天舟一號天宮二號對接成功 首次完成對接全過程揭秘

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

要想完成對接，天舟一號需要掌握天宮二號的距離、速度等數(shù)據(jù)，然后調整姿態(tài)，慢慢靠近直至完美對接。這個過程中，中國電子科技集團公司提供的兩件智慧“法寶”——激光交會對接雷達和光學成像敏感器這些“光眼”，發(fā)揮了至關重要作用。

信號互傳，激光雷達擦亮對接“智慧眼”

“在對接過程中，兩個飛行器飛行速度為7.9公里/秒，要在如此速度下完成繞飛對接和快速交會對接，這就要求激光雷達始終保持較為寬廣的視角和更高精度的測量跟蹤。”中國電科激光雷達總師屈恒闊說。

作為貨運飛船交會對接穿針引線的“眼睛”，激光雷達在天宮二號與天舟一號交會對接接近段和靠攏段及繞飛過程中，必須迅速準確地完成對天宮二號目標飛行器的搜索、捕獲、跟蹤測量。

據(jù)屈恒闊介紹，在天宮二號上搭載了中國電科研制的激光雷達合作目標，天舟一號搭載了激光雷達主機和信息處理機。其探測的基本過程，是由安裝在飛船上的激光雷達系統(tǒng)發(fā)出激光束，激光束照射到天宮二號上后返回信號，激光雷達系統(tǒng)再根據(jù)接收到的返回信號計算分析。“天宮二號攜帶的激光雷達合作目標裝載了特殊的玻璃棱鏡，可以從多方位、大范圍內反射激光雷達的光信號，配合激光雷達完成距離、角度等飛行參數(shù)的測量，確保飛船進行精準對接。”

與以往不同，此次“天舟一號”與天宮二號要完成首次交會對接、繞飛對接和自主快速交會對接三次對接，飛行器太空對接要做到百步穿楊，特別是在繞飛過程中實現(xiàn)“不眨眼”，這就要求激光雷達作為天舟一號的“眼睛”，具備廣闊的視野、精準的測量。

基于此，中國電科對激光雷達進行了兩大技術改造，首先增加了多對接口和繞飛過程中的目標識別功能，根據(jù)繞飛任務的特點，設計了室內、室外、高點等試驗驗證方案，完成了繞飛功能的設計、相關試驗驗證。

其次，對雷達的空間長壽命進行提升。本次天舟一號任務為期半年左右，對激光雷達的在軌壽命和可靠性提出了更高的要求。中國電科對空間環(huán)境下的薄弱環(huán)節(jié)進行反復查找，加強了技術狀態(tài)管理控制，用數(shù)據(jù)確保在航天動平臺上的高安全性和高可靠性。

最終實現(xiàn)，在同等體積重量功耗下，中國電科的激光雷達工作范圍比國外同類產品增大了兩倍以上，實現(xiàn)了全范圍內高精度測量跟蹤。

“激光雷達是交會對接接近段、靠攏段、繞飛過程中精密測量不可缺少的手段，將直接推動我國載人航天進入空間站研制階段。后續(xù)，激光雷達將廣泛應用于各飛行器交會對接領域，為未來空間站、載人登月、深空探測等任務保駕護航。”

導航定位激光信息源，助飛船從“手動擋”升格為“無人駕駛”

天宮二號與天舟一號在太空中要經過幾十萬公里的追逐，完成“穿針引線”般的精準對接，從二者距離150m開始直到最終完成精準對接整個過程中，有一個被譽為“靈敏眼睛”的光學成像敏感器，該設備能讓兩個高速運行的飛行器更加迅速、可靠的對接在一起。而能保持這雙“眼睛”持續(xù)炯炯有神，就要靠中國電科研制的導航定位激光信息源了。

“導航定位激光信息源是光學成像敏感器的關鍵組件，即使是在太空中漆黑無界，它也能發(fā)出激光，在黑暗中找到目標，傳遞信息；即便是在面對太陽強光的直射時，它也能發(fā)射出比陽光更加明亮的雙波長激光，確保‘眼睛’不被傷害，找到目標。” 中國電子科技集團公司高級工程師劉志強介紹說。

劉志強說，過去，神舟系列飛船與天宮一號、天宮二號對接時，是實行機械對準，即航天員手工操作飛船對接，必須對航天員進行長期訓練，以確保完成任務。而“天舟一號”是無人貨運飛船，實行飛船自動操作，就像人們開車時從手動擋突然跨越到無人駕駛，其對技術的要求更高。

“在本次航天任務中，激光信息源面臨著在軌時間長、使用次數(shù)多、對接速度快和在陽照區(qū)環(huán)境實施對接等多重考驗，對接精度必須精確到毫米級，可以說，交會對接難度非常大。”

基于此，中國電科的項目團隊在有限的時間內，結合航天實際應用進行產品原理和工藝的全新設計，進行了完整、充分的相關環(huán)境試驗，經過2000多次的試驗，最終研制出第三代產品，其可靠性更高、重量更輕、體積更小、功耗更低，高抗輻照、傳導熱能力強，主要技術指標達到國際先進水平。而這個過程可謂艱辛。

“激光信息源產品不大，但技術含量極高，且生產工藝也非常復雜，包括表面處理、研磨、填膠、固封、噴漆、電裝、裝配、絕緣電阻測試等數(shù)十道工序。” 劉志強說。2012年，當團隊完成第一代產品設計制造，在進行環(huán)境試驗時發(fā)現(xiàn)，，設備在真空環(huán)境下會出現(xiàn)故障，而離開真空環(huán)境又恢復正常。“為了排除故障，在一個月內連續(xù)開展了100多次試驗。經過層層排查，才最終發(fā)現(xiàn)其中一個器件的光纖有損傷，肉眼看不到，必須借助精密儀器才能發(fā)現(xiàn)。”

據(jù)悉，劉志強和團隊成員還為每套產品建立了數(shù)據(jù)包的“成長簿”，上面詳細記錄著諸如每個螺絲在安裝時擰了多少圈、用了多大力度的數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)包用A4紙打印疊起來高約70厘米。

過程雖艱辛，卻也充滿樂趣。項目組成員經常笑稱：“看著它從無到有、逐漸成長，數(shù)據(jù)包就像她的人生檔案一樣，記錄著她成長的點點滴滴和歷史使命，它就像自己的女兒一樣。”

未來，導航定位激光信息源將根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，進一步完善產品，應用到更多的交會對接任務中，除此以外，還將開展在星間通信、空中圍欄、空間站機械臂、衛(wèi)星燃料加注和維修，飛機空中加油和水下無人航行器等相關領域的應用研究。