问天实验舱实现首次在轨转位

◎郭 睿 史纪鑫 商 帅 本报记者 付毅飞
据中国载人航天工程办公室消息，北京时间9月30日12时44分，经过约1小时的天地协同，问天实验舱完成转位。
转位期间，问天实验舱首先完成相关状态设置，而后与天和核心舱分离，之后采用平面转位方式完成转位，并与节点舱侧向端口再对接。
这是我国首次利用转位机构在轨实施大体量舱段转位操作。问天实验舱转位完成后，空间站组合体由两舱“一”字构型转变为两舱“L”构型。
用一根扁担挑起两头大象
空间站舱段转位技术是中国空间站建造必须突破的关键技术之一。看似简单的动作，其实是融合前向撤离、舱段转位、侧向对接等高难度动作的“组合拳”。
舱段转位期间，由百余公斤的转位机构驱动20多吨的实验舱进行大范围转移，如同用一根扁担挑起两头大象一样，属于动力学特性最脆弱的状态，两端轻微振动就可能产生严重后果。为确保结构安全，必须暂时关闭组合体姿态主动控制，让空间站在自由漂浮状态下完成舱段转位。
可是让空间站组合体这样几十吨的庞然大物在太空中处于被动稳定状态谈何容易。作为本次转位任务的抓总负责单位，中国航天科技集团五院组织研制团队开展了多轮头脑风暴：“借鉴钟摆原理先把组合体立起来？”“再让组合体转个身，向后转位。”“让组合体靠重力作用像钟摆一样稳定对地轴，靠问天实验舱上两个大型太阳翼像羽毛球一样稳定偏航轴，从而形成三轴被动稳定飞行状态……”思想激荡中，被动稳定转位方案逐渐明确。
多重试验，备战“大考”
在空间站建造任务中，舱段转位动作堪称“大考”。为了交出完美的成绩单，研制团队进行了多重模拟仿真，开展了大量试验验证工作。
本次转位采用平面转位方式。对这种方式，研制团队可以在地面使用气浮台进行大量转位试验，充分验证转位路径。
空间站始终采用“三舱伴飞”的模式，地面的“电性空间站”针对此次任务进行了全流程模拟试验；“云端”中的“数字空间站”利用多学科仿真模型，在飞行程序驱动下开展了转位过程中姿态预示、中继测控链路遮挡和能量平衡等多学科联合仿真。这些技术手段，充分验证了转位实施方案的可实施性和转位过程中姿态、能源、测控通信等多专业的匹配度。
2022年1月6日，空间站机械臂转位货运飞船试验取得圆满成功，这是我国首次利用空间站机械臂操作大型在轨飞行器进行转位试验，也是问天实验舱转位前的一次正式预演。这次转位试验先后完成了机械臂捕获天舟二号、对接机构分离、天舟二号转位、两舱再次对接等一系列预定动作，为问天实验舱转位任务成功实施奠定了坚实基础。
1个月后迎接梦天实验舱
本次转位任务过程中，空间站各分系统间大力配合、协同保障。
五院空间站问天实验舱副主任设计师罗超说，任务中，空间站机械臂分系统始终作为转位机构的备份手段，保障平台安全；GNC分系统始终精准控制，确保组合体以最高稳定度进入停控状态；测控与通信分系统在天地间搭建起畅通的通信链路，传输高清图像，使得整个转位过程100%受控；数管分系统发挥“智能大脑”作用，处置一系列复杂指令，全程零差错……
在各分系统高效配合下，任务仅一个小时左右就圆满完成。
按计划，空间站组合体将以“L”字构型在轨飞行约1个月，等待梦天实验舱发射、交会对接后，将转位形成空间站三舱“T”字构型组合体。
（科技日报）