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天宫空间站后续建造流程公开,各种构型轮番上阵,犹如变形金刚往

原标题:天宫空间站后续建造流程公开,各种构型轮番上阵,犹如变形金刚

再过几天神舟十二号航天员乘组就将返回地球,这意味着天宫空间站“关键技术验证阶段”任务已经行程过半。

天宫空间站首批进驻航天员即将搭乘神舟十二号返回地球

按照规划此一阶段共有6次发射,已经实施的任务有长征5B遥一、长征5B遥二/天和一号核心舱、长征七号遥三/天舟二号货运飞船、长征2F遥十二/神舟十二号载人飞船。

关键技术验证阶段最后两发任务也将在接下来不到一个月时间内连续发射,即长征七号遥四/天舟三号与长征2F遥十三/神舟十三号。

关键技术验证阶段任务规划

关键技术验证阶段已经实施的4次任务

神舟十二号与天和一号核心舱分离后还将验证径向交会技术,之后天舟二号与天和一号核心舱后向对接口分离并绕飞至前向对接口对接。

天舟二号绕飞至核心舱前向对接口

新发射的天舟三号与神舟十三号将分别对接天和一号核心舱后向与径向两个对接口,届时天宫空间站将在短期内形成一个由天和一号核心舱、天舟二号货运飞船、天舟三号货运飞船、神舟十三号载人飞船组成的呈T字形构型近50吨级在轨规模的四舱(船)组合体。

神舟十三号对接后天宫空间站的组合体形态

天舟二号为什么没有紧随神舟十二号撤离?因为它还要验证核心舱前向对接口推进剂在轨补加功能,以及执行机械臂辅助转位试验。

关键技术验证阶段对天宫空间站具有奠基意义,主要验证七大关键技术,分别是,空间站推进剂补加、再生生保、柔性太阳电池翼和驱动机构、大型柔性组合体控制、组装建造、舱外操作、在轨维修。

天和一号核心舱配置的大型柔性太阳翼

天宫空间站航天员第二次出舱任务画面

与神舟十二号乘组为期3个月在轨驻留时间不同,神舟十三号乘组在轨驻留时间将延长至6个月,这一时间也将是此后各批次航天员乘组的常态化驻留时间。待神舟十三号乘组完成为期半年在轨任务后,明年天宫空间站将迎来另一个激动人心的时刻,即“在轨建造阶段”。按照计划我们将在2022年之前完成在轨建造任务,从而进入常态化运营阶段。

天宫空间站的三大任务阶段

随着关键技术验证阶段任务陆续展开,人们对该阶段任务流程已逐渐熟悉,然而对于明年即将开始的“在轨建造阶段”尚缺乏足够的认知。

无独有偶,一部全新的载人航天工程宣传片在近期航天员天地连线活动中得以公开,该片展示了许多在轨建造阶段的任务细节。

我们都知道天和一号是天宫空间站核心舱,然而鲜为人知的是,现阶段天和一号的准确身份是“试验核心舱”,完成关键技术验证阶段任务并通过状态评审后将在轨直接转正为“核心舱”,届时天和一号核心舱将为迎接在轨建造阶段任务做好一切准备。

天和一号舱内画面

在轨建造阶段大部分任务都将在神舟十四号任务期间展开实施,该飞船将对接于天和一号核心舱对地方向的径向对接口,为后续到来的两个大型实验舱让出轴向对接口。

神舟十四号航天员乘组进驻天和一号不久,很快长征5B遥三大型运载火箭就将托举问天号实验舱发射入轨,该舱段的目标对接位置是天和一号核心舱第四象限径向停泊口。

问天号实验舱与空间站组合体交会

身为追踪飞行器的问天号实验舱有着22吨级的身板,而作为目标飞行器的空间站组合体也是40吨级规模,加上异体同构周边对接机构需要较大撞击能量,如果直接径向对接将使得空间站姿态控制变得更加复杂,为此我们采取了先轴向对接再转位径向对接的方案

问天号实验舱与空间站组合体轴向对接

问天号实验舱的到来相当于为天宫空间站带来一个超值大礼包,首先是数量可观的科研机柜与舱外载荷挂点,再就是该舱段的小柱段配置了一部小型机械臂,它可以与天和核心舱主机械臂对接形成长度达15米的超长机械臂,基于天和机械臂爬行功能,可以实现天宫空间站整站全触达。

天和机械臂与问天号实验舱机械臂双臂组合

问天号实验舱还配置有人员专用气闸舱,它可以与天和一号气闸舱(节点舱)互为备份。在没有人员专用气闸舱情况下航天员实施出舱活动任务期间空间站舱段间交通将被阻断,比如神舟十二号乘组执行两次出舱活动任务期间神舟十二号飞船与天和核心舱之间的交通就是阻断状态,一旦出现危险情况难以做出有效应对。

使用天和气闸舱执行出舱任务时核心舱与神舟飞船交通阻断

人员专用气闸舱到位后将完美化解这一问题,届时它将是航天员实施出舱活动的第一选择。

问天号实验舱人员专用气闸舱

值得注意的是,问天号实验舱人员专用气闸舱舱门是面向地球一侧,这与天和一号气闸舱面向太空一侧不同,空间站完成在轨建造任务后将由连续偏航姿态转三轴对地稳定姿态运行,面向地球一侧的出舱口将背对太阳,有助于航天员执行出舱任务时的环境感知。

核心舱气闸舱进出舱成像受阳光干扰问题突出

与之对比神舟十二号乘组在使用核心舱气闸舱执行出舱任务时,当组合体运行至阳照区时出舱口全景相机受强烈阳光干扰画面过度曝光问题比较严重,而出舱过程恰恰是非常关键的阶段,需要舱内航天员与地面通过镜头画面指导出舱航天员做出正确动作。

在问天实验舱机械臂辅助下进行出舱活动

在轨建造阶段最为关键的任务就是两个实验舱的“转位对接”,事关整个空间站的成败。假设问天号实验舱无法转位,意味着轴向对接口被占用,后续梦天实验舱无法对接,甚至飞船对接口也将因此由3个缩减至2个,空间站总体任务目标将无法达成。

基于转位任务的不可逆性质,空间站总体为此准备了两套互为备份的转位方案。首先是实验舱自备的转位机械臂,转臂通过与节点舱基座相连带动实验舱进行上翻、旋转、下翻实现转位对接,该转位机械臂运动关节少,优势是可靠性高。

用于对接实验舱转位机械臂的基座

转位机械臂控制问天号实验舱转位对接

天和核心舱主机械臂则是转位机械臂的备份手段,该机械臂自设计伊始就确立了25吨级的承载力指标,目的就是为服务实验舱转位对接。目前正对接于天和一号核心舱后向对接口的天舟二号货运飞船在任务末期就将绕飞至前向对接口,并配合天和机械臂进行在轨转位试验。

天舟二号货运飞船配合天和机械臂进行转位试验

问天号实验舱完成转位对接后,梦天号实验舱也将紧随其后在神舟十四号任务期间完成对接,该舱段目标对接位置是天和一号核心舱第二象限径向停泊口,对接方法与问天号实验舱完全一致。

梦天号实验舱与空间站组合体轴向对接

梦天号实验舱转位对接

天宫空间站在轨组装过程犹如太空变形金刚,需要历经一字形、L形、T形等多个构型演变,进一步凸显其姿态控制系统的强大适应力。

两个实验舱完成对接后就意味着天宫空间站三舱组合体在轨组装任务大功告成,接下来就是验证最后一项核心能力,即航天员在轨轮换。

完成在轨组装任务的天宫空间站组合体

是否具备航天员在轨轮换能力,决定了天宫空间站能否具备连续不间断的有人驻留能力,这也是永久性载人空间站的一项标志性能力。

届时神舟十五号飞船将搭乘长征2F遥十五运载火箭升空,并与天和一号核心舱轴向对接口对接,此时天宫空间站的舱(船)段成员有:天和一号核心舱、问天实验舱、梦天实验舱、天舟五号货运飞船、神舟十四号载人飞船、神舟十五号载人飞船,组合体在轨规模将达到90吨级,站内航天员人数由3人升级至6人。

天宫空间站航天员首次在轨轮换组合体形态

话说天和一号核心舱自身就具备同时对接两艘神舟飞船能力,为什么一定要等到空间站完成组装任务后再进行航天员在轨轮换呢?这是因为问天号实验舱另外配置有3个独立睡眠区,加上天和一号核心舱3个独立睡眠区,总计有6个独立睡眠区,可以保障航天员轮换期间6人同时短期驻留需求,在睡眠区全部到位后进行在轨轮换可以更加全面的检验空间站综合保障能力。

在上一篇文章里笔者提到22吨级的天和一号核心舱以一己之力就能够匹敌国际空间站星辰号核心舱+曙光号多功能货舱+团结号节点舱三舱相加的各项功能,甚至有所超出。其实远远不止如此,天宫空间站不仅实现了功能超越,更是在设计理念上完成了新的蜕变。

天和一号PK国际空间站三大舱段

载人航天工程空间站系统总指挥王翔对此指出,基于系统科学思想的理念,组成天宫空间站的各舱段(包括来访飞船)原为独立飞行器,对接后形成一个由空间站统一控制和管理的组合体;其组合过程实际上是控制权的交接或接管,新舱段将控制权交与空间站,将舱体与舱内资源融入空间站并形成扩展后新的空间站的一部分。最终实现1+1等于1的工程效果。

1+1等于1的背后是空间站各舱段资源的高效整合,反观国际空间站在诸多领域则是1+1小于1,其表现如下:

1.电力系统只具备单向供电能力,比如国际空间站诸多舱段只能由桁架太阳翼供电,桁架太阳翼又对俄舱段太阳翼形成遮挡,导致后者电力供应www.ltjprl.cn能力受损。

国际空间站桁架太阳翼对俄舱段太阳翼遮挡问题突出

2.热控资源无法集中,国际空间站非俄舱段建立了以命运号实验舱为中心的公共流体回路系统,实现了局部热控资源的共享,但俄舱段由于流体介质与非俄舱段不同,导致两者无法构建更加完整的公共流体回路。

国际空间站星辰号服务舱(俄)

3.信息系统难以共享,国际空间站各舱段之间通常可以看到颇为凌乱的线路连接,这些都是航天员在出舱任务中进行手动拉线连接。

国际空间站舱段间凌乱的线路连接

再比如他们航天员在出舱期间头盔摄像机传输画面经常有传输中断的现象,这些都是信息链路阻塞的表现。

NASA舱外航天服成像画面传输中断现象

天宫空间站不仅完美解决了上述问题,更实现了新的创新。基于航天器交会对接技术的结构与运动控制,以及流体回路资源共享这都是基本技能。

载人空间站通常都是由一个核心舱为基点开枝散叶,而我们则是在天和一号这个强核心舱基础上创新了“三舱核心组合体(天和一号+问天号+梦天号)”方案,该方案之所以能够实现得益于结构与运动控制、信息系统、能源系统、热控流体回路、载人环境、推进系统的高度融合。

天宫空间站“三舱核心组合体”地面验证舱

电力供应方面,径向对接于天和一号的两个大吨位实验舱形成了近40米的大跨度,两部双自由度大型太阳翼布置在两个实验舱的两端,达到了类似国际空间站桁架结构克服太阳翼相互遮挡问题的作用,同时高光电转化效率的三结柔性砷化镓电池技术的应用,使得电池翼更加轻质,且发电效率更高。

在解决太阳翼遮挡问题上我们进一步创新了电力系统在轨重构功能,天和一号核心舱太阳翼可由航天员在机械臂辅助下拆卸,并转移至两个实验舱末端的桁架处安装,彻底解决电池翼遮挡问题,而这就是“三舱核心组合体”的一个显著特征。

机械臂辅助航天员转移核心舱太阳翼

同时天宫空间站实现了双向供电,新对接舱段既能从站上获取电力,同时也可以反向供电以满足其他舱段更大的用电需求。

天地通话是空间站的基础功能,国际空间站在进行此项任务时通常需要佩戴有线耳机或者是麦克风。

国际空间站航天员使用有线设备进行天地通话

而天宫空间站在高速互联网络支持下航天员只需佩戴无线骨传导耳机,甚至不需要耳机只需手机打开外音就能天地通话。同时我们还可以实现跨舱段信息互联,航天员无需频繁的跨舱段移动就能在一个舱段对另一个舱段进行控制。

天宫空间站航天员天地通话甚至无需佩戴任何设备

“三舱核心组合体”还体现在问天实验舱的功能备份上,该舱段有控制力矩陀螺、综合显示仪表、姿轨控动力等备份设备,它与天和一号核心舱之间的发射间隔仅有一年时间,与之相比国际空间站备份核心舱功能的科学号则间隔了将近二十三年才发射上天。

天宫空间站“三舱核心组合体”可以看作是一个规模更大且功能更强大的核心舱,其功能有多强大?国际空间站人员专用气闸舱、货物专用气闸舱、暴露实验平台、外部挂点、桁架等几乎所有硬件配置都能在我们的“三舱核心组合体”中一一对应。

梦天实验舱可展开式暴露实验平台

除此之外,“三舱核心组合体”的空间利用率也非常高,400吨级的国际空间站仅配置了31个科研机柜,而我们呢?

根据空间站科学实验资源手册披露,60吨级的“三舱核心组合体”就能够容纳23个科研机柜,待拓展工程实施后,后续实验舱由于无需备份核心舱功能,因此将有更大的空间放置科研机柜,届时科研机柜规模就不仅仅是23乘以2这么简单,大幅超越国际空间站在轨科研能力更是必然结果。

天宫空间站由T字形向干字形演化的拓展方案

天宫空间站不仅是人类载人航天科技的集大成者,其运营理念也非常先进,如此优秀的平台必将吸引全球有实力选手参与其中。

天宫不同于国际空间站的门户有别,首先这是我们的国家太空实验室,在这个基础上确立了共享开放的合作模式,即由我方提供天地往返运输与在轨科研服务,所有参与其中的外方则需满足向我方共享科研数据与成果的条件,如此一来就真正做到了全球资源为我所用

第一批入选天宫空间站的外方科研项目

强大平台+先进运营方案,可以说天宫空间站将成为我国航天工业乃至整个工业体系快速发展的力量倍增器,我们将以前所未有的速度快速向前突破。

天宫空间站变重力科研机柜

许多国人每每谈到中外科技对比话题时总有一个预设思维框架,就是我们要以一己之力PK全球,任何一个领域对比某个国家有不足时都会有所抱怨,而天宫空间站就是以一己之力PK全球的经典之作。

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评论 1

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