北京大學地球與空間科學學院教授肖佐告訴記者,為了穩妥起見,盡量做到萬無一失,中國航天史上的首次交會對接采用了最為穩妥的方案,即通過5次調軌、4個交匯點的設置來完成本次交會對接。

                      然而讓很多人疑惑不解的是,“天宮一號”和“神舟八號”并沒有先運行在同一軌道上而后實現對接。

                      很多人都知道,現在飛機實行空中加油時,可以通過空中加油機及需要加油的飛機在同一條航線的加速或者減速讓其會合,然后在調整到加油的合適位置時實施加油。另外在同一條馬路上,如果有兩輛汽車行駛,只要前面的汽車減速或者后面的汽車加速,兩輛汽車就可以實現對接。

                      如果“天宮一號”與“神舟八號”實行這樣的交會對接方式,是不是就要容易得多呢?

                      中國東方紅航天衛星公司總工程師張永維研究員在接受記者采訪時表示,如果從理論上講,“天宮一號”與“神舟八號”有直接發射到同一個軌道運行的可能性,但是在發射“天宮一號”以后,對后來發射的“神舟八號”要求就比較高,其發射時間、地點及角度都要比現在要求高得多,因此在現實中可操作性的難度更大。

                      而肖佐也告訴記者,就算“天宮一號”與“神舟八號”能夠發射到同一軌道上運行,由于它們都是以近似第一宇宙速度(7.9公里/秒)運行,這就讓它們不能像運動場上同一跑道上的兩名運動員那樣通過你追我趕的方式接近。

                      也許有人會問:如果對“天宮一號”或者“神舟八號”的運行速度予以調整,它們在同一軌道上能否實現接近?

                      “這種可能性也很小?!薄秶H太空》雜志執行主編、航天專家龐之浩解釋說,航天器在環地軌道上飛行,如果突然加速,其軌道就會升高,如果突然減速,其軌道就會降低,它們不可能在同一軌道上接近。

                      “在這樣的背景下,‘神舟八號’就采用了比‘天宮一號’更低的軌道飛行的方式。當‘神舟八號’飛船發射升空后,先后經歷5次變軌,其在地面引導控制下調整到處于‘天宮一號’后下方約52公里處時,二者建立直接通信聯系,‘神舟八號’通過自身的計算機自主控制然后通過減速抬升軌道、調軌繼續接近‘天宮一號’,并在距離‘天宮一號’5公里、400米、140米、30米時共設立4個停泊點,而后在自動控制狀態下和‘天宮一號’實現交會對接?!饼嬛普f。

                      誰為交會對接充當“紅娘”?

                      在“天宮一號”與“神舟八號”相繼上天以后,它們就像漫步于太空之中的牛郎與織女,而要讓它們走到一起實現交會對接,就要有個“紅娘”。誰在牽線搭橋做這些工作呢?這位“紅娘”就是中國航天科工二院25所研制的交會對接微波雷達。

                      要能夠成功給“天宮一號”及“神舟八號”充當“紅娘”,并不是普通的雷達能夠做得了的。雖然本次神舟攜帶的有激光雷達,其可以進行立體成像,但因為在大氣中衰減嚴重,所以探測距離較短。相對而言,微波雷達的功能強大,它受電磁干擾小、探測距離遠、精度較高,但對近距離的測距精度、測速精度又要差一些。因此,中國航天科工二院25所的專家們認為,如果能研制一款近、中、遠距離都具備高精度測量參數的微波雷達,就很完美了。他們經過多年的研究和大量的實驗驗證,終于研制出了該款雷達,該雷達的測量范圍上至百余公里,下至數十米,在如此之大的跨度中,它的測距精確程度可以達到一把尺子的長度,而其速度測量的誤差更是微乎其微。其次,除了如此卓越的性能,該雷達具有體積小,重量輕的特點,整個裝置幾乎只有iPad2大小。正是該微波雷達充當“紅娘”,為“天宮一號”與“神舟八號”的成功交會對接立下了汗馬功勞。

                      當然,在“天宮一號”與“神舟八號”的交會對接過程中,激光雷達、GPS差分接收機、光學成像敏感器、對接敏感器等一些先進測量設備也發揮著重要作用,并且在近距離的狀態下,光學成像敏感器、對接敏感器等將充當主要的角色。

                      首次交會對接為何采取自動方式?

                      “天宮一號”與“神舟八號”的交會對接采取了自動對接的方式。

                      龐之浩告訴記者,人類歷史上航天器的首次交會對接并不是自動交會對接,而是以手動交會對接的方式。1965年12月15日,美國“雙子星座”6號飛船在航天員的操作下,和“雙子星座”7號飛船實現了世界上第一次有人空間交會。直到今天,手動對接依舊是美國航天器最為主要的對接方式。

                      不過龐之浩表示,原蘇聯及現在的俄羅斯則更為重視自動對接的方式。1967年10月30日,蘇聯“宇宙”188號飛船與“宇宙”186號飛船在太空第一次實現自動對接。此后自動對接就一直是他們最為主要的對接方式,在航天器有人參與的情況下,也只有自動對接不成功,才采用手動對接的方式,直到今天依舊如此。

                      手動交會對接與自動交會對接,究竟誰優誰劣?龐之浩認為并沒有確定的答案,從技術的層面上講,它們也是各有千秋:用手動控制來完成空間交會對接成功率高,但缺點是工作時間長,從幾個小時到幾天,而且勞動強度很大,此外還受空間環境條件的嚴格限制,例如沒有光照,手動的對接就很難予以實施,而自動控制來完成空間交會對接不需考慮人員的安全和救生問題,因此安全性更高,但需要分布很廣的地面站或中繼衛星,花費巨大。

                      龐之浩認為,由于中國是第一次進行交會對接,在進行的過程中不確定的因素較多,為了保證航天員的安全,第一次對接就采用了自動對接的方式。

                      不過龐之浩表示,在未來,中國將采用自動與手動相結合的對接方式,這樣其交會對接的靈活性、可靠性與成功率都會更高,這也是未來航天器交會對接的主流方式。

                      “天宮一號”與“神舟八號”怎樣分離?

                      專家表示,分離在航天器交會對接實驗的過程中同樣是一個至關重要的環節,如果該技術不成熟,神舟飛船就無法返回地球。

                      因此,我國專家為“天宮一號”與“神舟八號”的分離設置了幾乎萬無一失的方案。首先在其對接完成后,捕獲鎖就退到初始位置,只保留結構鎖,以保證兩個航天器的隨時分離。在執行分離指令時,由飛船鎖鉤自動解鎖,若飛船鎖鉤自動解鎖失效,則由天宮鎖鉤解鎖。如果鉤鎖失效,則用火工品炸斷飛船鎖鉤,仍無效,最后的選擇就是把天宮的鎖鉤炸毀。不過這樣天宮的對接機構將永遠失效,無法迎接下一艘飛船。

                      龐之浩透露,“天宮一號”與“神舟八號”分離的最初動力來自于對接機構上對稱的兩對粗壯的分離彈簧,這兩對彈簧就在對接機構的對接面上。在首次“太空之吻”結束后,神八和天宮形成了組合體,這四根彈簧隨之會被壓縮,儲存能量,直到大概12天以后神八和天宮分離時,彈簧才被釋放,這樣在彈簧的作用力下,兩個飛行器就會以一定的速度和角度分離。

                      “接下來,‘神舟八號’上的4個反推發動機也會將‘神舟八號’反推到離‘天宮一號’更為安全的距離?!饼嬛普f。

                      空間交會對接為何如此重要?

                      肖佐表示,在航天界,空間交會對接至關重要。該技術也是建立空間站最基本最關鍵的技術,它與載人天地往返、出艙活動并稱載人航天的三大基本技術。中國只有熟練掌握該項技術,建立空間站才能成為現實。

                      龐之浩告訴記者,中國掌握航天飛行器的空間交會、對接及分離技術對中國未來進行月球或者火星等更為遙遠的宇宙空間進行探測也具有重要的作用和意義。

                      例如,中國未來在機器人及航天員登陸月球進行科學探測時就需要熟練掌握空間的交會對接技術,宇宙飛船在飛抵月球預定軌道以后,接著指令艙會釋放登陸艙登陸月球,而指令艙需要停留在環月軌道上等候機器人或者宇航員在月球完成工作任務以后乘坐登陸艙返回,在這個過程中,首先是指令艙與登陸艙的分離,完成月球勘探任務以后則又是它們之間的對接,整個過程的控制與執行比現在空間站與神舟飛船之間的對接難度要大得多,如果對交會對接及分離的技術出現問題,登月機器人或者宇航員就無法返回地球了。

                      “另外在未來,我國登陸月球、火星或者其他星球實施探測時,有時宇宙飛船或者其他探測器的規模比較龐大,而采用超大火箭一次將其發射不僅難度大,成本也高,而使用較小火箭將需要發射的航天器結構分次發射到地球軌道,然后再將其組裝飛往目的地,相對就比較容易,成本也可以降下來,但是這就要求我們對航天器的空間交會對接技術有非常熟練的掌握?!饼嬛普f。

                      中國交會對接技術是否達到國際領先?

                      無法忽視的一個事實是,美國、俄羅斯(前蘇聯)均在上個世紀60年代就進行了交會對接,世界上迄今已經有過300多次空間交會對接,而中國當前所進行的才是美俄40多年以前已經進行過的事情。肖佐告訴記者,在“天宮一號”與“神舟八號”的對接過程中,由于先進計算機系統與監測系統等新科技方式的應用,中國現在的整個交會對接變得更加安全可靠,但是就交會對接本身而言,使用的是目前國際上已經比較成熟的技術方式。

                      據了解,美俄兩國早期的交會對接試驗,碰撞事故層出不窮。就在1997年,俄羅斯的進步飛船與和平號空間站還發生了相撞,使空間站上的光譜號艙被迫關閉。這次碰撞也加速了和平號空間站失效墜毀的進程。

                      龐之浩表示,當前中國所要做的就是不斷完善航天器對接的技術,力爭達到國際領先的水平,從而避免美俄類似對接事故的發生。

                      為何要攜帶形體假人?

                      身穿白色艙內航天服,躺臥在狹小椅盆中,身體被束縛帶緊緊固定……“神舟八號”飛船發射升空后,很多人看到艙內被放置了兩個形體假人。

                      “這是為以后神舟飛船與‘天宮一號’手動對接做準備?!饼嬛普f。

                      雖然中國的神舟號系列飛船已經可以實現載人航天并安全返回,但是龐之浩表示由于“神舟八號”執行首次空間交會對接任務,其擔負的任務性質也發生很大變化,存在一定安全風險,為了安全起見,沒有上航天員。

                      不過為給以后航天員上天實施交會對接任務做準備,“神舟八號”飛船按照載人標準配備了兩個形體假人,用于模擬航天員飛行狀況。

                      據悉,這兩個形體假人各重75公斤,按真實飛行狀態穿戴艙內航天服,服裝上安裝了生理測試盒,能夠模擬產生心電、呼吸、體溫、血壓等生理信號,經采集傳輸后,下傳到地面。

                      據介紹,在真實飛行中,這4大生理指標密切關系到航天員飛行時的身體健康,需要實時監測,供地面醫監醫生分析。在執行航天任務時,航天員也會24小時穿著生理信號測試背心,隨時下傳自己的各項生理指標。

                      由于“神舟八號”飛船沒有航天員,不會真的產生心電、呼吸、體溫、血壓等生理信號,因此研究人員采用擬人生理信號主機模擬發出這些信號,以考核信號傳輸鏈路是否正常,為下一步載人飛行進行驗證。但是很顯然,其傳輸的信號由于并不是航天員真實生理數據,數據本身并沒有什么參考價值。

                      宇航員在空間站如何生活?

                      雖然沒有航天員隨行,可“神八”這臺“太空巴士”依舊配有“廚房”。

                      魚香肉絲、宮爆雞丁、水煮魚片……這是未來航天員在太空中一日三餐的部分菜譜,而烹飪這些佳肴,只需把食品放置在艙內一個長、寬、高均不足30厘米的銀白色容器內,就能自動完成。

                      航天專家透露,這款為神舟飛船量身定做的食品加熱裝置,重量僅僅4.4公斤,具有良好的抗沖擊、抗震動性能,既小巧,又實用,因此被航天員親切地稱之為迷你“太空廚房”??蒲腥藛T介紹,將來飛船還可以增加液體加熱裝置,隨時為航天員熱上一杯蘋果汁、果粒橙或純凈水……

                      記者了解到,“神舟八號”不僅裝配了“太空廚房”,還設有微型“太空醫院”為未來航天員飛天之旅提供可靠保障。

                      據悉,該微型“太空醫院”主要是通過生理測試盒、心電記錄裝置、醫監生化檢測裝置、質量測量儀,監測航天員的心電、呼吸、體溫、尿液等各項生理指標,并將數據自動分析后傳送至地面設備,以便地面人員對航天員的身體狀況進行實時監控。此外,還有一臺特別的太空健身器神經肌肉刺激儀,協助航天員進行肌肉疲勞恢復。

                      然而,“太空醫院”中的這些裝置,小至煙盒大小,最大不過成人巴掌大。

                      誰會成為下次手動交會對接的航天員?

                      按照中國航天計劃,在未來的神舟九號或者十號的發射過程中,中國的航天員將會上天手動操作讓飛船與“天宮一號”實現交會對接,誰會成為執行這一任務的航天英雄呢?

                      截至目前,這顯然還是一個謎題。最近,航天員系統總指揮兼總設計師、航天員科研訓練中心主任陳善廣透露,現在我國航天員正在接受交會對接任務訓練,第一批航天員將是這一階段交會對接任務的主力。

                      據了解,選定于上個世紀90年代中期,包括楊利偉、翟志剛等在內的我國第一批航天員共有14名,全部為男性,目前均超過40歲,已經積累了十分豐富的航天任務訓練經驗。但是誰會去執行我國航天器的手動交會對接呢?現在依舊沒有答案。

                      另外在2010年,我國已經選定了第二批航天員名單,共5男2女。陳善廣透露,截至目前兩名女航天員已經通過了飛行乘組的初步選拔。對這兩名女航天員而言,這意味著她們的航天之路越來越近。但是她們是否會參與執行未來我國航天器的首次手動交會對接呢?目前也還是一個未知數。

                      陳善廣表示,現在手動交會對接技術已經是我國航天員訓練的重點。在手動交會對接中,航天員要根據電視圖像、位置距離速度等信息來判定兩個航天器的姿態并在規定時間內完成對接任務,對航天員眼手協調性、操作精細性和心理素質要求特別高。因此,要對航天員進行反復的嚴格的訓練,一般要經過數百次到上千次的訓練才能滿足要求。

                      而最終誰會去執行這一任務,航天員的訓練結果將會成為重要的參考指標。

                      中國“太空巴士”未來走向何方?

                      測控通信系統設計師王瑞軍透露,由于我們的飛船和國際空間站上的對接機構都是“異體同構周邊”式結構,只要我們擁有和他們一樣的評定標準,我們的飛行器應該可以和國際空間站對接。

                      在另外一個方面,我國的神舟飛船系列也表現出了良好的性能。從1999年“神舟一號”無人飛船開始,我國已經成功發射并回收7艘神舟飛船,成功率達到100%,另外通過幾次載人航天的測試和隨后的改進,目前我國的神舟飛船已經構建了完善的生命保障系統并能夠給航天員提供一個舒適的航天環境,它已經變成了名副其實的“太空巴士”。

                      “將來,如果有相關合作及任務需要,我國航天員就可以乘坐我們自己的‘太空巴士’去國際空間站?!饼嬛普f。

                      在另一個方面,將來中國的神舟系列飛船也可以像商品一樣出售給美國等一些需要往返國際空間站的宇航員使用。2011年,美國的航天飛機退出歷史舞臺,目前往返國際空間站的只剩下俄羅斯的聯盟號宇宙飛船。

                      蘇聯和俄羅斯的“聯盟”系列飛船至今已使用40多年,可容納3名宇航員,也可改造為貨運飛船。與航天飛機相比,“聯盟”飛船結構簡單、技術成熟過硬、制造周期短,是經久耐用、性能良好的航天運載工具。從1971年6月“聯盟”11號飛船墜毀以來,已40年未發生重大事故。

                      但是在美國的航天飛機退出歷史舞臺以后,俄羅斯的聯盟號飛船就開始大幅漲價。記者了解到,按照美俄兩國目前即將到期的合約,俄羅斯目前的收費標準是每人5600萬美元。而根據雙方今年新簽訂的協議,俄羅斯在2014年到2016年將為美國運送12名宇航員前往太空站,總價值高達7.53億美元,平均每名宇航員支付的航天路費將近6300萬美元。

                      “但是未來,我國的神舟飛船有可能成為美國等一些國家宇航員上天的另外一種選擇,只要我們不斷增強其可靠性與安全性,它將會成為俄羅斯聯盟號的一個有力競爭者?!饼嬛普f。

                      記者在酒泉衛星發射基地親歷“神舟八號”發射

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