神舟八号验证了哪些项目
2011年11月1日至17日,神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器完成了首次交会对接试验。举世瞩目“太空之吻”的圆满成功,实现了我国载人航天技术的新跨越,为建设我国载人航天空间站奠定了重要的基础。神舟八号与天宫一号交会对接飞行验证了哪些项目?
第一,验证了交会对接飞行方案
我们知道,神舟八号在奔赴交会对接轨道与天宫一号交会对接过程中,分为远程导引轨道控制段、寻的段、接近段、平移靠拢段。
在远程导引轨道控制段,神舟八号共进行了5次变轨,到达与天宫一号交会对接轨道的迹向方向,比设计的指标低了两个数量级。这种情况表明,交会对接轨道控制方法设计和使用的轨道控制规划软件是正确的,用于轨道控制的发动机的工作也非常精确,轨道控制的精度完全满足设计要求。
在寻找天宫一号的寻的段,神舟八号飞船共进行了4次轨道机动,到达停泊点时相对位置满足进入设计上5000米停泊点要求;停泊时位置误差满足设计上5000米停泊要求。
在接近天宫一号的接近段,先后完成了400米接近、400米停泊和140米接近,进入停泊点和停泊点保持精度满足指标要求。
在平移靠拢段,准确控制了飞船完成30米接近、30米停泊和最后靠拢,并与天宫一号目标飞行器接触,两次对接的初始条件满足指标要求,同时获取了辅助CCD图像信息和人控TV遥测图像。两次对接过程,飞船自主控制精确,所有指标均优于设计要求近一个数量级。
通过首次交会对接验证证明:载人飞船交会对接自主控制方案设计正确,测量导航设备的相对测量导航准确,发动机使用策略合理,控制精度满足对接初始条件的要求。分离和撤离控制精度高,分离过程平稳,分离速度和相对角速度满足指标要求。
第二,验证了改进后载人飞船的功能
我们知道,飞船的功能大体上由姿态与轨道控制、能源系统、信息系统、热管理系统、载人环境、返回着陆等组成。神舟八号是专门为建设空间站运送航天员和货物而进行改进量身打造的载人货运飞船。通过神舟八号首次交会对接飞行,这些功能都得到了验证。
在姿态与轨道控制功能上,神舟八号飞船正常在轨运行时,俯仰、偏航、滚动姿态角控制,都完全满足了工程总体的控制精度要求。
在能源系统的功能上,神舟八号飞船入轨后太阳帆板供电阵发电能力满足指标要求。电池温度稳定在指标要求以内,在轨飞行全过程能为飞船提供稳定的能源,可以保证飞船在轨正常运行。
在信息系统的功能上,神舟八号飞船上下行链路的数据、图像、话音传输正常,程控、遥控指令及数据注入执行正确。
在热管理系统的功能上,神舟八号飞船在飞行过程中内外流体回路工作正常,满足密封舱的指标要求。推进舱舱内设备的温度也完全满足指标要求。
在载人环境控制上,神舟八号环境控制和生命保障方案与此前的飞船相同,飞行过程中座舱大气压力和成分均控制在指标范围内。座舱空气温、湿度控制,返回舱空气温、湿度均满足指标要求。在有害气体和微生物控制上,经着陆后采样结果分析,满足指标要求;舱内的菌落数满足医学指标要求。正常飞行过程中的冲击、噪声、过载和旋转等力学环境满足航天员医学要求。改进后飞船载人环境设计得到了飞行验证,但由于无人飞行,因此,对载人环境的验证还不完全,不充分,需要通过神舟九号载人飞行继续验证。
从天宫一号看神舟八号|验证项目
在返回着陆系统的功能上,神舟八号返回控制方案基本上继承了从神舟一号到神舟七号的设计,通过神舟八号的飞行试验验证,舱段分离调姿、返回制动、再入升力控制过程平稳,推进剂消耗正常,返回过载等指标满足要求,落点精度、航向都在正常范围之内。
返回舱防热设计在继承从神舟一号到神舟七号方案的基础上,进行了减少重量的改进和可靠性等设计,神舟八号返回舱返回地面后,经过科技人员仔细地检查发现,返回舱防热结构完好,没有出现变形,烧蚀情况与预计结果完全相符。
回收着陆分系统在继承一期方案的基础上,完善了降落伞设计,增加了一些设备。为减低航天员着陆过程中的冲击和载荷,科技人员优化了减速伞工作时间。经过记录数据判读,回收程序执行正常,最大开伞过载满足指标要求,着陆后主伞自动顺利脱伞,这种情况表明,经历了17天空间环境的考验,飞船回收系统工作正常。
在停靠功能上,神舟八号飞船新增停靠功能,经过两次对接分离,以及组合体飞行验证,信息、供电并网设计方案正确,飞行模式转换正常,对接通道检漏和泄复压正常,证明载人飞船的组合体停靠状态设计满足要求。
第三,验证了交会对接关键设备
科技人员经过对飞行数据的分析和比对显示,神舟八号飞船船载交会对接测量设备的定位精度和测速精度等数据均优于指标要求。微波雷达及时捕获目标并稳定跟踪,最小相对有效测量距离满足指标要求。激光雷达能够及时捕获目标,并稳定跟踪合作目标直至对接结束。CCD光学成像敏感器在两次交会对接过程中,均捕获成功、切换正常,能够连续提供有效的测量数据。另外,通过神舟八号安装的辅助CCD相机,获取了不同光照条件下的CCD图像信息,积累了真实的目标特性数据,为改进设计和后续其他CCD光学敏感器设计提供了基础。
通过对两次对接过程TV摄像机的下行图像进行分析,TV摄像机在轨运行稳定,宽窄视场切换正确;阴影区和阳照区靶标图像都清晰可见,完全满足神舟九号航天员手控交会对接的要求。
在两次对接过程中,对接机构都能够按照预先设置的自动流程完成神舟八号与天宫一号的接触、捕获、缓冲、校正、拉近、刚性锁紧密封等全部功能。对接机构两次分离功能均执行正常,满足总体设计中对船器分离时间的要求,试验验证结果表明,对接机构在轨工作一致性好,满足设计要求。
第四,验证了抗空间环境设计
空间的各种干扰和发动机羽流等影响,对航天器交会对接将造成很大干扰,这种干扰到底有多大,在此前我们也不得而知。天地的差异又将导致地面不能真实地对交会对接设备进行验证,交会对接就是攻关的主要难点之一。尽管科技人员为神舟八号成功完成与天宫一号的交会对接进行了许多设计,研制了许多设备,在地面也进行了大量试验验证,但是,飞船在空间环境下能否依靠这些设备成功与天宫一号交会对接,还需要实际验证。神舟八号在首次交会对接中,初步验证了交会对接空间环境设计,积累了数据。
通过对首次交会对接飞行数据分析评估,设计采取的各种设计措施有效,各种相关设备光学兼容性好,能准确地提取光点,并输出正确数据。通过微波雷达数据分析评估,测量输出数据稳定,设计采取的降低干扰的措施有效。通过对目标飞行器的姿态数据分析和仿真,飞船发动机羽流对天宫一号姿态控制有影响,由于采取了正确的策略,即使在羽流影响的环境下,天宫一号的姿态控制也十分稳定。
第五,验证了飞行控制故障处置能力和紧急撤离预案
通过验证,表明飞船紧急撤离故障预案有效,同时,还验证了飞控故障应急处置能力。
神舟八号首次交会对接飞行,试验验证了交会对接方案和改进后飞船的功能,但是,由于是不载人飞行,加上又是首次交会对接,在这次飞行中,只是验证了部分功能,仍有部分与人有关系的功能未进行验证,具体包括:
第一,载人环境控制没有得到充分验证
由于航天员未参与神舟八号在轨飞行,因此,飞船舱内载人环境控制中的氧气压力控制、二氧化碳及有害气体净化能力、密封舱空气温湿度控制、轨道舱和返回舱两舱之间的空气流场控制无法进行全面验证。同时,飞船上航天员食品、饮水及废物收集的功能也没有进行验证。
第二,交会对接技术还没有全面验证
一是人工手控交会是自控交会的重要备份手段,神舟八号飞船在设计的时候,具备人工手控交会对接能力,由于首次交会对接没有航天员参与。因此,在神舟八号飞行中,只验证了自动交会对接技术,手控交会对接技术没有得到实际验证。
二是前向对接是空间站的主要交会模式之一,神舟八号飞船在设计的时候,具备前向对接能力,在首次交会对接飞行中没有安排飞行试验验证。
三是撤退和重新进入自主交会控制是交会对接自主控制的重要故障对策,在首次交会对接飞行中,没有进行飞行验证。
四是为组合体驻留提供的支持没有经过飞行验证。
由于神舟八号没有航天员参与,因此,连接飞船和天宫一号之间的飞船轨道舱舱门和目标飞行器实验舱前舱门没有打开。实际上飞船和目标飞行器的密封舱之间的环境没有连通,因此,神舟八号和天宫一号组合体密封舱内的压力控制情况怎样,航天员和物品能否正常转移,以及其他为航天员驻留支持等功能没有得到验证。
科技人员通过对首次交会对接任务综合分析评估表明,飞船系统与各大系统间接口验证协调匹配,运载入轨精度、地面测控精度均高于接口指标;交会对接飞行方案正确,远距离导引轨道规划技术、自主控制段相对轨道和姿态控制技术、高精度相对测量技术、对接与分离技术满足指标要求;组合体姿态轨道控制技术、组合体信息管理等交会对接技术经过飞行考核和验证,性能指标满足要求;改进后飞船的独立飞行功能和回收着陆功能经过了飞行考核验证,性能指标满足要求;手控交会对接、前向对接和撤退重新进入等交会对接备份功能,以及组合体驻留支持功能还没有经过飞行验证;对部分改进需要进一步验证。