“太空之吻”背后的科技含量

作者: 汤加

“神舟十号”载人飞船发射圆满成功,“天宫一号”目标飞行器与“神舟十号”飞船成功实现自动交会对接,不仅为中国人的“航天梦”续写了瑰丽篇章,更是又一次将全世界的仰视目光吸引到了遥远的东方。与以往神舟飞船相比,神舟十号是中国载人天地往返运输系统的首次应用性飞行。飞船入轨后,先后与天宫一号进行一次自动交会对接和一次航天员手控交会对接。组合体飞行期间,航天员进驻天宫一号,并开展航天医学实验、技术试验及太空授课活动。本期科技大视野,我们一起聚焦“太空之吻”背后令人惊叹的科技含量。

“天神”再度对接

2013年6月13日13时18分,“天宫一号”目标飞行器与“神舟十号”飞船成功实现自动交会对接。这是我国第5次成功实现空间交会对接。中国载人航天工程总设计师周建平曾介绍说,我国载人航天工程交会对接任务包括工程八大系统:航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统和空间实验室系统。交会对接任务的完成,需要八大系统密切配合和协同,是一个复杂的系统工程。“要实现两个航天器在空间的交会对接,对各大系统都提出了更高要求。”因此,“天神”完美展现“太空之吻”的背后,是更为令人惊叹的技术支撑。

自主相对测量技术决定交会对接成败

自主相对测量技术是决定交会对接任务成败的关键之一。其相关设备需满足精度高、作用距离和视场范围大等要求,将在一定程度上决定交会对接自主程度和技术水平。

周建平介绍,交会对接相对测量敏感器通常分为远场和近场敏感器两类。

远场敏感器一般作用距离为几十或上百千米到百米量级,目的是测量目标飞行器相对追踪飞行器的位置和速度,用于交会对接“寻找目的段”和“接近段”。近场敏感器一般作用距离为几百米到对接,用于交会对接的近距离接近段和平移靠拢段,除了速度、距离等信息外,它还要对两个飞行器的相对姿态进行测量。在我国数次空间对接任务中,航天科工研制的高精度加速度计组合发挥了精确引导作用,力助“天神”完成“太空之吻”。

自控、手动对接技术同时掌握提高成功率

实施空间交会对接的另一关键问题,是在综合考虑燃料、效能和安全性的条件下,设计稳定、可靠、容差容错能力强、自主功能强、优化高效的控制方法。这就关系到制导导航和控制技术。

载人航天交会对接的控制手段包括自动控制与人工控制,周建平表示,这两者均需具备。

目前,我国已成功实施五次空间交会对接,其中包括四次自动对接和一次手控对接。“神十”任务期间,航天员还将继续验证手控交会对接技术。

对接机构是我国自主研制最复杂的空间机电设备

对接机构是实现两个航天器捕获和刚性密封连接的关键设备之一,具有捕获、锁紧、密封、分离等功能。

“这是一套十分复杂、精细的机电设备。”周建平介绍说,例如“锥-杆”和“周边”式对接机构,均由主动、被动两部分组成。被动的一端安装在目标飞行器上,主动的一端则安装在追踪飞行器上,两个飞行器进入对接走廊后利用其相对接近速度实现捕获,然后由对接机构完成锁紧等操作。对接完成后,对接机构处的舱门开启,形成追踪和目标飞行器间供人员和货物通行的通道。此外,对接机构上还配置了气、液、电对接接口,能够为目标飞行器补给推进剂和气体,并实现供电和信息并网。

交会对接对地面测控能力提出更高要求

交会对接飞行中,地面要同时对两个飞行器进行测控,并在两三天内完成对追踪飞行器的多次精确轨道控制和预报。周建平表示,由于每次机动前的测控弧段相对更短,精度和实时性要求更高,这都对地面测控提出了更高要求。

目前,我国载人航天工程地面测控系统包括北京航天飞行控制中心、东风发射指挥控制中心、西安卫星测控中心,东风测控站、发射首区各光学站、山西太原站、陕西渭南站、福建厦门站、山东青岛站、新疆喀什站、和田站、卡拉奇站、纳米比亚和马林迪站等境内外测控站,以及位于三大洋的“远望”系列测量船等。

神奇的太空课堂

6月20日上午,“神舟十号”航天员在天宫一号开展基础物理实验,为全国青少年进行太空授课。主讲人为女航天员王亚平,聂海胜辅助授课,张晓光担任摄像师。

这是一个神奇的课堂,这是一个独一无二的课堂!毋庸置疑,中国首次太空授课活动是成功的、圆满的。那么,本次太空课堂到底都有哪些看点呢?

展现了神奇奥妙的太空世界

“我是王亚平,本次授课由我来主讲。”随着这一句来自天宫的问候,有史以来内容最神奇、教室最高远、观众最庞大的一课开始了。

首先是聂海胜悬空打坐、王亚平弹指秀“大力神功”。之后,圆周运动的单摆、不变轴向的陀螺、晶莹剔透的水膜、红扑扑的水球等一个个演示实验因为“失重”在趣味与惊奇中完美展现。

中国的航天员们给中国人乃至世界人民上了一堂生动漂亮的“太空课”。无论是对于中国成年人来说,还是对于儿童青少年来说,太空课堂中的五个实验都是新奇的,它让人们切切实实感受和领略到了神奇奥妙的太空世界和多姿多彩的太空生活。

锻炼了航天员协调配合能力

在本次“太空课堂”中,王亚平、聂海胜、张晓光三位航天员分工非常明确:一个主讲,一个协助,一个负责拍摄。镜头里,无论是讲解还是演示,航天员们在课堂上表现得是那么的轻松自如、一丝不苟。

据一位授课专家组成员表示,和美国人芭芭拉·摩根2007年8月14日在国际空间站进行了人类首次太空授课相比,中国航天员的太空授课不仅科技含量更高,难度也更高,“摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活,而王亚平授课的内容是介绍和演示物理概念,所以后者科技含量较高,难度也较大。”此外,太空授课计划在一年前的神舟九号时就在筹备了。

台上一分钟,台下十年功。航天员们在太空中唱做念犹如闲庭信步,那可是货真价实的真功夫啊!一堂短短的“太空课”,不仅考验每个航天员适应太空生活的能力,更考验和锻炼了航天员之间的协调和配合能力。

激发了孩子们探寻太空的激情和好奇心

在太空课堂上,学生问航天员的问题可谓是五花八门、千奇百怪:

“我们在地球上,如果想要吃一碗热腾腾的面很简单,那如果在外太空想要吃热腾腾的面,可以吗?”

“眼泪是往下流的,还是往上流的?”

“你们在太空中能见到变形金刚吗?”

“如果看到外星人的话,会拍照片给我吗?”

用“前无古人”来形容这次太空课堂一点也不为过,因为这堂课大大地激发了孩子们探寻太空的激情和好奇心。本人坚信,在这个特殊课堂的启迪和影响下,在不远的将来,中国大地上一定会诞生成百上千个钱学森、邓稼先、袁隆平!

显露了中国成熟的航天技术

神舟十号飞船是2013年6月11日17时38分发射升空的。主要有四大任务:任务一,提供天地往返运输服务;任务二,进一步考核航天员各种能力;任务三,首次航天员“太空授课”;任务四,进一步考核各系统协作。

时至今日,中国航天员已经打破了自己的纪录,在太空中生活了十多天;而太空课堂上,每个演示实验都非常成功。最重要的是,尽管在太空生活已经十多天了,但航天员们个个精神抖擞,仿佛在陆地上生活一般,这些都有力地说明中国的载人航天技术是可靠的、成熟的。

虽然本次是世界第二堂、中国第一堂太空授课,但全国有8万余所中学的6 000余万名师生同步收听收看,这无疑是一个新的吉尼斯世界纪录!

对话“神舟十号”乘组:太空之美是无与伦比的

7月11日,圆满完成“神舟十号”载人飞行任务的航天员聂海胜、张晓光、王亚平结束医学隔离,在北京航天城航天员公寓与媒体记者见面并回答提问。请看《科学启蒙》小记者从北京发回的报道。

聂海胜

张晓光

王亚平

谈感受——

乘组生活充实愉快,太空之美无与伦比

记者:两次飞天,您的从容和自信令人印象深刻,这次有哪些新感受?

聂海胜:与其说是我个人,不如说是整个航天战线的从容与自信。

具体到这次任务,我们“神十”乘组过得很充实,也很愉快。与“神六”不同的是,我们学习和参与两个飞行器的控制和管理,新增加了交会对接、组合体在轨维修实验、空间医学实验等大量的控制和实验任务。同时,我作为飞行乘组指令长,除了团队管理外,还要执行手控交会对接任务,责任大,压力也大。最终,我们没有辜负大家的期望。

记者:对两位第一次进入太空的航天员来说,太空和自己想象的一样吗?

张晓光:在太空我们记录了许多美好的瞬间,那种无与伦比的美,是无法想象的。

王亚平:做任何事情都会和想象的有所不同,就像小马过河的故事一样。总的来说,这是一次充满惊喜而非惊险的旅程,在太空中自由翱翔的体验比想象中更加美妙,窗外的景色美到令人震撼。我无法找到合适的语言去描述那样的颜色、那样的轮廓,因为这些在我生命中都是第一次出现。

记者:在太空有没有遇到有风险的事情?

张晓光:在训练中我们开展了许多安全预想,在心理上、技术上做好了特殊情况处置准备。这次飞行我们没有遇到,非常感谢所有的航天科技工作者。

王亚平:工程总体和训练团队预估了任务中可能会遇到的困难和问题,在地面组织我们开展了针对性训练,制定了在轨医学防护措施,因此我们很快适应了太空环境,身体状态也一直很好。

谈梦想——飞天梦永不停歇,期待能够走得更远

记者:15年坚守梦想,15天飞天圆梦。圆梦后您怎么看待梦想?

张晓光:飞天梦想实现的一刻,我非常淡定从容。都说风雨过后是彩虹的美,但经历过的那些风雨才是我最值得珍惜的生命历程,我的飞天梦将永不停歇。

记者:王亚平老师您好,中国最“高”讲台上的授课,感觉如何?您的下一个梦想是什么?

王亚平:在距离地球300多千米的轨道上,我们与地面的教师和同学共同度过了难忘的40分钟。对我来说,那是我第一次与同学们进行直接交流,第一次听到他们的声音、他们提出的问题,让我感到既激动又幸福,他们稚嫩认真的声音里传递着对太空的无限好奇和向往,我也非常直观地感受到自己所从事工作的意义。

我鰍已经找到了一条值得为之奋斗一生的道路,我的梦想就是希望做得更多,走得更远。

谈未来——

中国航天员完全适应中长期太空生活

记者:从“神五”到“神十”,中国已有10名航天员成功访问太空,您作为飞行时间最长的一位中国航天员,是否认为中国航天员已经做好了未来在空间站长期驻留的准备?

聂海胜:中国的载人航天发展分“三步走”,下一步就是要开始筹备建立我国自己的空间站,中国航天员将长期在太空工作和生活。从“神五”到“神十”,我们都是在为中长期飞行打基础、积累经验。

从我执行两次飞行任务的经历看,中国航天员完全能够适应中长期在太空的工作和生活。

当然我们还面临许多的困难和挑战,主要来自两个方面:一方面是对航天员的知识和专业技能储备要求更高,航天员除了要掌握基本的飞行器控制知识和技能外,还要掌握更为复杂的出舱技术和交会对接技术,开展更为复杂的空间实验等。同时,飞行时间的延长,在轨发生应急与故障情况的概率大大增加,航天员必须胆大心细、果断处置。另一方面,心理方面的挑战大大增加,长期与社会隔离,在狭小密闭环境工作生活,还要考虑乘组成员间的性格差异、心理相容性、团队意识等因素,以及长期在轨飞行可能发生的医学问题,要求航天员有医学处理能力。

神舟十号航天员乘组聂海胜(中)张晓光(左)王亚平(右)在返回舱