北京時(shí)間2022年9月30日12時(shí)44分，我國(guó)空間站的問天實(shí)驗(yàn)艙完成轉(zhuǎn)位，空間站組合體由兩艙（天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙）“一”字構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癓”字構(gòu)型，圖為轉(zhuǎn)位示意圖。本文圖片 中國(guó)航天科技集團(tuán) 供圖

北京時(shí)間2022年9月30日12時(shí)44分，經(jīng)過約1小時(shí)的天地協(xié)同，我國(guó)空間站的問天實(shí)驗(yàn)艙完成轉(zhuǎn)位，空間站組合體由兩艙（天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙）“一”字構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)椤癓”字構(gòu)型。

轉(zhuǎn)位期間，問天實(shí)驗(yàn)艙首先完成相關(guān)狀態(tài)設(shè)置，而后與天和核心艙分離，之后采用平面轉(zhuǎn)位方式完成轉(zhuǎn)位，并與節(jié)點(diǎn)艙側(cè)向端口再對(duì)接。

這是我國(guó)首次利用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在軌實(shí)施大體量艙段轉(zhuǎn)位操作。后續(xù)，空間站組合體將以“L”字構(gòu)型在軌飛行，等待夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射、交會(huì)對(duì)接后，還將轉(zhuǎn)位形成空間站三艙“T”字構(gòu)型組合體。

澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）10月1日從上海航天八院（以下簡(jiǎn)稱“八院”）獲悉，在被航天界形象比喻為“太空泊車”的此次任務(wù)中，八院805所設(shè)計(jì)研制的對(duì)接與轉(zhuǎn)位分系統(tǒng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，包括轉(zhuǎn)臂、轉(zhuǎn)位基座、對(duì)接機(jī)構(gòu)等在內(nèi)的產(chǎn)品分工明確、各顯神通，確保轉(zhuǎn)位過程起得柔、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、停得準(zhǔn)、對(duì)得順，讓首次“太空泊車”成功完成，為祖國(guó)送上了一份生日禮物。為什么要“太空泊車”？其背后又有哪些高科技在支撐？八院專家對(duì)此做了揭秘。

天和全景攝像機(jī)拍攝的轉(zhuǎn)位對(duì)接畫面

為什么要“太空泊車”？

八院空間站系統(tǒng)產(chǎn)保經(jīng)理魏智表示，按照我國(guó)空間站建造方案，在空間站組裝建造階段，陸續(xù)發(fā)射的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙（問天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙）將對(duì)稱分布于天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙的兩個(gè)側(cè)向停泊口，完成空間站“T字”基本構(gòu)型的建造任務(wù)。

“問天實(shí)驗(yàn)艙是我國(guó)目前最大的單體航天器，如果直接與空間站組合體進(jìn)行側(cè)向?qū)?，?huì)因?yàn)橘|(zhì)心偏差，對(duì)空間站姿態(tài)造成較大影響，甚至?xí)霈F(xiàn)滾轉(zhuǎn)失控的風(fēng)險(xiǎn)”，魏智進(jìn)一步解釋道，“就像是我們用手推一根木棍的底部，如果是沿著它的方向直推過去的話，木棍會(huì)徑直向前走；如果從側(cè)面撞過去，木棍則會(huì)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。在太空的微重力狀態(tài)下，偏離質(zhì)心的力足以讓空間站的姿態(tài)失穩(wěn)。”因此，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙都將先軸向?qū)佑谇跋蚨丝冢愃朴谑滞颇竟鞯撞浚?，再通過轉(zhuǎn)位移至側(cè)向停泊口。轉(zhuǎn)位動(dòng)作的成敗，直接關(guān)乎我國(guó)空間站的建造及后續(xù)任務(wù)實(shí)施。

國(guó)際上首次平面式轉(zhuǎn)位

轉(zhuǎn)位是更加穩(wěn)妥之法，那么如何實(shí)施？又該怎么轉(zhuǎn)？

為了讓問天實(shí)驗(yàn)艙的轉(zhuǎn)位過程變得更加平穩(wěn)、順利，八院805所對(duì)接與轉(zhuǎn)位研制團(tuán)隊(duì)幾經(jīng)論證，并綜合對(duì)比國(guó)際空間站的轉(zhuǎn)位方案，創(chuàng)造性提出了“平面式轉(zhuǎn)位方案”，這是國(guó)際上首次以平面式轉(zhuǎn)位方案完成航天器的轉(zhuǎn)位動(dòng)作。

魏智說，俄羅斯“和平號(hào)”空間站采用的是翻轉(zhuǎn)式組裝方案，但這一方案在艙體轉(zhuǎn)位到位后，艙體姿態(tài)會(huì)發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)，而我國(guó)采用的方案，則是讓問天實(shí)驗(yàn)艙在同一平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)位，此時(shí)由于質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡也處在一個(gè)平面，轉(zhuǎn)位動(dòng)作對(duì)空間站組合體的姿態(tài)擾動(dòng)較小，更易于空間站的姿態(tài)控制。

相對(duì)于翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案，平面式轉(zhuǎn)位方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度更大，地面試驗(yàn)系統(tǒng)也更為復(fù)雜。為了讓轉(zhuǎn)位任務(wù)一氣呵成、一次成功，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)平面式轉(zhuǎn)位方案進(jìn)行了精心的分析論證，并研發(fā)了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，來進(jìn)行在軌工作載荷及轉(zhuǎn)位全時(shí)序試驗(yàn)驗(yàn)證，確保了實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位任務(wù)的有序、安全、可靠。

纖纖轉(zhuǎn)臂大顯身手

據(jù)專家介紹，此次轉(zhuǎn)位動(dòng)作主要由配置在實(shí)驗(yàn)艙上的轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)以及核心艙節(jié)點(diǎn)艙上的轉(zhuǎn)位基座擔(dān)綱完成。

位于實(shí)驗(yàn)艙上的轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)像是一支纖纖“小臂”，但卻孕育著舞動(dòng)乾坤的大能量。它以細(xì)致靈動(dòng)的流暢操作，讓重達(dá)23噸的實(shí)驗(yàn)艙起得柔、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、停得準(zhǔn)、對(duì)得順。

首先，轉(zhuǎn)臂捕獲安裝在核心艙上的轉(zhuǎn)位基座，也就是將“手”輕輕搭到核心艙上并實(shí)現(xiàn)剛性連接，此時(shí)，對(duì)接機(jī)構(gòu)解鎖，實(shí)驗(yàn)艙與核心艙之間處于柔性連接狀態(tài)；隨后，轉(zhuǎn)臂緩緩起動(dòng)，在兩分鐘內(nèi)以肉眼難以察覺的速度實(shí)現(xiàn)艙體緩慢起動(dòng)，并逐漸提高至全速轉(zhuǎn)動(dòng)。哪怕是在全速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，“小臂”的運(yùn)動(dòng)速度也很低，且不能出現(xiàn)“急剎”“點(diǎn)剎”的現(xiàn)象，這樣低速且勻速的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，可以有效降低對(duì)空間站組合體的擾動(dòng)。

在即將到達(dá)側(cè)向停泊點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臂開啟“制動(dòng)”模式，為了避免電機(jī)斷電可能帶來的“急剎車”，轉(zhuǎn)臂上安裝了緩沖耗能裝置，既可以避免大慣量沖擊造成“小臂骨折”，又能在三分鐘內(nèi)快速消耗艙體轉(zhuǎn)位帶來的動(dòng)能，使實(shí)驗(yàn)艙精準(zhǔn)地停在預(yù)定的側(cè)向?qū)游恢谩?/p>

“倒車入庫”已經(jīng)過數(shù)千次試驗(yàn)

問天實(shí)驗(yàn)艙成功轉(zhuǎn)位至側(cè)向停泊口后，需要與天和核心艙完成側(cè)向再對(duì)接，也就是最后一步動(dòng)作——“倒車入庫”，這一動(dòng)作需要對(duì)接機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)之間協(xié)調(diào)配合、共同完成。

首先，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)要具有位置保持的能力，讓23噸的實(shí)驗(yàn)艙以“懸停姿態(tài)”做好對(duì)接準(zhǔn)備；其次，對(duì)接機(jī)構(gòu)則要改變以往“粗暴的強(qiáng)吻”方式，采用一種全新的捕獲對(duì)接方式，也就是“準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)接技術(shù)”。

上海航天專家透露，其方式是由實(shí)驗(yàn)艙的對(duì)接機(jī)構(gòu)主動(dòng)推出對(duì)接環(huán)實(shí)現(xiàn)捕獲，這一“吻”更輕盈、也更溫柔。

為了實(shí)現(xiàn)完美的“倒車入庫”，八院身經(jīng)百戰(zhàn)的空間站“老手”——對(duì)接機(jī)構(gòu)已在21次在軌試驗(yàn)和數(shù)千次地面試驗(yàn)中進(jìn)行了充分的雙重驗(yàn)證，確保勝任此次全新的對(duì)接考驗(yàn)。