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景海鹏



刘 旺



刘 洋



刘旺在驾控飞船



接触



捕获



缓冲



拉近



锁紧

　　6月24日，神舟九号航天员驾驶飞船与天宫一号目标飞行器顺利对接，我国首次空间手控交会对接试验成功。

　　这一操作是由43岁的航天员刘旺实施的。12时许，他通过手柄控制飞船的姿态、速度和方向，使神舟九号从140米外向天宫一号缓缓接近，最终成功捕获天宫一号。那么为什么在自动对接成功后还要验证手控？手控交会有何难点？如何应对？

　　一问 为什么要进行手控交会对接？

　　人类300多次的交会对接，归结起来，方式只有两种：自动交会对接、手控交会对接。应该说这两种方式各有优势，它们应该是互为备份的关系。自动方式对微波雷达、激光雷达、光学摄像等设备系统要求更高一些，手控方式则更能发挥人的主动性和应变能力。已有的经验表明，即使使用非常高级的自动交会对接系统，出于安全考虑，航天员必须具备手控交会对接的能力。

　　从世界范围看，世界各国交会对接情况各有千秋。美国航天飞机的交会对接主要是手控，自动是备份。而前苏联飞船的交会对接则以自动为主，手控作为备份。自动对接是一种程序控制，响应迅速、控制精准，但是，一旦出现策略方案外的情况，自动系统就显得“无能为力”。

　　从世界载人航天的发展来看，交会对接应该涵盖自动和人工两个方面，二者互为备份，缺一不可。只有自动和人工技术都得到验证，才是实现了完整的交会对接。

　　手控交会对接，也是对国产对接机构的进一步验证。目前飞船与天宫上的对接机构，是中国目前为止最复杂的空间机构。经过此前交会对接验证，其方案和产品可靠性都能够满足任务要求。手动交会对接成功意味着我国完整地掌握了空间交会对接技术。

　　二问 手控对接究竟难在哪儿？

　　实施手控交会对接时，3名航天员返回飞船返回舱。随后，飞船自主撤离至距天宫一号400米处，再自主接近目标飞行器，在120米停泊点转由航天员手动控制，完成交会对接。

　　与以往飞行任务相比，神舟九号飞行难度和复杂程度大幅增加。对接过程中，航天员要准确判断两个航天器的相对位置，通过姿态和平移两个手柄，控制飞船姿态、前进速度和方向，对眼手协调性、操作精细性和心理素质要求极高。

　　手控交会对接实际上是把两个高速飞行器对接起来，使其成为一个组合体。神九飞船和天宫实验室飞行速度每小时超过上万公里，重量在8吨到9吨，对接时候要求接近的相对速度是0.2米／秒，角度偏差1°之内，横向偏差在0.2米到0.3米。这就要求在对接过程中，严格控制高速飞行器的误差。这就像天宫上有个靶子，对接就是要像枪一样打中瞄准心。

　　对接很容易出现三种偏差，一是左右上下的俯仰偏差；二是位置偏差；三是发生了旋转，产生了姿态的偏离。因此，要求航天员对这六个自由度的偏离有很好的把握。

　　手控交会对接带来的另一个难点是，航天员在地面的训练虽然是仿真的，但地面环境与太空毕竟不是百分之百相同。这就要求宇航员对天地差异有一个正确的认识。达到正确的认识，是靠千百次的训练。

　　三问 手控交会对接系统什么样？

　　此次神九飞船上的人控交会对接系统的主要组成包括电视摄像机、靶标、综合电子显示屏、控制手柄等。电视摄像机安装在飞船上，提供从神九飞船上观察天宫一号的图像，并传送到安装在神九飞船上的综合电子显示屏幕上。靶标安装在天宫一号对接机构附近，由一个背景方盘和一个伸出的十字架组成。综合电子显示屏显示电视摄像机观测到的图像，控制手柄主要用于航天员对神九飞船的姿态和位置运动的控制。

　　此次由我国自主研制的人控系统，除了在性能上考虑集成性外，主要在人机功效、控制性能上下工夫。为了便于航天员操作，手柄设计上有防误操作，航天员不小心碰到手柄不会影响到操作性能。此外，为了便于航天员辨识，手柄经过了特殊设计，航天员即便是戴着手套也能灵敏地感受到操作档位。

　　四问 航天员怎么“开飞船”？

　　专家介绍，如同司机开车，油门、刹车、方向盘全是一个人控制，驾驶飞船也是由一名航天员负责，“方向盘”是两个手柄，可进行6个自由度、12个方向的操控训练。其中，一个管平移，一个管姿态，速度不能太快也不能太慢。

　　“前车窗”是一个人控TV，类似于一个取景框，取景框里有个十字靶标，用来实时观察判定“天宫”与飞船的相对姿态、相对位置和相对速度。

　　与此同时，至少还有一名航天员也不能闲着，他将起到重要的辅助作用，不仅要观察一些仪表数据、帮助调节人控TV的宽窄视场，还要操作一些按键，输出一些指令，同时提醒监视“驾驶员”的操作。

　　五问 “太空打靶”如何精准无误？

　　这需要用到中国航天科技集团公司九院13所研制生产的手控光纤惯组。这个装置是安装在航天员座椅下的一个既小巧玲珑又十分精致的黑盒子，它可以稳定飞船位置和姿态，帮助航天员完成手控交会对接。

　　手控光纤惯组的主要作用就是稳定飞船姿态，保证航天员可以将飞船稳定在预定的位置上，从而保证飞船平稳地沿着预定轨道进行交会对接。只要飞船稍微偏离航天员设定的预定目标，光纤陀螺就可以检测出偏差值，进而通过控制系统的反馈，将飞船重新稳定在预定目标上。

　　手控光纤惯组的加速度计还可以测量飞船的加速度，通过积分计算出速度和位移，从而得到飞船与目标飞行器的相对距离，为航天员手动交会对接提供参考。

　　手控光纤惯组的研制以自主创新为立足点，通过一系列技术攻关和发明创新，取得了新型全固态光纤陀螺惯性技术在我国载人航天工程上成功应用的重大突破，实现了关键技术跨越5—10年、单项技术达到世界先进水平的跨越式发展。这也是世界上首次光纤惯导产品用于载人航天手控交会对接任务。

　　六问 如何确保手控对接万无一失？

　　为了顺利完成交会对接任务，航天员系统开展了前期的科学研究，验证交会对接控制的模式、机构、界面是否符合人的心理、生理认知特点，根据验证结果为工程研制适合航天员的交会对接工程系统提出了要求。同时，研制了手控交会对接的模拟设备，还专门研制了单项的训练模拟器，并对现有的全任务训练模拟器进行了增补和改进。

　　航天员的手控交会对接训练细分为多个科目，训练从难、从严。科目设置考虑到阳照区、阴影区、有参数、无参数等多种状况，模拟了可能发生的40多种故障，同时在训练中也随机设置故障和偏差，给航天员增加噪声等干扰。

　　为使手控交会对接万无一失，航天员在地面进行了上千次的训练。负责交会对接任务的刘旺训练达到1500次，在仪表没有数据的情况下，他仅靠光学显示就能够操作。

　　七问 对接为何能“天衣无缝”？

　　当神舟九号与天宫一号对接成功后，通道被打开，两个连接体将形成一个大的密封舱。为了保证航天员在舱内的安全，整个密封舱的密封性至关重要。如何保证百分之百的密封性，密封圈是其中的关键点。

　　密封圈被安放在神舟九号主动对接结构的对接面凹槽里。与人们生活中常见的“O型”密封圈不同，“神九”对接机构上的密封圈呈“T型”，被卡在凹槽里，在空间不受力的情况下，不会自动脱落。

　　八问 手控为何比自动少三分钟？

　　“对接得很漂亮，精度很高，对接时间也很快，不到7分钟，而自动对接时大概用了10分钟左右。节省的这3分多钟，就是人脑和电脑相比，人所具有的固有优势。”航天员系统总体室主任刘伟波说。

　　据刘伟波介绍，以往的自动交会对接过程中曾出现光干扰问题，对交会对接进程造成了一定影响。

　　“这次手控交会对接，航天员用调光键手动调光，避免了光饱和。这就是手控的好处，航天员能够充分感知环境的变化，主动预防问题，随时操作临时想到的措施，这些都是只能执行程序的机器所不具备的。”刘伟波说。

　　除此之外，刘伟波认为这次手控交会对接有两个特点：一是在驾驶过程中，靶标始终在中心值附近，偏差非常少。第二，这次交会对接神舟九号飞船是倒飞状态，这种情况下，撤退和前进过程中，轨迹与正飞正好相反，对航天员而言，必须要适应这种控制方向不一样的情况。

　　九问 电连接器的精度有多高？

　　如果说“神九”与天宫一号的对接，是“肌体”连接的话，那么作为导通“神九”和天宫一号之间电路的Y88电连接器，承担着导通“肌体”“经脉”的角色，而这个电连接器，就是由中国航天科技集团公司九院693厂自主研制生产的。

　　“神九”Y88电连接器在太空环境中插合和分离两个相反功能的准确性非常高，实现对接的电连接器其误差控制在一毫米之内。

　　手控交会对接全记录

　　●10:54 航天员已经离开天宫一号，进入飞船返回舱，进行实施手控交会对接的准备。

　　●11:12 天宫一号和神舟九号飞船已经成功分离。

　　●11:16 神舟九号在30米停泊点稍做停留，撤离到距天宫140米的位置。

　　●11:25 飞船开始撤向400米停泊点。

　　●11:34 飞船进入400米停泊点，在这里要稍做停留。

　　●11:38 飞船开始重新接近天宫一号，从400米停泊点向140米停泊点前进。

　　●11:47 神舟九号进入140米保持。

　　●11:53 北京中心向神舟九号通报，飞船预计在140米停泊点保持约45分钟。

　　●12:07 飞船140米保持正常。

　　●12:08 飞船对接环推出。

　　●12:11 飞船对接机构对接准备完成。

　　●12:15 飞船目前处于测控盲区。即将进行的手控交会对接，将在测控站点比较密集的弧段进行。

　　●12:16 北京中心向参试各点位通报：预计大约12时38分飞船转入手动控制，12时42分飞船开始手控交会对接，12时50分对接。

　　●12:25 飞船进入测控区。

　　●12:26 北京中心再次向神舟九号通报：140米保持状态正常。

　　●12:36 天宫一号与神舟飞船的相对距离在108米左右。

　　●12:38 北京中心报告：飞船开始转入手动操作。

　　●12:38 神舟九号报告：手动控制就位。

　　●12:39 刘旺正在操作左手控制手柄。

　　●12:39 神舟九号报告：01手柄试操作正常。

　　●12:40 刘旺正在操作右手边的手柄。

　　●12:41 神舟九号报告：姿态手柄试操作正常。

　　●12:42 北京中心命令：开始手动交会对接。

　　●12:42 手控对接开始。

　　●12:43 飞船正在向天宫一号接近。

　　●12:45 刘旺不断操作控制手柄，神情专注。地面工作人员严密监视各项参数和状态。

　　●12:46 二者相距不到20米。二者相对速度不到每秒0.2米。

　　●12:48 接触。

　　●12:48 对接机构捕获。

　　●12:49 对接机构开始拉回。

　　●12:50 对接环正在拉回，状态正常。

　　●12:52 对接锁锁紧开始。

　　●12:53 对接锁正在锁紧，状态正常。

　　●12:54 对接机构端面密封完成。

　　●12:55 对接锁紧完成。

　　●12:55 神舟九号报告：仪表显示，对接完成。

　　向航天英雄致敬

　　神奇的航天飞行训练模拟器

　　24日，神舟九号与天宫一号顺利完成了我国首次手控交会对接。

　　中国航天员科研训练中心模拟器研究室主任晁建刚说，为确保航天员在太空中的操作万无一失，中国航天员科研训练中心为航天员提供了逼真的航天飞行训练模拟器开展训练。

　　手控交会对接训练模拟器：

　　像一个孤立的“神舟号”返回舱

　　手控交会对接训练模拟器是3型模拟器中最为袖珍的一个，是专门为航天员进行手控交会对接及撤离训练而建，能够模拟手控交会对接实施的全过程。从外形上看，手控交会对接训练模拟器像一个孤立的“神舟号”返回舱。

　　晁建刚介绍，航天员在手控交会对接模拟器里分两种工况训练，第一种是航天员对自动交会对接模式进行实时监测，并协助地面完成相关工作；第二种是航天员手控交会对接训练，这时要操纵跟神舟九号工况一致的手控交会对接系统来驾驶飞船，模拟与天宫一号对接。

　　晁建刚说，根据这次任务研制出的手控交会对接训练模拟器，已成功应用于航天员手控专业技术训练、工程验证和工效试验。别看这个模拟器个子小，却在3型模拟器中使用率最高。

　　固定基全任务飞行训练模拟器：

　　大约有3层楼高，内部的装修颇为“奢华”

　　与手控交会对接训练模拟器相比，固定基全任务飞行训练模拟器可以算是大个头了，它的外形像是拿掉火箭的神舟九号，大约有3层楼高，内部的装修颇为“奢华”，从显示器、仪表板到舷窗、舱内救生物品等一应俱全。

　　晁建刚介绍，固定基全任务飞行训练模拟器是我国载人航天工程中的大型训练设备之一，它通过实物、半实物与教学仿真的方法模拟航天员在空间任务的环境感知、操作感知、视觉感知和听觉感知，用于对航天员进行综合技能和任务训练。

　　目标飞行器组合体训练模拟器：

　　占地面积最大的一个

　　目标飞行器组合体训练模拟器是3型模拟器中占地面积最大的一个，长约20米，宽约7米，左部是一个直径较小且比较短的圆柱体，用于模拟轨道舱状态，右部是一个直径较大且比较长的圆柱体，用于模拟天宫一号实验舱状态。

　　晁建刚介绍说，在目标飞行器组合体训练模拟器里，航天员可以完成从对接成功到进入天宫一号工作、生活的全部过程训练，包括开闭舱门、穿舱、飞行状态监控以及空间实验等。

责任编辑：春华