科學家千百次模擬"太空之吻" 為交會對接精準定位

　　為交會對接的成功，科學家在地面千百次模擬“演習”

　　今天凌晨1時36分，我國首個空間實驗室天宮一號與神舟八號飛船在廣袤的太空中成功完成“太空之吻”，實現了載人航天工程首次空間交會對接。

　　鮮為人知的是，為了這次交會對接的成功，科學家在地面上作了百千萬次模擬“演習”。

　　把太空環境“搬”到地面

　　“太空環境非常惡劣，會出現許多在地面上難以想象的問題。”哈爾濱工業大學機器人研究所副教授朱延河舉例說，在地面環境中輕易不會黏合在一起的鐵塊和鋁塊，在高真空的太空中會像黏合劑一樣黏在一起甚至像焊在一起無法分開，這就是“冷焊現象”。

　　平時機器的軸承運轉不靈，只要滴入一些液態潤滑劑，就能馬上“生龍活虎”，但真空環境中液體可能瞬間蒸發。

　　為此，哈工大機器人研究所和上海805所合作研制了空間對接機構熱真空試驗臺，真實模擬了對接機在高低溫、真空等各種太空極限環境下的對接過程，并解決了冷焊現象、大溫差卡死、真空潤滑等問題。

　　“我國是世界上第三個擁有此項技術的國家。”朱延河介紹說，空間對接機構熱真空試驗臺，利用等效質量模擬原理，實現了熱真空環境下飛船對接的全過程模擬，是我國第一次在真空罐內實現大型對接模擬試驗，也是國內首次實現的大型地面動態測試設備在真空條件下的試驗測試。

　　為交會對接精準定位

　　在太空中，天宮一號和神舟八號高速運行，位置稍有偏差就可能出現“擦肩而過”甚至“迎面相撞”的事故，導致交會對接的失敗。

　　據哈工大航天學院控制與仿真中心教授姚郁介紹，這就需要在實施對接前，導航、制導與控制系統應使飛行器的相對位置、相對姿態與相對速度都達到一定技術狀態的要求。

　　由哈工大研制的九自由度運動模擬系統用于模擬交會過程中追蹤器和目標器的空間運動，是空間實驗室和飛船交會過程的地面仿真專用設備。該設備主要包括目標三軸臺、追蹤三軸臺、三維平動系統三部分。

　　姚郁說，目標三軸臺用于模擬目標飛行器的姿態變化，追蹤三軸臺用于模擬追蹤飛行器姿態的變化，三維平動系統用于模擬兩個飛行器之間相對位置變化。3個部分都要實現三個維度的控制，即所謂九自由度運動模擬系統，3個部分聯動最終實現“太空之吻”位置的精準定位。

　　該系統采用多項先進技術，突破了機械結構設計、驅動與控制、測量與標定、高速實時通訊等多項關鍵技術，使設備的綜合指向精度指標達到了國際領先水平。

　　在2007年交付中國航天科技集團五院502所，2008年正式投入使用后，該系統開展了一系列相關試驗。“該設備的使用，有效保證了天宮一號和神舟八號的正式上天狀態跟地面預演狀態的一致性，功不可沒。”姚郁說。

　　相關文獻表明，直到2010年，波音公司才投入使用了與九自由度運動模擬系統指標相當的同類仿真設備。

　　模擬真實“太空之吻”

　　有了交會對接的模擬環境和之前的精準定位，關鍵的對接技術更加重要。完整的對接包括初步接觸、捕獲、校直緩沖、拉緊鎖定等幾個步驟。

　　對接機構綜合試驗臺運動模擬器就是為了真空模擬“太空之吻”，它是對接機構綜合試驗臺最重要的核心設備，它的主要作用是模擬常溫與高低溫環境中的空間飛行器在對接過程中的相對運動，用于航天器空間對接機構的研制、測試和鑒定試驗。

　　參與項目的哈工大電液伺服仿真及試驗系統研究所副所長叢大成介紹說，該設備采用半物理仿真的方法，兼取數學仿真的靈活特性及物理模擬的真實性，實時模擬兩個飛行器在設定對接初始條件下的對接動力學過程。

　　該項目的成功研制，為載人航天復雜的空間動態對接過程地面模擬試驗提供了最重要的技術保障，為對接機構的研制、驗收和鑒定試驗奠定了基礎。

　　“六自由度運動模擬器挑戰性技術難題的順利解決，使我國完全獨立自主地掌握世界頂尖六自由度運動模擬器的高度集成制造技術，處于世界領先水平。”叢大成表示。

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