哈工大為“天神”牽手貢獻多項技術支撐

发布时间:2011-11-18 10:19:53  阅读数:

    香港商报2011年11月04日中国窗  http://www.hkcd.com.hk/zsly/content/2011-11/04/content_2837262_3.htm

    【香港商報訊】記者劉凱哈爾濱報道:我國首個空間實驗室“天宮一號”與“神舟八號”飛船在深邃的太空中成功完成“天神”牽手,實現了載人航天工程首次空間交會對接任務。為了這次太空牽手的成功,“天神”在地面上預先做了成百上千次演習。以服務國家航天科技事業為己任的哈爾濱工業大學,參與了與此次交會對接相關的多個科技項目研發,攻克了多項技術難題,為“牽手”的成功提供了重要的技術支撐。

    空間對接機構熱真空試驗台:營造太空“牽手”環境

    天上“牽手”極不容易。程序複雜環境惡劣,飛行器以相當於地面每秒7.9千米以上的高速飛行,高真空,微重力,會出現許多在地面上難以想像的問題。比如,在地面環境中輕易不會粘合在一起的金屬塊,在高真空的太空中會像粘合劑粘在一起甚至焊在一起那樣無法分開,這就是“冷焊現象”。平時機器的軸承正常運轉就要加注一些潤滑劑,但是在高真空環境中液體很容易蒸發,加上在太空環境中物體在陽光照射下的陽面和陰面會有巨大的溫差,一般的潤滑劑根本無法使用。為了讓“天神”能夠適應這種環境,哈工大機器人研究所和上海805所合作研製了空間對接機構熱真空試驗台,這種試驗台實現了全六自由度模擬、全電動控制,在專用操作室採用3維虛擬環境下的遙操作技術,據悉,我國是世界上第三個擁有此項技術的國家,這是我國第一次在真空罐內實現大型對接模擬試驗,也是國內首次實現大型地面動態測試設備在真空條件下的試驗測試。

    “神八”上天之前,在這個試驗台預先做了4次大型綜合測試,通過完整模擬各種太空極限環境下的對接過程,獲得測試機構在不同溫度環境下的狀態,成功排除了冷焊現象、大溫差卡死等問題,實現並驗證了高可靠性的真空潤滑、大型複雜裝配。

    九自由度運動模擬系統:為“牽手”精准定位

    “牽手”的正式說法應該是飛船與目標飛行器的交會對接。“交會是指兩個或兩個以上的飛行器在空間軌道上按預定的位置和時間靠近相會。對接則是指兩個飛行器在空間軌道上實現機械結構上的連結。”哈工大控制與仿真中心姚郁教授介紹說。“天神”牽手要在高速飛行的條件下完成,位置稍有偏差都可能“擦肩而過”,甚至“迎面相撞”。因此,交會過程中必須實現精准定位,調整好雙方的姿態才能順利完成任務。這就需要在實施對接之前,導航、制導與控制系統應使飛行器的相對位置、相對姿態及相對速度都達到符合要求的技術狀態。

    哈工大負責研製的九自由度運動模擬系統就是用於模擬交會過程中神舟八號和天宮一號空間運動的地面仿真設備。這套設備主要包括目標三軸台、追蹤三軸台、三維平動系統3部分。其中目標三軸台用於模擬目標飛行器即本次實驗中的天宮一號的姿態變化,追蹤三軸台用於模擬追蹤飛行器即本次實驗中的神舟八號姿態的變化,三維平動系統則用於模擬兩個飛行器之間相對位置變化。3個部分都要實現三個維度的控制,即所謂九自由度運動模擬系統,3個部分聯動實現“牽手”位置的精准定位。

    在這個模擬系統的研製過程中,哈工大科研人員突破了機械結構設計、驅動與控制、測量與標定、高速實時通訊等多項關鍵技術,其綜合指向精度指標達到國際領先水平。該系統於2008年正式投入使用,並開展了一系列相關試驗,比2010年波音公司採用同類仿真設備的時間整整提前了兩年。

    對接機構綜合試驗台運動模擬器:模擬真實“牽手”

    攻克了模擬環境和精准定位兩道關口,關鍵的對接技術對於此次試驗更加重要。完整的對接過程包括初步接觸、捕獲、校直緩衝、拉緊鎖定等幾個步驟。參與項目攻關的叢大成介紹說,對接機構綜合試驗台運動模擬器是對接機構綜合試驗台最重要的核心設備,它的目標功能是模擬常溫與高低溫環境中空間飛行器在對接過程中的相對運動,用於航天器空間對接機構的研製、測試和鑒定試驗。該設備採用半物理仿真的方法,兼取數學仿真的靈活特性及物理模擬的真實性,實時模擬兩個飛行器在設定對接初始條件下的對接動力學過程。

    該項目的成功研製,為載人航天複雜的空間動態對接過程地面模擬試驗提供了最重要技術保障,為對接機構的研製、驗收和鑒定試驗奠定了基礎。此外,六自由度運動模擬器挑戰性技術難題的順利解決,使我國完全獨立自主地掌握世界頂尖六自由度運動模擬器的高度集成製造技術,在這一領域走在世界前列。

    空間對接機構恢復性能測試台:上天前的健康檢測

    對接機構從出廠到不同地點作模擬試驗,要在廠房、基地之間裝卸、運輸,對於高精度的模擬試驗而言,任何微小的變化都可能影響接機構的性能出現變化,從而導致模擬試驗失敗。為此哈工大機器人研究所和上海805所合作成功研製了空間對接機構恢復性能測試台。這項技術的精彩之處是把複雜測試化為簡單的方法來做測試,識別對接機構的運動和力學性能,確定其性能是否有變化以及是否符合綜合要求。對接機構從出廠到北京合練,再到酒泉基地發射,都需要空間對接機構恢復性能測試台反復進行測試。

    哈工大科研團隊在試驗台的方案設計階段提出模塊化設計思路:研製出的測試台軟件使操作簡易、靈便,使各地技術員都能夠迅速掌握;人機界面上採用基於操作嚮導的人性化設計,每一步都有明確指示,簡便易懂,保障了對接機構的安全性。項目組已交付的3台恢復性能測試工裝,為對接機構各個階段的恢復性能提供了測試保障手段。

    整機特性測試台:“牽手”機械結構的精度“標尺”

    在攻克動態模擬試驗和測試之前,哈工大機器人研究所曾在2000年與上海航天八院合作,開始了對神舟飛船的單元部件的測試工作,並於次年著手研製整機特性測試台。這個高5米多,具有六個自由度的測試台主要測試對接機構裝配靜態力學性能,功能目標是做對接機構的整體力學和精度測試。這是我國研製的第一台對接機構整機測試大型專用設備。整機特性測試台於2003年底交付使用,至今已經成功進行了上千次測試工作。

    對接機構總裝、總調關鍵測量裝置:對接機構量產的“催化劑”

    如果對接機構的安裝調試還是以人工操作為主,裝配和調試效率較低,通常調試一台對接機構需要幾個月時間。這將影響到項目的進度要求,於是哈工大機器人研究所和上海航天八院開始合作研製對接機構總裝、總調關鍵測量裝置。

    該調試台就像“監視器”一樣,在清晰觀察畫面中的人和物體的同時,可以及時發現裝配、調試過程是否出現問題。該項目實現了裝調過程中對對接機構姿態的隨動跟蹤和實時測量,突破對接環姿態一致性和鎖系同步性的要求,大幅度提升對接機構總裝總調效率、裝調和質量穩定性。這一關鍵項目的成功實現了對接機構在裝調過程信息的自動採集、測量分析、結果描述,同時做出及時快速調整。這樣不僅實現了安裝、調試的自動化操作,減少了人為因素和經驗依賴性,還保證了對接機構性能保障的一致性,可以使對接機構真正量產。據悉,該項目已基本完成,並將於2011年年底進行驗收。 

编辑:刘培香 来源:香港商报

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