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神舟12號已經回家,天舟二號為何還不走?三項剩餘任務至關重要

神舟十二號載人飛船返回地球的次日,對接於天和一號核心艙後向對介面的天舟二號貨運飛船也實施了繞飛機動任務,由後向對介面繞飛至核心艙前向對介面對接,這裡之前是神舟十二號的對接位置。

神舟12號已經回家,天舟二號為何還不走?三項剩餘任務至關重要


天和核心艙對介面分佈

承擔兵馬未動糧草先行任務的貨運飛船,通常情況下天舟飛船任務頻次以及任務時間都與神舟飛船對應,既然神舟十二號已經返回,為什麼天舟二號沒有撤離呢?因為它還有三項至關重要的剩餘任務需要完成:

1.驗證前向對介面推進劑在軌補加功能;

天和一號作為核心艙的一項主要職能就是透過姿軌控動力系統控制整個空間站的執行,該系統承擔空間站組合體姿態調整以及軌道變軌任務,而動力系統離不開推進劑的支援。

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天舟二號繞飛至前向對介面並驗證前向埠推進劑補加

核心艙後向對介面是在軌補加推進劑的主要通道,但如果只有一個補加通道,意味著一旦出現故障就將導致推進劑補加任務受阻,進而對空間站執行安全構成重大挑戰。

因此設計團隊為此準備了備份對接通道,即讓核心艙節點艙的前向對介面備份補加功能,推進劑透過輸送管道與核心艙大柱段資源艙貯箱相連,實現補加功能的備份。

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此前對接後向對介面的天舟二號

2.質量配平,為神舟十三號徑向對接創造條件;

天宮作為永久性載人空間站的一個標誌就是具備連續載人駐留能力,而連續載人就意味著必須具備兩艘載人飛船同時對接能力。

天和核心艙為載人飛船對接提供了3個對介面,分別是節點艙前向對介面、節點艙徑向對介面、核心艙後向對介面,其中後向對介面主要用於貨運飛船對接,因此通常情況下留給載人飛船的就是前向對介面與徑向對介面。

前向對介面屬於軸向對接,對接時受力均勻,基本不存在質量配平問題。而神舟十三號則要對接在一個質量非對稱的位置上,對接產生的撞擊慣量將對空間站組合體形成一個偏轉力矩,進而影響其執行姿態,後續問天號實驗艙與夢天號實驗艙也都是徑向對接,但它們都有專門的轉位機構保障徑向對接。

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神舟十三號若直接徑向對接將干擾組合體執行姿態

天舟二號繞飛轉位至核心艙前向對介面可以對組合體進行質量配平(針對飛船徑向對接任務),同時配合核心艙的控制力矩陀螺與姿控動力系統,就可以實現在神舟飛船直接徑向對接工況下的組合體姿態穩定。

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神舟十三號直接徑向對接示意圖

這種質量配平操作將一直持續至兩個實驗艙到位之後,因為實驗艙可以提供飛船徑向對接所需的質量配平條件。

問天號與夢天號實驗艙將在神舟十四號任務期間完成在軌轉位組裝,這就意味著執行徑向對接任務的神舟十四號也需要額外的質量配平。

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兩個實驗艙到位後將不再需要天舟配平

因此天舟三號屆時也將執行由後向對介面繞飛至前向對介面的操作,以服務神舟十四號徑向對接任務。

3.驗證天和機械臂捕獲轉位功能;

到明年春天,天宮空間站將結束關鍵技術驗證階段任務,並轉進“建造階段”,問天號與夢天號兩個22噸級大型實驗艙將先後對接核心艙前向對介面,它們需要透過轉位手段分別對接至二四象限停泊口。

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夢天實驗艙與空間站組合體軸向(前向)對接

實驗艙轉位事關空間站工程成敗,因此也準備了兩套互為備份的轉位方案,首先是透過實驗艙自備的轉位機械臂透過上翻、旋轉、下翻等動作實施轉位,此種方案結構簡單,可靠性高。

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實驗艙轉位機械臂輔助夢天實驗艙轉位

如果轉位機械臂出現故障則由核心艙天和機械臂直接進行轉位操作,後者具備25噸級承載力,可以捕獲實驗艙直接水平轉位,此種方案對機械臂的考驗更大。

天舟二號貨運飛船前錐段額外配置了一個目標介面卡,天和機械臂可與之對接,進行轉位試驗,驗證支援實驗艙轉位的這套託底方案。

神舟12號已經回家,天舟二號為何還不走?三項剩餘任務至關重要


天舟二號前錐段配置的“目標介面卡”

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天和機械臂輔助轉位試驗

除了既定的三項任務之外,天舟二號執行繞飛操作還可以為天舟三號的到來讓出後向對介面。

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天舟三號對接後向對介面示意圖

可以看到,天宮空間站每一項任務都是環環相扣,且有諸多冗餘備份措施服務“環環相扣”,空間站工程的實施將極大程度提升載人航天綜合實力,這一點是毫無疑義的,同時這也正是錢學森系統學思想的具體實踐。

分類: 科學
時間: 2021-09-19

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