從航天員“手控遙操作”看空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)

1月8日上午，神舟十三號(hào)航天員乘組在地面科技人員的密切協(xié)同下，在空間站核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。這是我國航天員首次在軌進(jìn)行手控遙操作試驗(yàn)。什么是手控遙操作？與之前載人飛船手控交會(huì)對(duì)接相比有何難點(diǎn)和特點(diǎn)？國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用有什么區(qū)別？

01

什么是手控遙操作？

手控遙操作是由航天員在軌利用手動(dòng)技術(shù)對(duì)飛船進(jìn)行遙控操作，控制貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，是專門為無人來訪飛行器配備的功能，和神舟載人飛船的手控交會(huì)對(duì)接類似。

航天員在空間站核心艙里，通過遠(yuǎn)程的方式“駕駛”貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行對(duì)接。整個(gè)過程中，航天員的視角是從飛船“看向”空間站的，仿佛坐在貨運(yùn)飛船里。航天員面對(duì)的儀表系統(tǒng)、操作手柄等等，和此前神舟飛船上實(shí)施的兩次手控交會(huì)對(duì)接大同小異，最大限度減小了航天員的訓(xùn)練難度，減輕了操作、識(shí)別的負(fù)擔(dān)。

02

交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展

隨著人類對(duì)太空探索的深入進(jìn)行，航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù)是發(fā)展航天技術(shù)的關(guān)鍵部分之一，是體現(xiàn)國家綜合國力和航天科技的重要標(biāo)志。自1966年美國第一次成功實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)對(duì)接以來，空間對(duì)接和分離技術(shù)作為航天技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，得到了快速發(fā)展。

迄今為止，包括美國、俄羅斯、歐洲航天局、日本和中國都在大力研究航天器交會(huì)對(duì)接和分離技術(shù)，并已經(jīng)完成了上百次的交會(huì)對(duì)接和分離任務(wù)。例如，美國的登月飛行中利用登月艙與“阿波羅”飛船的交會(huì)對(duì)接，蘇聯(lián)利用聯(lián)盟號(hào)飛船與和平號(hào)空間站的交會(huì)對(duì)接等。

航天器交會(huì)對(duì)接和分離技術(shù)已被公認(rèn)為航天領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，成功的交會(huì)對(duì)接并有效分離對(duì)于許多航天任務(wù)來說是必不可少的，比如空間站補(bǔ)給、航天員輪換等。

以此次試驗(yàn)為例，神舟十三號(hào)航天員乘組在核心艙發(fā)出控制指令，讓天舟二號(hào)先與核心艙分離，然后航天員手動(dòng)控制整個(gè)貨運(yùn)飛船的位置和姿態(tài)，撤到前向的一定距離，然后再次控制它來進(jìn)行對(duì)接，一直到鎖緊完成。

與載人飛船的手控交會(huì)對(duì)接相比，貨運(yùn)飛船的手控遙操作有著自己的難點(diǎn)和特點(diǎn)。在操作的響應(yīng)速度和運(yùn)動(dòng)的敏捷性上，載人飛船與貨運(yùn)飛船的區(qū)別，就如同開轎車和開貨車。其原因有二：一是貨運(yùn)飛船的手控遙操作需要把貨運(yùn)飛船上的攝像機(jī)“看到”的圖像傳到空間站，空間站上的航天員需要把指令傳回給貨運(yùn)飛船，一來一回，就造成了航天員反應(yīng)和執(zhí)行指令的延時(shí)；二是貨運(yùn)飛船要比載人飛船重，平移加速度小，因此動(dòng)作不敏捷。

遙操作交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)對(duì)于空間站的建造非常重要，載人飛船可以通過航天員駕駛飛船，手動(dòng)操作與空間站完成對(duì)接。而貨運(yùn)飛船則不同，一旦自動(dòng)交會(huì)對(duì)接功能失效，貨運(yùn)飛船將無法和空間站對(duì)接，導(dǎo)致任務(wù)失敗，所以貨運(yùn)飛船就必須具備遙控操作的功能，與自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)互為備份。此次試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了空間站與來訪飛行器手控遙操作系統(tǒng)的功能、性能以及天地間協(xié)同工作程序的合理性。

03

國內(nèi)外技術(shù)應(yīng)用

在前期的探索實(shí)踐中，我國已經(jīng)進(jìn)行多次空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，解決了空間交會(huì)對(duì)接的問題，掌握了交會(huì)對(duì)接全自動(dòng)控制技術(shù)及飛船航天員手動(dòng)控制技術(shù)。神舟九號(hào)航天員劉旺在太空打出一個(gè)漂亮的“十環(huán)”，證明了我國航天員具有高超的、世界一流的手動(dòng)操作水平與優(yōu)秀的心理素質(zhì)。此后的例行飛行中，交會(huì)對(duì)接采用自控為主、手控為輔的方式，以減輕航天員的負(fù)荷。在自動(dòng)控制出現(xiàn)故障的情況下，或遭遇突發(fā)事件時(shí)（如面臨軌道碎片碰撞危險(xiǎn)），航天員將手動(dòng)介入，執(zhí)行飛行命令。

對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最基本原則是在保證機(jī)構(gòu)具備所要求的功能的同時(shí)，還要有高可靠性和盡可能小的重量，因此國際上一般應(yīng)用遠(yuǎn)距離采用自動(dòng)和近距離采用手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的方案，這樣既比較安全可靠又能保證足夠精度，并實(shí)現(xiàn)軟對(duì)接。當(dāng)最終逼近階段的自控飛行范圍不易掌握時(shí)，采用人工控制后可提高任務(wù)成功率。

04

交會(huì)對(duì)接技術(shù)未來發(fā)展

在突破和掌握近地軌道長期有人駐留和有人參與近地空間應(yīng)用等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，載人登月、載人小行星探測、載人火星探測等載人深空探索活動(dòng)成為國際上重要發(fā)展方向，而交會(huì)對(duì)接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來載人深空探索任務(wù)的重要手段。交會(huì)對(duì)接技術(shù)還需進(jìn)一步發(fā)展，包括有效和經(jīng)濟(jì)的交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)策略、權(quán)衡使用自主和有人控制方法、發(fā)展先進(jìn)敏感器技術(shù)和發(fā)展交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)等，以滿足未來任務(wù)的需求。