問天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位，硬核知識(shí)點(diǎn)來了！

9月30日12時(shí)44分，經(jīng)過約1小時(shí)的天地協(xié)同，問天實(shí)驗(yàn)艙完成轉(zhuǎn)位。這是我國首次利用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在軌實(shí)施大體量艙段轉(zhuǎn)位操作。問天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位完成后，空間站組合體由兩艙“一”字構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)閮膳摗癓”構(gòu)型。今天，帶你了解關(guān)于問天實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位的硬核知識(shí)點(diǎn)。

為何要實(shí)施轉(zhuǎn)位

按照我國空間站建造方案，在空間站建造階段，陸續(xù)發(fā)射的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將對稱分布于核心艙節(jié)點(diǎn)艙的兩個(gè)側(cè)向停泊口，從而完成空間站“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)。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“四兩撥千斤”，讓空間站的姿態(tài)失穩(wěn)。因此，我國兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙都將先軸向?qū)佑谇跋蚨丝?，再通過轉(zhuǎn)位移至側(cè)向停泊口，轉(zhuǎn)位動(dòng)作在我國空間站的建造及后續(xù)任務(wù)實(shí)施中發(fā)揮了重要作用。

為何采用平面式轉(zhuǎn)位

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，研制團(tuán)隊(duì)幾經(jīng)論證，并綜合對比國際空間站的轉(zhuǎn)位方案，創(chuàng)造性地提出了“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(dòng)作。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)，我國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。

但相對于翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案，平面式轉(zhuǎn)位方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(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)的測試系統(tǒng)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。

轉(zhuǎn)位前還要做“體檢”？

航天器在軌運(yùn)行過程中是沒有支點(diǎn)的，當(dāng)空間站組合體每次接收新的艙段停泊，并進(jìn)行轉(zhuǎn)位和對接的運(yùn)動(dòng)中，都會(huì)對空間站組合體產(chǎn)生擾動(dòng)。與此同時(shí)，隨著新艙段加入，空間站組合體的系統(tǒng)質(zhì)心位置、組合體系統(tǒng)慣量、構(gòu)型等參數(shù)不斷變化，導(dǎo)致空間站的模態(tài)頻率和振型等動(dòng)力學(xué)特性不斷變化，因此每完成一次在軌“變裝”，空間站就變成了一個(gè)“新的自己”。為了保證每一個(gè)姿態(tài)下模型都足夠準(zhǔn)確，在建立仿真模型后，必須通過模態(tài)試驗(yàn)不斷進(jìn)行修正，給空間站姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，讓模型更準(zhǔn)確、讓轉(zhuǎn)位更平穩(wěn)、讓在軌各項(xiàng)操作更順暢。

經(jīng)過夜以繼日的奮戰(zhàn)，“體檢大師”——高精度模態(tài)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)誕生，這套系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)當(dāng)今世界上最大單體航天器高精度模態(tài)參數(shù)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)空間站整器及大型子系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確辨識(shí)，為空間站在軌組裝和姿態(tài)調(diào)整提供了必不可少的輸入?？臻g站每一次成功“變裝”都離不開這套試驗(yàn)系統(tǒng)。夢天實(shí)驗(yàn)艙與節(jié)點(diǎn)艙進(jìn)行對接后，同樣將通過轉(zhuǎn)位與節(jié)點(diǎn)艙的另一個(gè)側(cè)向停泊口進(jìn)行對接，形成我國空間站“T”型基本構(gòu)型。圍繞后續(xù)需求，這套系統(tǒng)也將不斷升級(jí)，為空間站長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行貢獻(xiàn)力量。