北京時間2022年9月30日12時44分，經(jīng)過約1小時的天地協(xié)同，我國空間站的問天實驗艙完成轉(zhuǎn)位，空間站組合體由兩艙（天和核心艙、問天實驗艙）“一”字構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;L”字構(gòu)型。
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轉(zhuǎn)位期間，問天實驗艙首先完成相關(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)點艙側(cè)向端口再對接。
這是我國首次利用轉(zhuǎn)位機構(gòu)在軌實施大體量艙段轉(zhuǎn)位操作。后續(xù)，空間站組合體將以“L”字構(gòu)型在軌飛行，等待夢天實驗艙發(fā)射、交會對接后，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.thepaper.cn）10月1日從上海航天八院（以下簡稱“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)計研制的對接與轉(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、對接機構(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、對得順，讓首次“太空泊車”成功完成，為祖國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？八院專家對此做了揭秘。
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)射的兩個實驗艙（問天實驗艙、夢天實驗艙）將對稱分布于天和核心艙節(jié)點艙的兩個側(cè)向停泊口，完成空間站“T字”基本構(gòu)型的建造任務(wù)。
“問天實驗艙是我國目前最大的單體航天器，如果直接與空間站組合體進行側(cè)向?qū)?，會因為質(zhì)心偏差，對空間站姿態(tài)造成較大影響，甚至會出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)失控的風險”，魏智進一步解釋道，“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，木棍會徑直向前走；如果從側(cè)面撞過去，木棍則會發(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，兩個實驗艙都將先軸向?qū)佑谇跋蚨丝冢愃朴谑滞颇竟鞯撞浚偻ㄟ^轉(zhuǎn)位移至側(cè)向停泊口。轉(zhuǎn)位動作的成敗，直接關(guān)乎我國空間站的建造及后續(xù)任務(wù)實施。
國際上首次平面式轉(zhuǎn)位
轉(zhuǎn)位是更加穩(wěn)妥之法，那么如何實施？又該怎么轉(zhuǎn)？
為了讓問天實驗艙的轉(zhuǎn)位過程變得更加平穩(wěn)、順利，八院805所對接與轉(zhuǎn)位研制團隊幾經(jīng)論證，并綜合對比國際空間站的轉(zhuǎn)位方案，創(chuàng)造性提出了“平面式轉(zhuǎn)位方案”，這是國際上首次以平面式轉(zhuǎn)位方案完成航天器的轉(zhuǎn)位動作。
魏智說，俄羅斯“和平號”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)會發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)，而我國采用的方案，則是讓問天實驗艙在同一平面內(nèi)進行轉(zhuǎn)位，此時由于質(zhì)心的運動軌跡也處在一個平面，轉(zhuǎn)位動作對空間站組合體的姿態(tài)擾動較小，更易于空間站的姿態(tài)控制。
相對于翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案，平面式轉(zhuǎn)位方案結(jié)構(gòu)設(shè)計難度更大，地面試驗系統(tǒng)也更為復(fù)雜。為了讓轉(zhuǎn)位任務(wù)一氣呵成、一次成功，研制團隊對平面式轉(zhuǎn)位方案進行了精心的分析論證，并研發(fā)了相應(yīng)的測試系統(tǒng)，來進行在軌工作載荷及轉(zhuǎn)位全時序試驗驗證，確保了實驗艙轉(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)位動作主要由配置在實驗艙上的轉(zhuǎn)臂機構(gòu)以及核心艙節(jié)點艙上的轉(zhuǎn)位基座擔綱完成。
位于實驗艙上的轉(zhuǎn)臂機構(gòu)像是一支纖纖“小臂”，但卻孕育著舞動乾坤的大能量。它以細致靈動的流暢操作，讓重達23噸的實驗艙起得柔、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、停得準、對得順。
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現(xiàn)剛性連接，此時，對接機構(gòu)解鎖，實驗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，在兩分鐘內(nèi)以肉眼難以察覺的速度實現(xiàn)艙體緩慢起動，并逐漸提高至全速轉(zhuǎn)動。哪怕是在全速轉(zhuǎn)動的過程中，“小臂”的運動速度也很低，且不能出現(xiàn)“急剎”“點剎”的現(xiàn)象，這樣低速且勻速的運轉(zhuǎn)模式，可以有效降低對空間站組合體的擾動。
在即將到達側(cè)向停泊點時，轉(zhuǎn)臂開啟“制動”模式，為了避免電機斷電可能帶來的“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)位帶來的動能，使實驗艙精準地停在預(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
問天實驗艙成功轉(zhuǎn)位至側(cè)向停泊口后，需要與天和核心艙完成側(cè)向再對接，也就是最后一步動作——“倒車入庫”，這一動作需要對接機構(gòu)和轉(zhuǎn)位機構(gòu)之間協(xié)調(diào)配合、共同完成。
首先，轉(zhuǎn)位機構(gòu)要具有位置保持的能力，讓23噸的實驗艙以“懸停姿態(tài)”做好對接準備；其次，對接機構(gòu)則要改變以往“粗暴的強吻”方式，采用一種全新的捕獲對接方式，也就是“準靜態(tài)對接技術(shù)”。
上海航天專家透露，其方式是由實驗艙的對接機構(gòu)主動推出對接環(huán)實現(xiàn)捕獲，這一“吻”更輕盈、也更溫柔。
為了實現(xiàn)完美的“倒車入庫”，八院身經(jīng)百戰(zhàn)的空間站“老手”——對接機構(gòu)已在21次在軌試驗和數(shù)千次地面試驗中進行了充分的雙重驗證，確保勝任此次全新的對接考驗。
