從8個“首次”解碼“神十三”（筑夢“太空之家”——中國空間站建設(shè)記？）
中國空間站機(jī)械臂對天舟二號貨運飛船進(jìn)行在軌轉(zhuǎn)位示意圖。
虎年春節(jié)到來之際，“神十三”飛行乘組在中國空間站天和核心艙通過中央電視臺向全球中華兒女拜年。
“神十三”飛行乘組在開展在軌遙操作對接試驗。
近日，世界科技領(lǐng)域最熱門的話題莫過于中國神舟十三號飛行乘組從太空歸來，國際主流媒體紛紛關(guān)注，形成了報道熱潮。
英國路透社網(wǎng)站刊文介紹說，“神十三”載人飛行是中國迄今為止在軌駐留時間最長的一次太空任務(wù)，該文還結(jié)合中國已成功實施的首次火星探測任務(wù)和實現(xiàn)人類首次登陸月球背面壯舉，指出中國正在向2030年躋身世界航天強(qiáng)國行列的宏偉目標(biāo)挺進(jìn)。美國《外交學(xué)者》雜志網(wǎng)站的報道揭示了“神十三”任務(wù)的性質(zhì)是“中國空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段的最后一次飛行任務(wù)”，其圓滿成功標(biāo)志著“中國空間站建設(shè)將進(jìn)入新階段”。美國太空網(wǎng)深入報道了“神十三”航天員乘組開展的出艙、科學(xué)實驗和太空授課等活動，認(rèn)為此次任務(wù)的成功為后續(xù)建造空間站奠定了堅實基礎(chǔ)。
奮斗創(chuàng)造輝煌，堅持創(chuàng)造卓越，被國際媒體持續(xù)熱議的“神十三”實現(xiàn)了中國航天的一個又一個“首次”，成為中國載人航天工程實施30年、大踏步邁向中國空間站時代的一座豐碑。
�、偈状螆�(zhí)行應(yīng)急救援發(fā)射待命任務(wù)
對于公眾來說，“神十三”成為關(guān)注的焦點始于2021年10月16日成功發(fā)射進(jìn)入太空，然而，其使命早在2021年6月“神十二”發(fā)射之時就已開始，只不過她彼時的角色是應(yīng)急救援的備份載人飛船，與長二F遙十三火箭攜手隨時做好執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)的準(zhǔn)備。
為了應(yīng)對載人航天活動可能存在的風(fēng)險，確保完成載人飛行任務(wù)并保障航天員生命安全，中國空間站任務(wù)階段首次建立了應(yīng)急救援任務(wù)模式，采用“滾動待命”策略，即在前一發(fā)載人飛船發(fā)射時，后一發(fā)載人飛船和運載火箭在發(fā)射場待命，通過在軌�？匡w船和發(fā)射場待命飛船共同確保在軌航天員安全。為此，“神十三”與“神十二”同時出廠，同時在發(fā)射場完成總裝、測試等工作。與此相應(yīng)，長二F火箭采取“發(fā)射1發(fā)、備份1發(fā)”的“滾動備份”發(fā)射模式，兩發(fā)火箭同時進(jìn)場，相繼完成總裝測試，流程上交叉，型號隊伍并行作業(yè)。
經(jīng)過緊張有序的準(zhǔn)備工作，在“神十二”載人飛船執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時，“神十三”載人飛船和長二F遙十三火箭均已處在待命狀態(tài)。一旦需要開展緊急救援，可以啟動相關(guān)程序，“船”“箭”合璧，短時間內(nèi)即可發(fā)射入軌，開展太空救援。
�、谑状伍_展飛船徑向?qū)訉崙?zhàn)
順利發(fā)射升空后，“神十三”首要的任務(wù)就是完成與空間站天和核心艙空間交會對接，形成組合體�？臻g交會對接被形象地稱作“太空穿針引線”，是兩個航天器在空間軌道上會合并在結(jié)構(gòu)上連成一個整體的技術(shù)。2011年11月，神舟八號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器成功進(jìn)行了中國航天史上首次空間交會對接。此后，該項技術(shù)在中國多次航天任務(wù)中得到進(jìn)一步驗證和拓展，“神十三”與天和核心艙實施的飛船首次徑向交會對接就是其中重要拓展成果之一。
“神十三”采用的徑向?qū)雍椭捌渌w船采用的后向?qū)印⑶跋驅(qū)硬煌�，其要與天和核心艙保持90度夾角，從天和下方來接近并實現(xiàn)對接。要成功做到這一點，必須解決好徑向?qū)訒r兩個航天器運行軌道高度差帶來的速度控制、姿態(tài)控制等諸多難題�！吧袷苯�(jīng)受住了考驗，在制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)指揮下，歷時6.5小時，智能自主完成了此次徑向?qū)尤蝿?wù)。這一成功在一定程度上要歸功于“神十二”進(jìn)行的徑向?qū)釉囼灧e累的經(jīng)驗。2021年9月16日，即將結(jié)束飛行任務(wù)的“神十二”成功繞飛空間站組合體并與之進(jìn)行了徑向交會對接試驗。
�、凼状芜M(jìn)行在軌遙操作對接試驗
“神十三”飛行乘組除了開展飛船徑向?qū)訉崙?zhàn)之外，還首次進(jìn)行了在軌遙操作對接試驗并取得圓滿成功，為確保天舟貨運飛船穩(wěn)穩(wěn)�？俊疤鞂m”提供了備份對接手段，為中國空間站的在軌建造和運營上了一道“安全鎖”。
手控遙操作是由航天員在軌利用手動技術(shù)對飛船進(jìn)行遙控操作，控制貨運飛船與空間站進(jìn)行交會對接，是專門為貨運飛船這類無人來訪飛行器配備的功能，此操作與神舟載人飛船的手控交會對接有一些類似的地方。航天員在空間站核心艙里，通過遠(yuǎn)程的方式“駕駛”貨運飛船與空間站對接。在此過程中，航天員仿佛坐在貨運飛船里，用第一視角“看向”空間站，憑借面前的儀表系統(tǒng)，通過操作手柄等完成與空間站的對接。
今年1月8日，“神十三”飛行乘組在核心艙發(fā)出控制指令，讓天舟二號先與核心艙分離，然后航天員手動控制貨運飛船的位置和姿態(tài)，撤到前向的一定距離。他們在地面科技人員的密切協(xié)同下，在空間站核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號貨運飛船與空間站組合體交會對接試驗，驗證了空間站與來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。
�、苁状螌崿F(xiàn)了中國女航天員出艙
走出航天器，漫步太空，開展艙外作業(yè)是空間站建設(shè)和運營的必備能力之一。通過“神十三”任務(wù)，中國載人航天繼續(xù)在出艙和艙外作業(yè)能力方面取得新的突破，其中包括圓滿完成了首位女性航天員出艙和艙外作業(yè)任務(wù)。
2021年11月7日晚，“神十三”乘組成員王亞平身著新一代“飛天”艙外航天服，緊隨指令長翟志剛從“天和”節(jié)點艙成功出艙，由此成為中國首位進(jìn)行出艙活動的女航天員，邁出了中國女性艙外太空行走第一步。之后，王亞平與翟志剛按照操作規(guī)程，根據(jù)地面指揮中心的指令，在艙內(nèi)航天員葉光富配合支持下，開展了機(jī)械臂懸掛裝置與轉(zhuǎn)接件安裝、艙外典型動作測試等作業(yè)。
由于太空微重力環(huán)境下，艙外行走在很大程度上靠上肢在航天器外部攀爬來實現(xiàn)，艙外作業(yè)更是要憑借上肢來完成，在身著艙外航天服的情況下，航天員上肢力量和耐力經(jīng)受很大考驗。王亞平此次出艙和艙外作業(yè)的亮眼表現(xiàn)證明，在浩瀚太空里，中國女航天員同樣能撐起“半邊天”。
⑤機(jī)械臂首次在軌轉(zhuǎn)位大型航天器
2022年1月6日凌晨，中國空間站機(jī)械臂成功捕獲天舟二號貨運飛船。6時12分轉(zhuǎn)位試驗開始，天舟二號貨運飛船與天和核心艙解鎖分離后，在機(jī)械臂拖動下以核心艙節(jié)點艙球心為圓心進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位；之后，反向操作，直至天舟二號貨運飛船與核心艙重新對接并完成鎖緊。
經(jīng)過約47分鐘的跨系統(tǒng)密切協(xié)同，空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運飛船試驗取得圓滿成功，這是我國首次利用空間站機(jī)械臂操作大型在軌飛行器進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗。為了保障此次轉(zhuǎn)位試驗取得成功，相關(guān)專家和技術(shù)團(tuán)隊在地面進(jìn)行了大量的仿真模擬，這次試驗是對地面仿真系統(tǒng)的一次成功驗證。
此次試驗的成功初步檢驗了利用機(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)，也獲取了在軌失重環(huán)境下機(jī)械臂運動學(xué)模型參數(shù)，為今后機(jī)械臂轉(zhuǎn)位實驗艙、艙外大型載荷照料等任務(wù)奠定了堅實基礎(chǔ)，為空間站的后續(xù)建造與運營提供了一大保障。
�、奘状螌崿F(xiàn)在軌駐留時間達(dá)到半年
相對于在空間技術(shù)上創(chuàng)下諸多“首次”而言，“神十三”乘組創(chuàng)下的中國航天員在軌183天的時間長度紀(jì)錄是很多人印象最為深刻的，一些媒體用“去時黃葉飛，歸來春滿園”來描述“神十三”乘組本次太空之旅。
隨著中國航天員乘組入駐“天宮”，太空中迎來了“北京時間”和以此為時間坐標(biāo)的中華文化節(jié)日和重大國際盛會，于是，人們看到“神十三”乘組歡度了中國人的第一個“太空春節(jié)”“太空元宵節(jié)”�；⒛晷麓杭压�(jié)，他們手持“福”“春”和“中國結(jié)”，向全國人民和全球華僑華人送上新春祝福。他們通過“天地連線”現(xiàn)身央視元宵節(jié)晚會，航天員王亞平以一曲太空《茉莉花》撥動億萬國人的心弦，航天員翟志剛和葉光富分別以“白云蓬蓬生足下”“懷抱寰宇懸浮立”為燈謎的謎面，指向同一個謎底“中國空間站”。北京冬奧會開幕前夕，九天之上的航天員乘組心系北京冬奧會，在空間站核心艙展示微重力環(huán)境下懸浮空中的奧運五環(huán)標(biāo)志，喜迎北京冬奧會并為全球冬奧健兒加油、祝福。
從無人到載人，從單人20多小時到兩人4天多，從多人13天、多人15天到兩人1個月，從多人3個月到多人183天，中國航天員單次飛行任務(wù)太空駐留時間紀(jì)錄不斷刷新，空間再生生保系統(tǒng)性能持續(xù)優(yōu)化提升，為航天員長時間駐留空間站提供了可靠保障。
�、呤状慰焖俜祷貕嚎s歸途時間
從“天宮”回到“家”需要多長時間？“神十三”給出的最新答案是約9個小時，這是中國神舟載人飛船返回艙脫離天和核心艙回歸地面的最短時間紀(jì)錄。
與之前的神舟載人飛船比如“神十二”相比，“神十三”在返回技術(shù)原理上是相同的，都是通過飛船再入大氣層和降落傘減速后著陸。具體來說，其返回的過程是，返回艙和推進(jìn)艙組合體從“天和”分離后開始踏上歸途，之后返回艙在推進(jìn)艙的助推下重返大氣層，進(jìn)而在預(yù)定區(qū)域內(nèi)著陸。與“神十二”回歸不同的是，“神十三”將以前需要在繞地飛行10多圈內(nèi)完成的飛行事件壓縮到5圈完成，由此大幅減少返回時間，進(jìn)一步提升了航天員返回體驗及任務(wù)實施效率。
快速返回模式對地面飛行控制工作和著陸場搜救力量提出了更高要求，據(jù)了解，為適應(yīng)這種模式，有關(guān)方面新增了中繼衛(wèi)星和地面雷達(dá)投入此項任務(wù)，提高了測控可靠性。
⑧首次啟用無人車參與飛船回收
安全著陸后，最重要的是做到“艙落機(jī)臨”，搜救隊員可以第一時間確認(rèn)返回艙位置以及航天員乘組的狀態(tài)。據(jù)中國軍視網(wǎng)報道，在“神十三”返回艙搜救中，國防科技大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊研發(fā)的無人搜救車閃亮登場，這是我國首次利用無人車參與飛船回收。
飛船返回時由于受風(fēng)力等不確定性因素影響，實際落點會與理論瞄準(zhǔn)點有一定的偏差。因此從安全角度考慮，理論瞄準(zhǔn)點附近一定區(qū)域內(nèi)不允許人員和大型裝備進(jìn)入，這就影響了搜救的時效性和觀測的精準(zhǔn)性。針對此問題，國防科技大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊研發(fā)出自主能動性強(qiáng)的無人車，參與了“神十三”返回艙搜救實戰(zhàn)并表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。
據(jù)了解，該無人車的“駕駛員”由傳感器和計算機(jī)系統(tǒng)所構(gòu)成。通過對環(huán)境進(jìn)行觀察、對車輛周圍的物體進(jìn)行識別、理解，形成一條期望的虛擬路徑，并根據(jù)車輛所感知的信息，實時變換前進(jìn)方向以及加減速，實現(xiàn)車輛的靈活運動。之后，通過無線電臺，團(tuán)隊將無人車與后方的指控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，隨時對無人車的運行進(jìn)行調(diào)整，做到人和機(jī)器的相互結(jié)合、精準(zhǔn)調(diào)控。
本文圖片均來自中國載人航天工程辦公室網(wǎng)站
