瞭望 | 最佳“天神”组合的意义，以及神11有何新变化？
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=m0338g14nog&width=500&height=375&auto=0天马行空第4天｜神舟是怎样追上天宫的？
瞭望最新两篇航天报道：
◆ 最佳“天神”组合秘密
◆ 神舟十一号飞船的新变化
最佳“天神”组合秘密
天宫与神舟的组合，将显著加快中国人构建自己的空间站、向更远深空挺进的奋进步伐
10月19日凌晨，神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接，两名航天员进驻天宫二号，进行中国首次30天中期在轨驻留试验。
在布满宇宙射线、高能粒子的太空环境中，天宫二号和神舟十一号形成的“天神”组合，这两个近十吨重的飞行器，要通过组合体控制技术实现“1+1=1”，在数万米每秒的高速飞行中保持轨道的毫厘不差，实现平稳飞行，难度非常大，这对航天器的控制系统要求极高。
“在天宫二号和神舟十一号设计研制过程中，我们从硬件和软件两个方面优化组合体控制技术，打造出了最佳‘天神’组合，为航天员能够更加安全、高效、愉悦地投身各项飞行试验任务奠定了坚实基础。”天宫二号和神舟十一号的缔造者、我国空间事业发展的排头兵——中国空间技术研究院（下简称“研究院”）院长张洪太说。
神舟十一号与天宫二号交会对接后，组合体姿态和轨道的控制权将交由天宫二号负责，神舟十一号将关闭大部分设备，只承担太阳能帆板的控制的职责，保证随时提供为组合体提供稳定的能源保障。
“在充分继承天宫一号与神舟八号、神舟九号、神舟十号组合体控制成功经验的基础上，针对此次‘天神’组合的任务特点，我们在软件算法、智能控制、硬件性能、抗干扰等方面进行了创新和优化，大大提升了组合体控制的性能和效率和效益，为‘天神’组合的合二为一奠定了坚实基础。”研究院GNC系统主任设计师蔡彪介绍。
性能更强大
组合体在太空运行中，其携带的很多设备工作所需要的电力能源需要太阳能的支撑和转化，对此，在绕地运行的过程中，为了确保组合体上的太阳能帆板始终对准太阳，尽可能多地接受阳光的照射，“天神”组合需要时刻调整姿态。
中国空间技术研究院设计师结合天宫一号的飞行经验，通过研制性能更优的光学成像敏感器，使太阳能帆板对太阳的捕捉效率提升了数十倍，进一步提高了太阳帆板跟踪能力。
为了应对组合体长期在轨运行可能面临的太阳方位不好等恶劣情况，研究院技术人员为“天神”组合首次武装了“连续快速机动”的飞天神器，使得“天神”组合可以不用大费周折转动身体捕捉太阳，只需轻巧地扇动太阳能帆板这对“双翅”，就可以快速、灵活地以最佳角度接受阳光的辐照，使组合体实时保持充足的能量供应，这一方面有力支持了组合体更长时间的稳定飞行，也为“天神”组合内各项科学实验的顺利进行提供了有力支撑。
研究院还研制了可用于大型变结构组合体控制的控制力矩陀螺（CMG），针对系统特性，优化了基于CMG控制参数和算法，进一步提高了系统的运行效率，不仅大大节约推进剂的消耗，也提升了调整组合体在轨运行姿态的效率。
运行更安全
研究院制定的CMG系统完善的自主故障诊断和重构，在实现角动量管理的同时，保证了当某一CMG出现异常或故障时，系统可以无缝切换并保证系统姿态干扰最小。
同时，大角度的姿态机动算法可以保证组合体在“正飞”和“倒飞”中灵活平稳切换；而多机冷备份GNC控制器具备三机自主故障诊断故障和自主切换能力，当其中一机自主识别出问题时会自动实现交接班，从而保证组合体一直正常工作，使组合体的工作寿命达到寿命指标的二到三倍。
在复杂的太空环境中，万一遇到突发情况该怎么办？研究院技术人员用创新为“天神”组合的高风险托底。
控制系统在硬件配置和软件设计层面均通过采用了多重备份的系统配置，制定了十余种正常和安全飞行模式，保证了当出现任何一重故障时，组合体可以完全正常工作。当同时出现任何两重故障时，组合体仍能保证安全状态。
研究院技术人员还设计了完备的部件级和系统级的故障诊断和自主重构策略，具备在轨自主或者航天员手动参与并与地面配合完成系统的安全状态转换，又为组合体加上了一道安全墙。
即使飞船分离时，对接结构解锁分离产生巨大姿态干扰，姿态出现剧烈晃动，设计出的轨迹规划仍可保证天宫二号在任何状态下的有效控制，并在一分钟之内回归到正常稳定对地飞行状态，同时可实现飞船在分离和撤离过程中一直“盯着”天宫二号，以防发生分离后的碰撞，最大限度的保证了飞船分离和撤离过程中的平稳和安全。分离和撤离，“给力”的控制系统更是使飞船只要一分钟即可回到对地状态。
天宫二号与神舟十一号“天神”组合的飞天征程，将显著加快中国人构建自己的空间站、向更远深空挺进的奋进步伐。通过“天神”组合的飞行试验，将对变构型组合体的自适应控制进行初步验证，并进一步检验和完善组合体控制系统的自主故障诊断、智能控制能力，这将为未来空间站多舱段融合和整体运行控制奠定坚实的技术基础。
神舟十一号飞船的新变化
进入太空的天宫二号空间实验室已平稳运行了一个月之久，迎来第一个访客——神舟十一号飞船。
神舟十一号飞船，是中国空间技术研究院研制的神舟系列飞船之一，也是该院建院以来研制发射的第200颗空间飞行器。
10月17日，神舟十一号飞船搭载着两名航天员进入太空，19日与天宫二号完成自动交会对接，形成一个整体。组合体要在太空中飞行30天，完成中期驻留任务后，再返回地球。这一次，神舟十一号飞船的飞行时间比此前的神舟系列飞船都长。
神舟十一号飞船的抓总研制单位中国空间技术研究院介绍，神舟十一号飞船在以下方面发生了新变化：
一是，确保与地面始终保持联系。
首次配置了宽波束中继子系统，当飞船飞到地面系统测控不到的位置时，这个系统能让它更容易被中继卫星寻找到，再通过中继卫星和地面测控系统的连接，保证了飞船跟地面之间的联系，尤其在出现紧急状况时，飞船始终能与地面保持通信，具有更高的安全性。
二是，确保顺利实现交会对接。
在太空中，神舟十一号要寻找并从后面追赶天宫二号，缓慢靠近，通过对接机构紧密地跟天宫二号组合在一起。如何能够精确无误？在神舟十一号的对接机构上装有光学成像敏感器，这就相当于飞船的“眼睛”，在近距离平移靠拢天宫二号时，飞船靠它测量距离，精确捕捉天宫二号的对接口，完成对接动作。
在天宫一号目标飞行器阶段，神舟八号、九号、十号飞船分别与天宫一号完成了对接任务，对接时同样依靠的是“眼睛”，而这次神舟十一号的眼睛所用的敏感器相机，具有抗杂光和抗强光能力，性能大大优于此前神舟飞船的CCD光学成像敏感器，在全天的时间段里基本上都能进行对接。这一技术改进让交会对接任务完成得更加出色。
另一个小变化是，神舟十一号飞船的“眼睛”能够发光照亮天宫二号的对接口，此前的对接都是天宫一号上装着的灯泡发出光亮，便于飞船靠近、对接，现在由于神舟十一号能主动照亮，天宫二号去掉了需要电源的灯泡，装上了多面镜子，当飞船靠近时，镜子反射它发出的光线，就可以照亮飞船，这样的好处是镜子能够长久使用，解决了用电的灯泡寿命问题。
三是，确保实现33天在轨飞行任务顺利完成。
神舟十一号飞船和天宫二号组合体要完成30天中期驻留任务。30天的组合体飞行，再加上神舟十一号飞船单独飞行的3天，神舟飞船总共要飞行约33天，这在神舟系列飞船中是时间最长的。为了完成如此艰巨的任务，研制人员对神舟十一号飞船进行了改进。
神舟十号飞船与天宫一号会面时，带着3名航天员在天上飞了15天，研制人员记录下了当时的设备、物资等配备，在此基础上，他们精确计算，给两名航天员进行设备配套的优化配置，减少掉部分装备，带上了更多的食品及饮用水等生活支持用品，保证航天员在30天驻留期间使用。
考虑到飞船需要长时间驻留太空，研制人员考虑到了每一个细节。在组合体连续飞行之时，将会因为偏航引起返回舱温度过低，此时有可能导致设备结露，影响使用；同时偏航也将引起推进舱贮箱和发动机温度升高，有可能超过温度上限，无法正常工作……为此，研制人员对神舟十一号的返回舱和推进舱进行了热控设计改进，飞船现在有了更耐高温和低温的外衣，不再害怕太空环境的炙烤和寒冻。
载人航天空间实验室阶段的主角是天宫二号空间实验室，神舟十一号飞船和天宫二号要组合成一个整体，成为航天员的太空住所，又要共同完成中期驻留试验，天宫二号自然少不了有针对性的设计改进，最具特色的就是从提高生活质量、降低工作负荷、改善睡眠环境、丰富娱乐条件等几个方面做了载人宜居环境设计，在有限的22.3立方米组合体自由空间内，集成了内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等宜居技术，为航天员提供舒适人性化的空间家居环境，使航天员在30天的驻留期间，生活和工作更加舒适惬意。
此次中期驻留验证，都是为未来空间站建设做准备。当中国建起自己的空间站，需要有工作人员上去照料，也需要运送飞行所需燃料、物资、设备等，到那时，后续神舟飞船将担起重任，运送航天员登上空间站；另一方面，运送物品、物资就将由天舟货运飞船来完成。天舟货运飞船将首次飞行会天宫二号，经过这次任务后还会进行设计改进，成为以后往返地面和空间站的货物运输工具。LW
刊于《瞭望》2016年第43期
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