怎样“算计”九天外?

19日3时31分,神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室在距地面393公里的轨道高度成功实现自动交会对接。
如何判断变轨效果是否符合预期?怎样准确掌握飞船的轨迹,引导飞船和天宫进行交会对接?地面科技人员如何“算计”九天外的无数“未可知”?数据处理、轨道计算、控制策略……每一项都不简单。
定轨:太空接力第一棒
飞控任务接力的第一棒是从“船箭分离”开始的,快速准确计算出飞船在茫茫太空中的位置,判别其是否成功入轨,这是后续一切活动的基础。
“飞船踏入太空那一刻,我们就要进行精确定轨,知道它在哪里。” 轨道计算主任设计师张宇说。所谓精确定轨,就是在航天器上天以后,利用陆海天基各个测控站回传的跟踪测量信号,通过一系列算法计算出它的精密位置和速度。
北京飞控中心轨道室主任谢剑锋告诉科技日报记者,为提高定轨的速度和精度,飞控中心自主研发了高精度定轨软件,“精度最高可以达到10米量级,在世界范围内也是处于领先水平。”
通过计算软件,工程师们设置好相关参数,对数据进行处理后,输入相关命令就可以快速计算出初轨根数,再经过轨道选优最后定轨,整个过程看起来毫不费力。
“事实上,每一次任务我们都要精细建模。”张宇说,要达到航天任务的精度要求,在建模过程中就要细之又细,不但要考虑航天器的几何结构和实际飞行姿态,还要综合考虑空间环境的影响因素如高层稀薄大气阻力、地磁指数等,“影响的参数变量粗略地估计不到一百个吧。”
这些参数最基本的有效位都要达到小数点后6位,在实际计算过程中还要反复确认这些参数变量。
预报:一个月后的事情全知道
“就好比风筝在天上飞,轨道岗位确定了当前风筝的位置,我们就能计算出,接下来的每一秒风筝会往哪里飞”, 预报岗位主岗颜华如是描述自己的工作。
每一次任务,颜华和她的同事们都要做几十套各类轨道预报文件,通过海量的航天轨道数据处理,准确预知和判断升空后的飞船是否按照预定轨道飞行。
事实上,空间实验室任务中需要攻破的一个重要“难关”,就是对天宫二号运行轨道进行精确预报。早在2015年初,大家就意识到,在393公里的崭新交会对接轨道,对接前20余天就要对天宫轨道进行准确预报等复杂环境下,如何提高长时间轨道预报精度是全新的挑战。
对此,飞控中心提出对预报方法进行改进,建立起更为精确的预报模型和参数,并集中攻关。“长周期的预报,要求精度是84度正负8度的偏差,现在我们能做到只有1度偏差。”张宇自信地告诉记者,接下来的目标是提升到0.5度的偏差,“就好像提前一个月进行天气预报,还报得准当天是阴晴雨雪。”
控制:“纸上谈兵”不容易
神舟十一号飞船入轨后,与天宫二号相距万里之遥。如何成功牵引神舟十一号飞船抵达相距52公里处天地交班点,5次远距离导引控制至关重要。为了确保万无一失,谢剑锋带领团队反复推敲每一个控制细节,认真核对每一个控制策略,充分考虑每一个可能故障,直到确信精准无误。
在航天器上天之前,轨道控制的准备工作一直是和枯燥的数字打交道。
“准备的方案对不对,都是纸上谈谈或者自己推演验算。只有航天器切实在天上飞了,我们才能知道真正的结果。”谢剑锋说,对他和同事们来说,最难的事情是在任务准备阶段,看不到实实在在的东西,开始做的都是基于建模的推想而已。尽管如此,对航天器的控制,如什么时候工作、什么时候休息,什么时候做什么动作,都必须详尽列入计划方案。
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