天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體精準(zhǔn)完成前向交會(huì)對(duì)接。新華社記者 郭中正攝

神舟十三號(hào)航天員通過(guò)手控遙操作方式控制貨運(yùn)飛船。新華社記者 郭中正攝

近日，中國(guó)空間站再傳喜訊——1月8日，神舟十三號(hào)航天員乘組在地面科技人員的密切協(xié)同下，在核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。通過(guò)浪漫的“太空之吻”試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了空間站與來(lái)訪飛行器手控遙操作系統(tǒng)的功能、性能以及天地間協(xié)同工作程序的合理性。

進(jìn)入2022年，中國(guó)空間站建設(shè)步伐穩(wěn)健。從空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船試驗(yàn)，到天舟二號(hào)與空間站組合體交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，中國(guó)已經(jīng)為空間站的正式建成做足了準(zhǔn)備。

手控遙操作精準(zhǔn)交會(huì)對(duì)接

手控遙操作是航天科技集團(tuán)五院專門為無(wú)人來(lái)訪飛行器配備的功能，是飛船GNC（制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制）系統(tǒng)的一部分。在對(duì)接試驗(yàn)開(kāi)始后，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船從空間站核心艙節(jié)點(diǎn)艙前向端口分離，航天員通過(guò)手控遙操作方式，控制貨運(yùn)飛船撤離至預(yù)定停泊點(diǎn)。短暫停泊后，轉(zhuǎn)入平移靠攏段，控制貨運(yùn)飛船與空間站組合體精準(zhǔn)完成前向交會(huì)對(duì)接。

去年5月和9月，天舟二號(hào)與天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船分別完成了與天和核心艙和組合體的自主快速交會(huì)對(duì)接，為何還要進(jìn)行手控遙操作方式？

據(jù)介紹，手控遙操作交會(huì)對(duì)接作為空間站與來(lái)訪飛行器交會(huì)對(duì)接的重要模式，是無(wú)人來(lái)訪飛行器自動(dòng)交會(huì)對(duì)接的備份手段。此次試驗(yàn)，是首次由神舟十三號(hào)航天員在軌利用手控遙操作設(shè)備，控制貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。試驗(yàn)過(guò)程中，航天員坐在空間站核心艙里通過(guò)遠(yuǎn)程的方式“駕駛”貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行對(duì)接。整個(gè)“駕駛”過(guò)程中，航天員的視角是從飛船“看向”空間站的，就如同航天員坐在貨運(yùn)飛船里“開(kāi)飛船”一樣。

中國(guó)空間站系統(tǒng)總指揮王翔說(shuō)，當(dāng)代自動(dòng)控制精度足夠高且穩(wěn)定，但人控仍然作為一種冗余手段保留了下來(lái)，這是因?yàn)闄C(jī)器無(wú)法替代人在現(xiàn)場(chǎng)的臨機(jī)處置能力。兩個(gè)飛行器非常接近時(shí)若發(fā)生異常，地面干預(yù)的實(shí)時(shí)性比不上現(xiàn)場(chǎng)的航天員，并且航天員可以進(jìn)行綜合情況的判斷和處置，更有利于保證安全。

確保“開(kāi)貨車”準(zhǔn)確安全

此前，中國(guó)曾在神舟九號(hào)和神舟十號(hào)飛船上實(shí)施過(guò)兩次手控交會(huì)。與載人飛船的手控交會(huì)對(duì)接相比，在貨運(yùn)飛船的手控遙操作中，航天員面對(duì)的儀表系統(tǒng)、操作的手柄等和此前在神舟飛船上實(shí)施的兩次手控交會(huì)大同小異，最大程度減小了航天員的訓(xùn)練難度，減輕了操作和識(shí)別方面的負(fù)擔(dān)。

與此同時(shí)，貨運(yùn)飛船的手控遙操作也有自己的難點(diǎn)和特點(diǎn)，比如操作上的響應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)敏捷性有所不同——載人飛船的手控如同“開(kāi)轎車”，貨運(yùn)飛船的手控遙操作則像“開(kāi)貨車”。

據(jù)介紹，貨運(yùn)飛船的手控遙操作需要把貨運(yùn)飛船上攝像機(jī)“看到”的圖像傳到空間站，空間站上的航天員也需要把指令傳回給貨運(yùn)飛船，一來(lái)一去就造成了航天員反應(yīng)和執(zhí)行指令的延時(shí)。同時(shí)，貨運(yùn)飛船要比載人飛船重，平移加速度小，所以動(dòng)作不敏捷。

為了讓“開(kāi)貨車”的過(guò)程同樣準(zhǔn)確、安全，在方案設(shè)計(jì)階段，研制人員針對(duì)貨運(yùn)飛船的特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合中國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和未來(lái)的發(fā)展使用需求，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)延時(shí)條件下的精確控制，并在航天員培訓(xùn)中進(jìn)行了專門訓(xùn)練。

機(jī)械臂幫助飛行器“搬家”

就在不久前的1月6日，經(jīng)過(guò)約47分鐘的跨系統(tǒng)密切協(xié)同，中國(guó)空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船試驗(yàn)取得圓滿成功，這是中國(guó)首次利用空間站機(jī)械臂操作大型在軌飛行器進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗(yàn)。

專家介紹，在轉(zhuǎn)位試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)械臂一端連接核心艙，一端連接天舟二號(hào)，就像“一個(gè)扁擔(dān)挑著兩個(gè)大象”，這對(duì)機(jī)械臂的負(fù)載來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。專家介紹，此前空間站機(jī)械臂已經(jīng)協(xié)助航天員完成了4次出艙任務(wù)，但航天員加上航天服的負(fù)載只有300公斤左右，而在轉(zhuǎn)位試驗(yàn)時(shí)，機(jī)械臂的負(fù)載達(dá)到近9噸。

為此，科研人員對(duì)轉(zhuǎn)位試驗(yàn)進(jìn)行了巧妙的設(shè)計(jì)——首先，機(jī)械臂提前兩天爬行到位于節(jié)點(diǎn)艙附近的停泊口，為轉(zhuǎn)位試驗(yàn)做準(zhǔn)備。之后，通過(guò)捕獲的方式抓住天舟二號(hào)。試驗(yàn)開(kāi)始后，天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與天和核心艙解鎖分離后，在機(jī)械臂拖動(dòng)下以核心艙節(jié)點(diǎn)艙球心為圓心進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位；爾后反向操作，直至貨運(yùn)飛船與核心艙重新對(duì)接并完成鎖緊。

利用機(jī)械臂捕獲天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船并進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗(yàn)，是神舟十三號(hào)乘組的重要試驗(yàn)任務(wù)之一。轉(zhuǎn)位試驗(yàn)的目的是什么？專家介紹，今年中國(guó)還將發(fā)射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，在空間站建造過(guò)程中，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將先后對(duì)接到空間站的前向?qū)涌凇．?dāng)實(shí)驗(yàn)艙II抵達(dá)時(shí)，原本在前向?qū)涌诘膶?shí)驗(yàn)艙I需要讓出位置，這便需要在機(jī)械臂的幫助下“搬家”。

為之后發(fā)射的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙實(shí)施艙段轉(zhuǎn)位做好準(zhǔn)備——這正是此次試驗(yàn)的目的。通過(guò)試驗(yàn)，初步檢驗(yàn)了利用機(jī)械臂操作空間站艙段轉(zhuǎn)位的可行性和有效性，驗(yàn)證了空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)和機(jī)械臂大負(fù)載操控技術(shù)，為后續(xù)空間站在軌組裝建造積累了經(jīng)驗(yàn)。

今年正式建成空間站

完成兩項(xiàng)重大任務(wù)之后，天舟二號(hào)已基本完成了在空間站的使命。據(jù)專家介紹，天舟二號(hào)將攜帶各類廢棄物資與天和核心艙分離，并擇機(jī)受控再入地球大氣層燒毀，這也是空間站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

天舟二號(hào)“畢業(yè)”后，中國(guó)空間站將很快“熱鬧”起來(lái)。2022年，中國(guó)載人航天工程轉(zhuǎn)入空間站建造階段，根據(jù)計(jì)劃將完成6次重大任務(wù)——發(fā)射天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船，運(yùn)送補(bǔ)給物資；實(shí)施神舟十四號(hào)載人飛行任務(wù)；神舟十四號(hào)乘組在軌駐留期間，將先后發(fā)射問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙，與天和核心艙對(duì)接，問(wèn)天和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙均作為支持大規(guī)模艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)載荷支持艙段，同時(shí)問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙還作為組合體控制和管理備份艙段，具備出艙活動(dòng)能力，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙具備載荷自動(dòng)進(jìn)出艙能力；隨后實(shí)施天舟五號(hào)貨運(yùn)補(bǔ)給和神舟十五號(hào)載人飛行任務(wù)，神舟十五號(hào)乘組將與神舟十四號(hào)乘組開(kāi)展在軌輪換。

屆時(shí)，中國(guó)將正式建成空間站。對(duì)空間站狀態(tài)進(jìn)行全面評(píng)估后，將轉(zhuǎn)入空間站應(yīng)用與發(fā)展階段，具備長(zhǎng)期連續(xù)載人駐留能力。劉 峣