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科学家千百次模拟"太空之吻" 为交会对接精准定位

　　为交会对接的成功，科学家在地面千百次模拟“演习”

　　今天凌晨1时36分，我国首个空间实验室天宫一号与神舟八号飞船在广袤的太空中成功完成“太空之吻”，实现了载人航天工程首次空间交会对接。

　　鲜为人知的是，为了这次交会对接的成功，科学家在地面上作了百千万次模拟“演习”。

　　把太空环境“搬”到地面

　　“太空环境非常恶劣，会出现许多在地面上难以想象的问题。”哈尔滨工业大学机器人研究所副教授朱延河举例说，在地面环境中轻易不会黏合在一起的铁块和铝块，在高真空的太空中会像黏合剂一样黏在一起甚至像焊在一起无法分开，这就是“冷焊现象”。

　　平时机器的轴承运转不灵，只要滴入一些液态润滑剂，就能马上“生龙活虎”，但真空环境中液体可能瞬间蒸发。

　　为此，哈工大机器人研究所和上海805所合作研制了空间对接机构热真空试验台，真实模拟了对接机在高低温、真空等各种太空极限环境下的对接过程，并解决了冷焊现象、大温差卡死、真空润滑等问题。

　　“我国是世界上第三个拥有此项技术的国家。”朱延河介绍说，空间对接机构热真空试验台，利用等效质量模拟原理，实现了热真空环境下飞船对接的全过程模拟，是我国第一次在真空罐内实现大型对接模拟试验，也是国内首次实现的大型地面动态测试设备在真空条件下的试验测试。

　　为交会对接精准定位

　　在太空中，天宫一号和神舟八号高速运行，位置稍有偏差就可能出现“擦肩而过”甚至“迎面相撞”的事故，导致交会对接的失败。

　　据哈工大航天学院控制与仿真中心教授姚郁介绍，这就需要在实施对接前，导航、制导与控制系统应使飞行器的相对位置、相对姿态与相对速度都达到一定技术状态的要求。

　　由哈工大研制的九自由度运动模拟系统用于模拟交会过程中追踪器和目标器的空间运动，是空间实验室和飞船交会过程的地面仿真专用设备。该设备主要包括目标三轴台、追踪三轴台、三维平动系统三部分。

　　姚郁说，目标三轴台用于模拟目标飞行器的姿态变化，追踪三轴台用于模拟追踪飞行器姿态的变化，三维平动系统用于模拟两个飞行器之间相对位置变化。3个部分都要实现三个维度的控制，即所谓九自由度运动模拟系统，3个部分联动最终实现“太空之吻”位置的精准定位。

　　该系统采用多项先进技术，突破了机械结构设计、驱动与控制、测量与标定、高速实时通讯等多项关键技术，使设备的综合指向精度指标达到了国际领先水平。

　　在2007年交付中国航天科技集团五院502所，2008年正式投入使用后，该系统开展了一系列相关试验。“该设备的使用，有效保证了天宫一号和神舟八号的正式上天状态跟地面预演状态的一致性，功不可没。”姚郁说。

　　相关文献表明，直到2010年，波音公司才投入使用了与九自由度运动模拟系统指标相当的同类仿真设备。

　　模拟真实“太空之吻”

　　有了交会对接的模拟环境和之前的精准定位，关键的对接技术更加重要。完整的对接包括初步接触、捕获、校直缓冲、拉紧锁定等几个步骤。

　　对接机构综合试验台运动模拟器就是为了真空模拟“太空之吻”，它是对接机构综合试验台最重要的核心设备，它的主要作用是模拟常温与高低温环境中的空间飞行器在对接过程中的相对运动，用于航天器空间对接机构的研制、测试和鉴定试验。

　　参与项目的哈工大电液伺服仿真及试验系统研究所副所长丛大成介绍说，该设备采用半物理仿真的方法，兼取数学仿真的灵活特性及物理模拟的真实性，实时模拟两个飞行器在设定对接初始条件下的对接动力学过程。

　　该项目的成功研制，为载人航天复杂的空间动态对接过程地面模拟试验提供了最重要的技术保障，为对接机构的研制、验收和鉴定试验奠定了基础。

　　“六自由度运动模拟器挑战性技术难题的顺利解决，使我国完全独立自主地掌握世界顶尖六自由度运动模拟器的高度集成制造技术，处于世界领先水平。”丛大成表示。