天舟一號(hào)天宮二號(hào)對(duì)接成功 首次完成對(duì)接全過(guò)程揭秘

天舟一號(hào)天宮二號(hào)對(duì)接成功，兩個(gè)飛行器飛行速度為7.9公里/秒。4月20日，天舟一號(hào)“快遞員”在文昌發(fā)射基地成功升空；4月22日，天舟一號(hào)與天宮二號(hào)組成組合體，完成首次對(duì)接。

要想完成對(duì)接，天舟一號(hào)需要掌握天宮二號(hào)的距離、速度等數(shù)據(jù)，然后調(diào)整姿態(tài)，慢慢靠近直至完美對(duì)接。這個(gè)過(guò)程中，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司提供的兩件智慧“法寶”——激光交會(huì)對(duì)接雷達(dá)和光學(xué)成像敏感器這些“光眼”，發(fā)揮了至關(guān)重要作用。

信號(hào)互傳，激光雷達(dá)擦亮對(duì)接“智慧眼”

“在對(duì)接過(guò)程中，兩個(gè)飛行器飛行速度為7.9公里/秒，要在如此速度下完成繞飛對(duì)接和快速交會(huì)對(duì)接，這就要求激光雷達(dá)始終保持較為寬廣的視角和更高精度的測(cè)量跟蹤。”中國(guó)電科激光雷達(dá)總師屈恒闊說(shuō)。

作為貨運(yùn)飛船交會(huì)對(duì)接穿針引線的“眼睛”，激光雷達(dá)在天宮二號(hào)與天舟一號(hào)交會(huì)對(duì)接接近段和靠攏段及繞飛過(guò)程中，必須迅速準(zhǔn)確地完成對(duì)天宮二號(hào)目標(biāo)飛行器的搜索、捕獲、跟蹤測(cè)量。

據(jù)屈恒闊介紹，在天宮二號(hào)上搭載了中國(guó)電科研制的激光雷達(dá)合作目標(biāo)，天舟一號(hào)搭載了激光雷達(dá)主機(jī)和信息處理機(jī)。其探測(cè)的基本過(guò)程，是由安裝在飛船上的激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出激光束，激光束照射到天宮二號(hào)上后返回信號(hào)，激光雷達(dá)系統(tǒng)再根據(jù)接收到的返回信號(hào)計(jì)算分析。“天宮二號(hào)攜帶的激光雷達(dá)合作目標(biāo)裝載了特殊的玻璃棱鏡，可以從多方位、大范圍內(nèi)反射激光雷達(dá)的光信號(hào)，配合激光雷達(dá)完成距離、角度等飛行參數(shù)的測(cè)量，確保飛船進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接。”

與以往不同，此次“天舟一號(hào)”與天宮二號(hào)要完成首次交會(huì)對(duì)接、繞飛對(duì)接和自主快速交會(huì)對(duì)接三次對(duì)接，飛行器太空對(duì)接要做到百步穿楊，特別是在繞飛過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“不眨眼”，這就要求激光雷達(dá)作為天舟一號(hào)的“眼睛”，具備廣闊的視野、精準(zhǔn)的測(cè)量。

基于此，中國(guó)電科對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行了兩大技術(shù)改造，首先增加了多對(duì)接口和繞飛過(guò)程中的目標(biāo)識(shí)別功能，根據(jù)繞飛任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了室內(nèi)、室外、高點(diǎn)等試驗(yàn)驗(yàn)證方案，完成了繞飛功能的設(shè)計(jì)、相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

其次，對(duì)雷達(dá)的空間長(zhǎng)壽命進(jìn)行提升。本次天舟一號(hào)任務(wù)為期半年左右，對(duì)激光雷達(dá)的在軌壽命和可靠性提出了更高的要求。中國(guó)電科對(duì)空間環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行反復(fù)查找，加強(qiáng)了技術(shù)狀態(tài)管理控制，用數(shù)據(jù)確保在航天動(dòng)平臺(tái)上的高安全性和高可靠性。

最終實(shí)現(xiàn)，在同等體積重量功耗下，中國(guó)電科的激光雷達(dá)工作范圍比國(guó)外同類產(chǎn)品增大了兩倍以上，實(shí)現(xiàn)了全范圍內(nèi)高精度測(cè)量跟蹤。

“激光雷達(dá)是交會(huì)對(duì)接接近段、靠攏段、繞飛過(guò)程中精密測(cè)量不可缺少的手段，將直接推動(dòng)我國(guó)載人航天進(jìn)入空間站研制階段。后續(xù)，激光雷達(dá)將廣泛應(yīng)用于各飛行器交會(huì)對(duì)接領(lǐng)域，為未來(lái)空間站、載人登月、深空探測(cè)等任務(wù)保駕護(hù)航。”

導(dǎo)航定位激光信息源，助飛船從“手動(dòng)擋”升格為“無(wú)人駕駛”

天宮二號(hào)與天舟一號(hào)在太空中要經(jīng)過(guò)幾十萬(wàn)公里的追逐，完成“穿針引線”般的精準(zhǔn)對(duì)接，從二者距離150m開(kāi)始直到最終完成精準(zhǔn)對(duì)接整個(gè)過(guò)程中，有一個(gè)被譽(yù)為“靈敏眼睛”的光學(xué)成像敏感器，該設(shè)備能讓兩個(gè)高速運(yùn)行的飛行器更加迅速、可靠的對(duì)接在一起。而能保持這雙“眼睛”持續(xù)炯炯有神，就要靠中國(guó)電科研制的導(dǎo)航定位激光信息源了。

“導(dǎo)航定位激光信息源是光學(xué)成像敏感器的關(guān)鍵組件，即使是在太空中漆黑無(wú)界，它也能發(fā)出激光，在黑暗中找到目標(biāo)，傳遞信息；即便是在面對(duì)太陽(yáng)強(qiáng)光的直射時(shí)，它也能發(fā)射出比陽(yáng)光更加明亮的雙波長(zhǎng)激光，確保‘眼睛’不被傷害，找到目標(biāo)。” 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司高級(jí)工程師劉志強(qiáng)介紹說(shuō)。

劉志強(qiáng)說(shuō)，過(guò)去，神舟系列飛船與天宮一號(hào)、天宮二號(hào)對(duì)接時(shí)，是實(shí)行機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，即航天員手工操作飛船對(duì)接，必須對(duì)航天員進(jìn)行長(zhǎng)期訓(xùn)練，以確保完成任務(wù)。而“天舟一號(hào)”是無(wú)人貨運(yùn)飛船，實(shí)行飛船自動(dòng)操作，就像人們開(kāi)車時(shí)從手動(dòng)擋突然跨越到無(wú)人駕駛，其對(duì)技術(shù)的要求更高。

“在本次航天任務(wù)中，激光信息源面臨著在軌時(shí)間長(zhǎng)、使用次數(shù)多、對(duì)接速度快和在陽(yáng)照區(qū)環(huán)境實(shí)施對(duì)接等多重考驗(yàn)，對(duì)接精度必須精確到毫米級(jí)，可以說(shuō)，交會(huì)對(duì)接難度非常大。”

基于此，中國(guó)電科的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在有限的時(shí)間內(nèi)，結(jié)合航天實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行產(chǎn)品原理和工藝的全新設(shè)計(jì)，進(jìn)行了完整、充分的相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)2000多次的試驗(yàn)，最終研制出第三代產(chǎn)品，其可靠性更高、重量更輕、體積更小、功耗更低，高抗輻照、傳導(dǎo)熱能力強(qiáng)，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。而這個(gè)過(guò)程可謂艱辛。

“激光信息源產(chǎn)品不大，但技術(shù)含量極高，且生產(chǎn)工藝也非常復(fù)雜，包括表面處理、研磨、填膠、固封、噴漆、電裝、裝配、絕緣電阻測(cè)試等數(shù)十道工序。” 劉志強(qiáng)說(shuō)。2012年，當(dāng)團(tuán)隊(duì)完成第一代產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，在進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，，設(shè)備在真空環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)故障，而離開(kāi)真空環(huán)境又恢復(fù)正常。“為了排除故障，在一個(gè)月內(nèi)連續(xù)開(kāi)展了100多次試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)層層排查，才最終發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)器件的光纖有損傷，肉眼看不到，必須借助精密儀器才能發(fā)現(xiàn)。”

據(jù)悉，劉志強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)成員還為每套產(chǎn)品建立了數(shù)據(jù)包的“成長(zhǎng)簿”，上面詳細(xì)記錄著諸如每個(gè)螺絲在安裝時(shí)擰了多少圈、用了多大力度的數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)包用A4紙打印疊起來(lái)高約70厘米。

過(guò)程雖艱辛，卻也充滿樂(lè)趣。項(xiàng)目組成員經(jīng)常笑稱：“看著它從無(wú)到有、逐漸成長(zhǎng)，數(shù)據(jù)包就像她的人生檔案一樣，記錄著她成長(zhǎng)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴和歷史使命，它就像自己的女兒一樣。”

未來(lái)，導(dǎo)航定位激光信息源將根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善產(chǎn)品，應(yīng)用到更多的交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，除此以外，還將開(kāi)展在星間通信、空中圍欄、空間站機(jī)械臂、衛(wèi)星燃料加注和維修，飛機(jī)空中加油和水下無(wú)人航行器等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。