□ 本报记者 廉颖婷
11月3日9时32分,空间站梦天实验舱顺利完成转位。中国空间站三舱齐聚天宇,标志着中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成,向着建成空间站的目标迈出关键一步。
转位完成后,梦天实验舱的主要任务包括为航天员在密封舱内工作提供更好的保障条件,保证航天员安全;为开展舱内及舱外空间实(试)验提供保障条件;提供货物气闸,实现载荷与设备自动进出舱等。
据中国航天科技集团有限公司(以下简称航天科技集团)五院空间站系统总指挥王翔介绍,通过精心设计,梦天实验舱具备一些个性鲜明的独特优势。
空间站的控制大管家
在此次任务中,梦天实验舱所装备的部件资源,如发动机、各类敏感器等将与天和核心舱、问天实验舱和天舟货运飞船等并网工作,实现多舱段资源的统一调用。这个能够统一调配资源保障空间站稳定运行的大管家,就是空间站制导导航与控制(GNC)系统,是航天科技集团五院502所专门为空间站量身打造的。
空间站运行过程中会有载人飞船、货运飞船频繁的造访和分离。空间站GNC系统这位控制大管家,除了能消除发射时核心舱与火箭分离过程姿态的偏差,来访飞行器与核心舱对接和分离过程中对空间站姿态的干扰,以及舱段转位后的姿态漂移,还能完成核心舱单舱和空间站组合体整个飞行任务期间姿态轨道的测量与控制,包括组合体飞行期间,各舱位置和姿态信息的共享,各舱发动机的融合姿轨控等。不仅如此,它还要配合完成交会对接、航天员出舱、机械臂在轨操作、光学舱维护等任务,可谓重任在肩。
图为中国空间站组合体示意图。 航天科技集团五院供图
天和核心舱单舱达20多吨,加上“问天”“梦天”两个各20多吨的实验舱,再加上有可能同时造访的神舟载人飞船、天舟货运飞船等航天器,空间站最大扩展时质量将会达到近200吨。
作为大型、变结构载人航天器,空间站的大质量、大惯量、大干扰、大挠性和变结构特点,给空间站GNC系统的设计带来巨大挑战。
可空间站不仅仅是大,其变化多姿的结构也考验着GNC系统的控制能力。比如不同构型下,空间站要在太空中完成同一个动作“向左转”,所需要调动和能调动的资源是不一样的,所需要依靠和所能依靠的信息也是不同的,控制大管家要能根据当前构型自主选择最优控制方案,实现对整个空间站的控制,保证各种构型下空间站的精稳控制。
随着梦天实验舱的就位,我国的空间站建造也正式进入组合体运营阶段。目前来看,空间站GNC系统运行稳定,表现上佳,为后续在轨运行管理奠定了良好基础。
“舱内外过渡”应用拓展
载人航天活动的重要目的之一,是发挥人在现场的作用,既包括航天员处置问题时的主观能动性,也包括充分发挥人工操作技巧。然而,航天员在舱内与舱外的工作能力、尤其是精细操作能力,有天壤之别。
舱外活动时,受舱外服和手套等限制,航天员的观察、操作空间及工具使用能力等均受到极大限制,即便使用专门设计的专用工具,也远远无法达到舱内作业的精准水平。相比之下,只要工具合适,地面能进行的工作都可以由航天员舱内在轨完成。
王翔介绍,自动化货物气闸舱正好提供了一个“舱内外过渡”的工作间。大型载荷部件在此进行装配和测试后,可以整体送出舱外。舱外载荷也可以先搬到这里,舱室经复压后,由航天员在舱内操作完成拆解、维修、维护等工作。
更进一步,这个工作间具备了现场装配微小卫星并释放的潜力。
“综合来看,梦天实验舱补充并增强了空间站的综合能力,提高了系统可靠性。其个性化能力则进一步强化了空间站的‘太空母港’作用,对于载荷的保障能力更强,也将拓展有人参与的航天飞行与在轨工作模式。”王翔说。
数字化手段提高效率
梦天实验舱经历了4年方案论证、6年初样研制、2年正样研制,仅总体方案设计便经历了三起三落。“我们要做一个有温度的舱。”航天科技集团八院805所载人航天总体专业副总设计师周涛说。她带领队伍尝试智能总体设计,解决了多个研制过程中出现的技术难题,有力推动了梦天实验舱的总体研制工作。
“规模庞大、系统复杂”是大家对梦天实验舱的印象。虽然在方案阶段,设计团队对于梦天实验舱的设计难度有所认识,但是进入初样设计后,还是被这样一个巨系统的复杂程度震惊了——千余台设备、20多万米的导线,给设计和研制带来了巨大的挑战。
为此,梦天实验舱在方案阶段就已经认识到数字化手段是提高工作效率的最好的工具,率先编制了航天科技集团八院首个型号级的数字化大纲,作为工程实施的依据。
“900多台套设备的智能化布局与总装,生成供配电大图和信息大图,1000多根电缆的接点由10万多个接口数据接点自动生成,电缆路径和长度的自动生成,飞行程序的自动编排等,这些都实现了数字化设计,用应用软件进行实施,极大提高了研制效率和质量。”航天科技集团八院副总设计师郭文龙介绍说。
一个庞大的飞行器的测试工作需要一个同等体量的地面综合测试系统进行支撑,犹如飞行器的地面诊疗系统,为飞行器把脉通关。“飞行器的规模有多大,链路有多少,机构有多少,就需要多少的地面设备进行模拟和支持。”航天科技集团八院805所综测技术负责人邵琼说。
为提高测试效率和质量,805所的设计师们在测试中引入“测试序列+语音播报”方式,可以支持两台设备并行进行指令发出,并赋予分系统发指令申请的功能,极大提高了测试工作效率。随后又开发了自动判读功能,远程测试功能,提升了整套综合测试设备的能力。
“959台单机设备、3470个产品接插件、1832个备附件、368个穿舱插件、780个非密封转接件、850个继电器、1267个热敏电阻和440个加热回路。”这些数字在航天科技集团八院总体副主任设计师孟瑶口中娓娓道来。从梦天实验舱立项开始,孟瑶便担负起研制技术流程、各阶段状态确认和风险识别工作,最终迎来梦天实验舱顺利出厂的好消息。
