“天神之吻”難度再升級(jí)！揭秘空間站“T”字構(gòu)型下首次徑向交會(huì)對(duì)接的核心科技力量
2023年5月30日，由航天科技集團(tuán)五院（以下簡稱五院）抓總研制的神舟十六號(hào)載人飛船成功發(fā)射。飛船入軌后，于當(dāng)日16時(shí)29分，成功對(duì)接于空間站天和核心艙徑向端口，整個(gè)對(duì)接過程歷時(shí)約6.5小時(shí)。隨后，神舟十六號(hào)3名航天員順利進(jìn)駐中國空間站，與神舟十五號(hào)航天員乘組拍下“全家?！?。
這是空間站三艙“T”字構(gòu)型下實(shí)施的首次徑向交會(huì)對(duì)接任務(wù)。面對(duì)更大的組合體質(zhì)量、更大的組合體尺寸和更復(fù)雜的羽流影響帶來的挑戰(zhàn)，五院研制團(tuán)隊(duì)克服了敏感器視場遮擋等難題，取得了任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著由五院自主研發(fā)的我國空間交會(huì)對(duì)接制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（GNC）技術(shù)進(jìn)一步成熟。
此次任務(wù)是“神舟”系列飛船在軌執(zhí)行的第12次交會(huì)對(duì)接任務(wù)。2011年，神舟八號(hào)與天宮一號(hào)首次開展交會(huì)對(duì)接，之后歷次交會(huì)對(duì)接都做到了平穩(wěn)有序、快速準(zhǔn)確，交會(huì)對(duì)接技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了不斷創(chuàng)新、更加先進(jìn)，這背后離不開五院飛船GNC系統(tǒng)研制人員持續(xù)多年的刻苦攻關(guān)。
更大的組合體質(zhì)量
隨著問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙以及神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船等更多艙段和飛船的相繼加入，空間站組合體的尺寸、質(zhì)量、慣量以及重心位置等影響姿態(tài)控制的核心要素與核心艙單艙相比變化較大，部分參數(shù)甚至存在跨數(shù)量級(jí)的增長。飛船交會(huì)對(duì)接特別是近距離對(duì)接時(shí)采用的是相對(duì)姿態(tài)位置控制方法，空間站運(yùn)動(dòng)特性的變化將直接影響飛船的交會(huì)對(duì)接控制過程。雖然神舟十五號(hào)已經(jīng)成功完成空間站“T”字構(gòu)型的交會(huì)對(duì)接任務(wù)，但其對(duì)接的位置為空間站前向?qū)涌?，由于空間站在不同方向上運(yùn)動(dòng)特性有所區(qū)別，神舟十六號(hào)進(jìn)行的徑向?qū)有枰狦NC系統(tǒng)依靠自身的能力克服上述變化帶來的影響。
神舟十六號(hào)在進(jìn)行徑向交會(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)，會(huì)沿著天和核心艙下方的徑向?qū)涌谥饾u靠近空間站組合體，從飛船的視角看，天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙、天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船以及神舟十五號(hào)載人飛船均會(huì)出現(xiàn)在神舟十六號(hào)飛船的視野中，這對(duì)于在神舟十六號(hào)上安裝的、需要以宇宙背景或太陽作為觀測目標(biāo)的測量敏感器會(huì)產(chǎn)生視線遮擋。隨著神舟十六號(hào)飛船和組合體距離逐漸縮短，遮擋會(huì)越來越多，需要依靠GNC系統(tǒng)配備的敏感器自身的抗干擾或目標(biāo)特性識(shí)別能力加以屏蔽和區(qū)分，或采用不同測量方位、測量體制的備份測量敏感器來保證持續(xù)、準(zhǔn)確的測量能力。
空間站組合體尺寸的增大還使得飛船和空間站組合體的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，羽流間的相互影響相比以往的發(fā)射和對(duì)接任務(wù)變得更加復(fù)雜：一方面，飛船在近距離交會(huì)過程中需要頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相對(duì)姿態(tài)和位置的調(diào)整，這將對(duì)空間站姿態(tài)產(chǎn)生影響；另一方面，空間站的噴氣也會(huì)影響飛船的姿態(tài)。對(duì)于這一問題，需要GNC系統(tǒng)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)分組使用和控制方法，并通過地面仿真計(jì)算加以驗(yàn)證，確保交會(huì)對(duì)接過程在諸多影響下仍能圓滿完成。
