北京时间2022年10月31日15时37分,搭载空间站梦天实验舱的长征五号B遥四运载火箭,在我国文昌航天发射场准时点火发射,任务取得圆满成功。北京时间2022年11月3日9时32分,空间站梦天实验舱顺利完成转位。

转位期间,梦天实验舱先完成相关状态设置,再与空间站组合体分离,之后采用平面转位方式经约一小时完成转位,与天和核心舱节点舱侧向端口再次对接。今天下午,神舟十四号航天员乘组将进入梦天实验舱。

梦天实验舱转位完成标志着中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成,向着建成空间站的目标迈出了关键一步。按计划,后续将开展空间站组合体基本功能测试和评估。

最近几个月来,空间站经历了多次构型变化。2022年7月,问天实验舱发射并与天和核心舱形成两舱“一”字构型;9月底,问天实验舱转位成功,空间站组合体变为两舱“L”字构型;几天前,梦天实验舱发射成功并与天和核心舱完成前向交会对接;此次梦天实验舱转位过后,空间站形成三舱组合体“T”字基本构型,并将长期维持该姿态在轨运行。

北京日报
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为何是“T”字构型?

问天实验舱、梦天实验舱这两个尺寸、质量特性大体一致的舱段,经过地面技术人员的精确控制,通过精准转位对向布置在天和核心舱两侧,形成“T”字的一横,天和核心舱则是那一竖。

这样一来,天和核心舱仍保持着前向、后向、径向三向对接的能力。后向对接口可对接货运飞船,使组合体可以直接利用货运飞船的发动机进行轨道机动;前向、径向两个对接口不仅可以接纳两艘载人飞船实现轮换,而且在保持正常三轴稳定对地姿态时,两对接口都在轨道平面内,即可让载人飞船在轨道面内沿飞行方向和沿轨道半径方向直接对接,使航天员的天地往返更加安全快捷。

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问天实验舱、梦天实验舱配置的两对大型太阳翼,成为T字一横远端的两个“大风车”,不管空间站以何种姿势飞行,都能实现高效发电。此外,两实验舱的气闸舱都分别位于T字一横的端头,在正常工作泄压或异常隔离时,均不影响其他密封舱段构成连贯空间,保证了空间站在轨稳定运行。

▲ 当前的空间站组合体示意图

“T”字构型有何优势?

“为了使航天器易于运动控制,构型要保证主结构和质量分布尽量对称、紧凑,以获得好的质量特性。”航天科技集团五院空间站系统总指挥王翔表示,转位后的“T”字构型结构对称,从姿态控制、组合体管理等角度来看,都是比较稳定的构型,易于组合体的飞行。且由于其受到的地心引力、大气扰动等影响较为均衡,空间站姿态控制消耗的推进剂和其他资源较少。

如果采用非对称构型,组合体的力矩、质心与所受到的干扰相对于姿态控制、轨道来说都不是对称的,其飞行效率更低,控制模式更加复杂,一旦构型发生偏转,就需要付出额外的代价和资源将其控回。

也正是因此,航天科技集团五院在前期设计时,就将组合体作为完整系统考虑,确保问天实验舱和梦天实验舱的尺寸、质量特性大体一致,从而获得整体构型下较好的动力学特性。

为何要经历在轨转位?

本次梦天实验舱的转位过程与数月前的问天实验舱类似,均是在完成相关状态设置后与天和核心舱分离,采用平面转位方式完成转位,并与节点舱侧向端口再对接,从而完成空间站“T”字基本构型的建造任务。转位动作在我国空间站的建造及后续任务实施中发挥了重要作用。

实验舱为何不能在发射后,直接侧向交会对接到天和核心舱两侧呢?

有两方面原因:
  • 一是实验舱与空间站组合体进行侧向对接,会因为质心偏差对空间站姿态造成较大影响,甚至可能会有滚转失控的风险;

  • 二是根据空间站建造方案,两个实验舱将在天和核心舱的侧向永久停泊,如果选择侧向交会对接,首先需要在天和核心舱两个侧向端口分别配置一套交会对接设备,并且这两套设备只能使用一次,造成资源的浪费。

因此,两个实验舱先与核心舱进行前向交会对接,再通过转位移至核心舱侧向停泊口,这是最优的方案设计。
图片来源:中国载人航天

中国空间站至今所有变化构型

图源:中国载人航天工程办公室

本文综合中国载人航天、北京日报、科技日报

素材自人民日报、央视新闻等

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