手控光纖慣組助力天宮神九成功交會對接

中國航天員駕駛神舟九號踏上與“天宮”的相約之旅，我國即將迎來首次手控交會對接任務(wù)。這一操作是由在地面進(jìn)行了1500多次模擬訓(xùn)練的43歲航天員劉旺實(shí)施的。12時(shí)38分，他開始手動(dòng)控制飛船的姿態(tài)、速度和方向，使神舟九號從140米外向天宮一號緩緩接近。12時(shí)48分，對接機(jī)構(gòu)成功接觸。12時(shí)55分，一個(gè)多小時(shí)前剛剛分開的神舟九號與天宮一號實(shí)現(xiàn)剛性連接，再次形成組合體，中國首次手控空間交會對接試驗(yàn)成功。

神舟九號航天員成功駕駛飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器對接，這標(biāo)志著中國成為世界上第三個(gè)完整掌握空間交會對接技術(shù)的國家。

圖 神九天宮手控對接

手控交會對接如何保證精準(zhǔn)性

手控光纖慣組使手控對接盡在“掌握”

有人把手控交會對接比喻成航天員“太空打靶”。茫茫太空中，神舟九號與天宮一號相距140米處，神九中航天員根據(jù)屏幕上的十字刻度來對準(zhǔn)目標(biāo)，通過操作控制手柄來及時(shí)調(diào)整飛船位置?？墒且坏┏霈F(xiàn)偏差，怎么辦?

這就要用到中國航天科技集團(tuán)公司九院13所研制生產(chǎn)的手控光纖慣組。這個(gè)裝置是安裝在航天員座椅下的一個(gè)既小巧玲瓏又十分精致的黑盒子，它可以穩(wěn)定飛船位置和姿態(tài)，幫助航天員完成手控交會對接。

“手控光纖慣組的主要作用就是穩(wěn)定飛船姿態(tài)，保證航天員可以將飛船穩(wěn)定在預(yù)定的位置上，從而保證飛船平穩(wěn)地沿著預(yù)定軌道進(jìn)行交會對接。”13所副所長、時(shí)代光電公司總經(jīng)理王巍介紹，只要飛船稍微偏離航天員設(shè)定的預(yù)定目標(biāo)，光纖陀螺就可以檢測出偏差值，進(jìn)而通過控制系統(tǒng)的反饋，將飛船重新穩(wěn)定在預(yù)定目標(biāo)上。

手控光纖慣組的加速度計(jì)還可以測量飛船的加速度，通過積分計(jì)算出速度和位移，從而得到飛船與目標(biāo)飛行器的相對距離，為航天員手動(dòng)交會對接提供參考。

據(jù)了解，手控光纖慣組的研制以自主創(chuàng)新為立足點(diǎn)，通過一系列技術(shù)攻關(guān)和發(fā)明創(chuàng)新，取得了新型全固態(tài)光纖陀螺慣性技術(shù)在我國載人航天工程上成功應(yīng)用的重大突破，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)跨越5—10年、單項(xiàng)技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平的跨越式發(fā)展。這也是世界上首次光纖慣導(dǎo)產(chǎn)品用于載人航天手控交會對接任務(wù)。

“手控光纖慣組的研制過程并不是一帆風(fēng)順。”王巍說，在初樣階段研制，總體單位要求陀螺重量比模樣件減少25%。改動(dòng)選型就意味著陀螺的技術(shù)指標(biāo)發(fā)生變化，尤其是結(jié)構(gòu)減輕重量，很有可能導(dǎo)致產(chǎn)品的力學(xué)特性劣化。經(jīng)過慎重考慮，團(tuán)隊(duì)采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)方案，解決了減重問題。經(jīng)過仿真模擬，不但重量達(dá)標(biāo)，力學(xué)性能同時(shí)得到明顯優(yōu)化。而且經(jīng)全面的測試數(shù)據(jù)表明，陀螺重量減輕26%，力學(xué)、熱學(xué)性能均有明顯優(yōu)化，陀螺精度性能指標(biāo)優(yōu)異，成功實(shí)現(xiàn)了減重目標(biāo)。

關(guān)于手控光纖慣組

手控光纖陀螺慣性測量系統(tǒng)，簡稱手控光纖慣組。2008年，神舟七號飛船上的手控光纖陀螺慣性測量系統(tǒng)，在中外載人航天飛行史上都還是首次應(yīng)用，無論對慣性技術(shù)還是載人航天技術(shù)都具有重要意義。

光纖陀螺應(yīng)用在空間飛行器上具有許多先天的優(yōu)勢，但空間用光纖陀螺長壽命、高可靠的要求及輻照、熱真空等太空環(huán)境特點(diǎn)，仍要求從光路、電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到元器件方面開展多項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)和大量研制工作。

光纖陀螺是一種用于慣性導(dǎo)航的光纖傳感器。陀螺儀(gyroscope)意即“旋轉(zhuǎn)指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一種傳感器。光纖陀螺儀是廣義上的陀螺儀，是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無活動(dòng)部件——高速轉(zhuǎn)子，稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。

光纖陀螺的工作原理是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)。薩納克效應(yīng)是相對慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng)，即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光，以相反的方向進(jìn)行傳播，最后匯合到同一探測點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線，相對慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，則正、反方向傳播的光束走過的光程不同，就產(chǎn)生光程差，其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息，即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。