天宫神八成功交会共经历5次变轨4个停泊点(图)_新闻台

飞船系统总设计师详解交会对接逾越五道关

　　中国首次太空交会对接将于2日深夜至3日凌晨进行。“交会对接，是我国航天史上迄今为止难度最大的一次飞行任务。”作为载人航天工程空间实验室系统和飞船系统两个系统的总设计师，张柏楠因博学和技术扎实被业内人士称为“难不倒”。然而这一次，“难”成了他接受采访口中出现频率最高的词汇。如何交会，如何对接，难在哪里？张柏楠将实现交会对接的过程总结归纳为“过5关”。据新华社

　　瞄准：

　　点火误差不能

　　超过正负1秒

　　以往飞船发射，可以在几十分钟甚至更宽的时间范围内择机点火，而神舟八号飞船发射点火的时间被限定在正负1秒的范围内。

　　这，就是瞄准的需要。

　　要想瞄准天宫一号，就得将交会对接的那一刻倒推回来，推算出神八起飞时间。11月1日零时，北京飞控中心和飞船试验队根据天宫一号最新位置数据，计算出神舟八号发射窗口和发射诸元。

　　发射进入倒计时15分钟时，综合考量发射场风速、火箭起飞重量等数据的最终点火时间才被确定为5时58分07秒。而根据天文台授时的自动点火系统，准时点火。点火瞄准时多差1秒，飞船到了太空和天宫的轨道面都会产生极大的偏差，轻则消耗大量燃料降低航天器寿命，重则会因燃料不足而无法交会。前苏联1968年的一次交会对接，两飞行器相距仅30厘米时却因燃料耗尽而失败。

　　除了点火时间精确，火箭飞行精度也要提高。这次使用的长征二号F遥八火箭，飞行时通过实时迭代计算不断修正轨道，创造了我国火箭入轨精度的最新纪录。严苛的发射窗口和史上飞得最准的火箭，让神舟八号打出了“十环”的好成绩。“瞄准关”一举突破。

　　追赶：

　　两天内追上10000公里

　　按生活常识去思考，无论距离多远，加大速度去追就是，又有何难？然而，在太空中，飞船追赶天宫的最优方案不是加速，却是不断减速。在轨道周期不变的情况下，轨道越低的飞行器飞得越快。正是基于这样的物理原理，飞船追赶天宫的过程，是一个边抬高轨道边降速的过程。

　　飞船入轨时，与天宫一号还有约1万公里的距离，而且两者轨道不在同一平面。没有严密的计算和超一流的飞控能力，想在短短不到两天的时间内追上，实非易事。通过高水平的轨道设计和严密计算，5次轨道控制后，飞船速度降至与天宫一致时，飞船也恰好到达天宫一号的同一高度和同一位置：10000公里的距离只剩咫尺。

　　我国载人航天工程测控通信系统上升段主任设计师卢立常说，神舟八号飞船发射的窗口时间是根据天宫一号目标飞行器的运行轨道参数来决定的。在神舟八号发射之前，地面飞控中心先要对天宫一号实施调相控制，使它进入距地面343公里的圆轨道等待神八飞船。飞船发射前一天，通过地面飞控中心的控制，使天宫一号目标飞行器的姿态调整为尾部发动机朝前，对接机构朝后，迎接从后面追上来的神八飞船。“调整到合理的位置后，在实施交会对接时，一定要保证使其处于一个相对可测控时间较长的弧段来进行。”卢立常说，“正是综合考虑到这些因素和要求，我们设计了对神八飞船5次变轨的方案。第一次变轨是第5圈的远地点变轨以抬升近地点高度，之后是第13圈调整轨道倾角，第16圈近地点变轨抬高远地点，第19圈变轨是为进一步圆化轨道，第24圈变轨是将前几次的误差进行一次综合修正。通过这5次轨道控制，最终使飞船满足与天宫一号进行对接的各项要求。至此，就完成了地面导引阶段，最后在智利圣地亚哥站上空切换到神八的自主导引阶段。”

　　防撞：

　　历史上这个过程出事最多

　　美俄两国早期的交会对接试验，碰撞事故层出不穷。就在1997年，俄罗斯的进步飞船与和平号空间站还发生相撞，使空间站上的光谱号舱被迫关闭。这次碰撞也加速了和平号空间站失效坠毁的进程。

　　神舟八号飞船在地面引导控制下到达天宫一号后下方52公里处时，二者建立直接通信联系，飞船通过自身的计算机自主控制继续接近天宫一号，并在5公里、400米、140米、30米设立4个停泊点。

　　当飞船历尽艰难来到天宫一号身边，相撞成了最危险的事。飞船专门加装了4台反推发动机，提供紧急避让的动力。

　　二者相距5公里以外时，如果关掉发动机，则会在各自的轨道上越离越远，不会相撞。一旦进入5公里之内，即使没有任何动力，也可能越飞越近导致相撞。

　　因此，4个停泊点就像是轮船入港前的锚地，是重要的可靠性备份措施。走一段停一停，一方面可以避免走得太快发生碰撞，另一方面也提供了处置突发故障的时间。如果在某一阶段出了问题，可以退回上一停泊点，解决后继续按原计划前进。

　　青年航天测控专家王瑞军说：在经过了4次停泊之后，在东风站的上空，神八飞船与天宫一号开始接触，直到锁紧。锁紧时，是在太平洋中部远望三号船的上空。

　　王瑞军介绍说，在对接之前的一段时间里，两个飞行器都处于失控状态，锁紧之后，天宫一号要启动控制程序，消除之前运行偏差，保持飞行姿态，同时停止一些设备的运行。12天后，还要进行一次交会对接试验。对接后组合体再飞行两天，然后再分离，神八撤离天宫一号开始启动返回着陆场的程序。天宫一号则作升轨控制，进入自主运行。

　　精控：

　　好比在浩瀚太空穿针眼

　　在343公里高的轨道上高速飞行的航天器，即使用航天测控站的光学望远镜，也难以清晰观测到。

　　要想在这样的条件下，让两个8吨多的庞然大物，对接机构挨近时误差在18厘米之内，姿态小于5度，这就好比是让飞船拿着一根线，穿到天宫一号拿的那根绣花针的针眼里去。

　　这，需要神舟八号飞船上诸多新增设备的紧密配合。

　　飞船新增的8台平移发动机遍布周身，提供了各个角度和方向的推力。而最关键的，首先是航天器相对位置测量数据的精确，发动机提供的推力才能精确。

　　从相距52公里到实现交会对接，作用距离较远的微波雷达率先工作，进入20公里后精度较高的激光雷达开始工作，进入100米时更加精确的CCD光学敏感器开始介入。这3台技术方案和性能指标均达国际领先水平的交会对接测量设备，完全由我国自主研制，如果对接成功，将验证我国同时掌握3种世界领先的太空测量技术。

　　由于在地面无法完全模拟太空中的阳光强度，为避免强阳光对测量设备的干扰，首次交会对接计划在地球阴影区进行。如果进展顺利，组合体飞行12天后，第二次试验则会选择在光照区进行，充分验证测量设备的抗干扰能力。

　　分离：

　　关系到航天员

　　未来生命安全

　　两个航天器的速度、位置、姿态、偏差等11个参数满足对接条件后，神舟八号在惯性作用下继续前进，与天宫一号轻轻相触。当感应装置感受到接触，飞船尾部4台发动机随即点火，“捕获”后旋即关机，紧接着，缓冲、校正、拉近、拉紧、锁死等一系列动作就会相继展开，上千个齿轮和轴承同步动作，飞船和天宫用大约15分钟的时间组成了刚性连接的组合体。神舟八号和天宫一号的对接机构是迄今为止中国最复杂的空间机构，有数百个轴承齿轮和上万个零部件。两个航天器形成组合体运行结束飞船准备返回时，分离也是一个重要关口。如果分不开，航天员就无法返回地球。

　　对接机构上的12把结构锁，每个锁的拉力都是数吨级。为保分离采取了4重备份。飞船锁钩自动解锁失效，则由天宫锁钩解锁，如果仍然不行，则先用火工品炸断飞船锁钩，仍然无效，最后的选择就是把天宫的锁钩炸毁，万一发展到这一步，天宫的对接机构永远失效，将无法迎接下一艘飞船。锁紧机构依次解开后，两个对称的弹簧提供了初始推力，飞船离天宫慢慢变远，直至撤至安全距离，飞船发动机点火，加速离开。飞船返回舱返回地球后，交会对接试验至此完成。