据中国载人航天工程办公室消息,神舟十三号载人飞船入轨后顺利完成入轨状态设置,于北京时间2021年10月16日6时56分,采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱径向端口,与此前已对接的天舟二号、天舟三号货运飞船一起构成四舱(船)组合体,整个对接过程历时约6.5小时。这也是中国载人飞船在太空中实施的首次径向快速交会对接。按任务实施计划,3名航天员随后将从神舟十三号载人飞船进入天和核心舱。
为何在此次任务中,要采用这种突破性的对接方式,全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向环球时报记者表示,这与当前中国空间站的构型有很大关系。
在10月14日举行的神舟十三号载人飞行任务新闻发布会,中国载人航天工程新闻发言人、中国载人航天工程办公室副主任林西强介绍称,与神舟十二号任务相比,神舟十三号任务有几方面的不同,其中之一就是载人飞船将采用自主快速交会对接的方式,首次径向停靠空间站,而届时中国空间站将实现核心舱、2艘货运飞船、1艘载人飞船共4个飞行器组合运行。
庞之浩称,为了使航天器易于运动控制,其构型要保证主结构和质量分布尽量对称、紧凑,确保航天器的质心居中,从而减少因姿态控制所消耗的能量。俄罗斯的和平号空间站就曾因对接了多个实验舱后出现不对称的情况,使质心不居中,导致为了控制姿态消耗了较多能量。而目前,中国空间站由4个飞行器组合而成的,天和核心舱的两端都对接了货运飞船,空间站要保持正常三轴稳定对地姿态,神舟十三号载人飞船就需要在轨道面内沿轨道半径方向实现径向对接。
然而这种对接方式虽然只是将飞船的方向变了90度,但是对接的难度却大了不少。
中国航天科技集团五院的专家表示,实现径向交会对接主要有“三个难”:
一是持续控制姿态和轨道“难”。对于前向、后向交会对接,其200米保持点是一个稳定的保持点,即使发动机不工作,飞船也能较长时间保持稳定的姿态和轨道。而径向交会没有稳定的中途停泊点,需要持续对飞船的姿态和轨道进行控制,推进剂消耗大,故障处置难。
二是姿态和相对位置确定“难”。神舟载人飞船配有敏感器,它就如同飞船的眼睛,通过观察星星和预设的标志点等来确定自己的飞行姿态、与空间站的相对姿态相对位置等。但由于径向交会过程中,飞船需由平飞转竖飞等大范围的姿态机动,所以对“眼睛”能看到目标和保证“眼睛”不会被复杂光照变化所干扰提出了更高要求。
三是航天员手控交会模式“难”。径向交会对接过程中基本失去了地球这个最熟悉的参照基准,测控条件变差,且相对动力学运动特性与前向交会不同,这给手控交会模式下航天员的操作增加了难度。
据了解,此次径向交会对接整个过程都是在制导导航与控制(GNC)系统指挥下,飞船智能自主完成的。径向交会和前向交会都是中国空间站载人飞船正常的交会方式,会在未来空间站载人交会对接任务中交替使用。庞之浩向环球时报记者表示,掌握径向对接能力,可以确保中国空间站同时对接多个航天器,以完成不同批次航天员在轨交接班的任务,满足中国空间站不间断长期载人生活和工作的需求。
“金牌火箭”再写传奇
据中国航天科技集团一院专家向《环球时报》介绍,承担此次发射任务的长征二号F运载火箭,一直扮演着中国航天员“专属座驾”的特殊角色。该型火箭在经过多次技术改进后,目前可靠性已经提升到了0.9894。相较而言,通常发射卫星的运载火箭可靠性要求约为0.9,发射载人飞船的运载火箭可靠性要求为0.97,长二F火箭这一指标的提升不仅再次刷新其自身纪录,也使得长二F火箭的可靠性处于世界前列。
此外,长二F火箭的逃逸系统在改进后,火箭安全性评估值已达到0.99996这一国际先进水平。长二F火箭总体主任设计师常武权通俗地解释了小数点后这一串数字的意义,“就目前的技术状态,长二F火箭需要发射十万次,才会有4次逃逸失败,平均一万次发射,还不到一次逃逸失败的情况。在保障航天员安全方面,它比‘万无一失’的水平还要高一些”。
而在整个中国空间站的建设过程中,为了整体提高航天员的安全性,长二F火箭采取了“发射1发、备份1发”及“滚动备份”的发射模式,即两发火箭同时进入发射场,一发火箭在承担发射任务的同时,另一发火箭则进入值班状态,一旦值班火箭接到应急救援命令,最快10天内就能实施应急救援发射。
如此长的“站立”时间,对一枚载人运载火箭是否会造成影响?对此,常武权介绍称,火箭研制团队经过大量的分析和试验,特别是对承力部件进行专题分析,可以确认长时间保持竖立状态火箭不会受到影响。此外,常武权还表示,长二F遥13火箭转入正常发射流程后,遥14火箭也“接棒”成为应急救援值班火箭。“本次任务中,我们在保证可靠性的前提下,探索实施了两发火箭发射场流程的并行与优化,预计可以将发射准备时间缩短20%左右。另外,我们还为全新的测发流程进行了技术储备。”常武权称。
太空生活6个月如何保障
此次神舟十三号载人飞船飞行乘组将创纪录的首次在轨驻留长达六个月时间,而据中国载人航天工程新闻发言人林西强介绍,未来,这也是空间站运营期间航天员乘组常态化驻留周期。
中国载人航天工程航天员系统总设计师黄伟芬14日向媒体表示,神舟十三号乘组将在轨飞行6个月,三名航天员身心素质无疑将经受更大的挑战。黄伟芬称,随着飞行时间的大大延长,特殊环境以及任务量增加等因素的相互作用,航天员身心健康受到负面影响累积,心血管系统、肌肉和骨骼系统等失重生理效应将更加凸显,出现睡眠障碍、疲劳等不适问题和应激医学问题的概率也会增高。航天员将长时间工作生活在狭小、密闭、隔离、振动、噪声等多种复杂、特殊因素交织的环境中,可能面临睡眠状态的变化、身心负荷过重等因素的影响,容易出现不良心理反应,甚至导致人际关系紧张、工作能力减弱。
全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩在接受《环球时报》记者采访时也表示,6个月的在轨驻留周期,对航天员生理和心理的影响会更大。例如,在生理方面会使航天员的骨质脱钙和肌肉萎缩更厉害。而在心理层面,在轨驻留时间的延长也会对航天员的心理健康产生影响。
据公开资料显示,俄罗斯“和平”号空间站以及国际空间站的乘组都曾因长期驻留出现过心理问题。在1995至1998年间的“NASA-Mir”任务中,就曾出现几起因心理问题导致乘员之间以及乘组与任务控制人员之间的关系紧张,乃至精神病性事件。
庞之浩称,目前,在生理层面,加强锻炼,服用特殊药物,补充水盐,加强营养和维生素的补充以及对肌肉进行电刺激等方式已普遍应用于航天员在轨身体调整,而贯穿于航天员训练过程始终的心理训练科目,能够培养航天员良好的职业个性和心理品质,为完成航天任务奠定良好的心理基础。在乘组的选拔中,心理相容性也是考虑的重要因素。在轨驻留期间,航天员也可用心理舒缓系统、听音乐,看电视等方法调解心理,或与地面心理医生、家人交流。
而据黄伟芬介绍,针对6个月的长期飞行挑战要求,中国航天员系统在选拔训练、健康、工作、生活等驻留保障技术方面进行了充分地研究和准备,保障方案既有刚性约束,也有弹性范围。不仅进一步完善航天员在轨作息和工作制度,特别加大对生活、工作和健康保障力度,还针对不同时期、不同个体的身心特点,每月对航天员健康状态进行全面评估,根据评估结果,适时调整航天员失重防护锻炼项目、航天员营养配餐方案以及心理支持活动等,确保航天员以饱满、良好的身心状态完成飞行任务。
此外,针对新增任务及状态变化,实施重点强化培训。在神舟十三任务中新增多项出舱预案、出舱操作要点和注意事项等,并对神十三乘组进行专项培训。
另据黄伟芬透露,一个多月前,神十三乘组还与在轨的神十二乘组进行了一次天地通话,了解撤离前物资状态、在轨工作与生活注意事项。神十二乘组对空间站中的物资、产品状态进行全面巡视拍摄,与神十三乘组进行专项座谈交流,全面介绍空间站操作要点、天地差异、注意事项等内容,特别是针对出舱活动,两个乘组间充分交流了经验,为神舟十三号乘组提前进入状态、顺利执行任务打下基础。
长达六个月的在轨驻留,不仅将考核并验证航天员长期在轨驻留能力。也对长期“停靠”的载人飞船提出挑战。为适应空间站复杂构型和姿态带来的复杂外热流条件,满足超长“待机”要求,中国航天科技集团五院神舟飞船团队对飞船返回舱、推进发动机和贮箱等热控方案、船站并网供电方案进行专项设计,使飞船具备供电、热环境保障的适应性配套条件。此外,先期到达的天舟三号也携带了可供长期驻留使用的生活物资,为航天员提供充足“后勤保障”。
在此次任务中最引人关注的亮点之一就是,王亚平不仅成为首位进驻中国空间站的女航天员,还将成为首位进行出舱活动的中国女航天员。针对女航天员参加空间站飞行任务的新情况,黄伟芬表示,航天员系统分析女航天员的身心特点和个体需求,重点从生活保障、健康保障等方面开展针对性的设计,以确保女航天员长期飞行、健康生活、高效工作。
据了解,神舟十三号载人飞行任务是空间站关键技术验证阶段第二次飞行任务,也是该阶段最后一次飞行任务,是空间站关键技术验证阶段的决胜之战和收官之战,也是空间站在轨建设过程中承前启后的关键之战。通过神舟十三号任务,将更加全面地考核工程各系统执行空间站任务的功能性能,以及系统间的匹配性与协调性。神舟十三号任务结束后,我国将组织进行全系统综合评估,满足要求后将转入空间站全面建造阶段。