科学探索|“从一到L”，问天实验舱如何完美转位？ “从一到L”，问天实验舱如何

2022年9月30日，中国空间站问天实验舱从天和核心舱轴向对接口分离，转位90度至天和核心舱侧向停泊口，两舱组合体由“一”字构型变为“L”字构型，空间站组合体稳定飞行。此举标志着问天实验舱转位任务取得圆满成功，中国空间站建造阶段第一波次任务圆满收官。

文章图片

【科学探索|“从一到L”，问天实验舱如何完美转位？】由天和全景摄像机拍摄的转位动作图源：中国载人航天工程办公室

本次转位任务由航天科技集团五院抓总负责。为确保任务顺利实施，研制团队从系统工程思想中汲取营养，从顶层规划到组织实施开展了大量设计验证工作。
“头脑风暴”出转位方案
空间站舱段转位技术是中国空间站建造必须突破的关键技术之一。这个动作看似简单，实则是空间站任务和研制团队面临的一次“大考”，是融合了前向撤离、舱段转位、侧向对接等高难度动作的“组合拳” 。
据航天科技集团五院空间站问天实验舱副主任设计师罗超介绍，舱段转位时，由百余公斤的转位机构驱动20余吨的实验舱进行大范围转移，就如同“用一根扁担挑起两头大象”，属于动力学特性最脆弱的状态，任何两端轻微的振动都可能产生严重的后果。“为确保结构安全，必须暂时关闭组合体姿态主动控制，让空间站在自由漂浮状态下完成舱段转位。”罗超强调。
可是，让空间站组合体这样一个几十吨的庞然大物在太空中处于被动稳定状态，谈何容易！“要不借鉴钟摆原理，先把组合体立起来试试看，再让组合体转个身向后转位——这样一来，组合体就能靠重力作用，像钟摆一样稳定对地轴，使得问天实验舱上两个大型太阳翼像羽毛球那样稳定偏航轴，从而形成三轴被动稳定的飞行状态……”在研制团队的“头脑风暴”中，本次转位中发挥关键作用的被动稳定转位方案被逐渐明确下来。
多重模拟做好地面验证
得益于平面转位方式的选择，研制团队可以在地面使用气浮台进行大量转位试验，从而充分验证转位路径。地面“电性空间站”进行全流程模拟试验时，云端“数字空间站”利用多学科仿真模型，在飞行程序驱动下开展转位过程中的姿态预示、中继测控链路遮挡和能量平衡等多学科联合仿真，充分验证了转位实施方案的可行性和转位过程中姿态、能源、测控通信等多专业的匹配度。

文章图片

转位仿真图图源：中国载人航天工程办公室

2022年1月6日，工程总体组织实施了机械臂辅助货运飞船转位试验。作为此次转位前的一次正式预演，问天实验舱先后完成机械臂捕获天舟二号、对接机构分离、天舟二号转位、两舱再次对接等一系列预定动作，为问天实验舱转位任务的成功实施奠定了坚实基础。
各分系统高效配合完成任务
本次转位任务的成功，离不开空间站各分系统间的大力协同配合。“在转位过程中，空间站机械臂分系统始终作为转位机构的备份手段，保障平台安全；制导、导航与控制（GNC）分系统始终精准控制，确保组合体以最高稳定度进入停控状态；测控与通信分系统在天地间搭建起畅通的通信链路，传输高清图像，使得整个转位过程100%受控；数管分系统则发挥‘智能大脑’作用，处置一系列复杂指令，确保全程零差错……”罗超表示，由于各分系统的高效配合，此次任务仅用大约一个小时就圆满完成，进一步确保了空间站组合体的安全。