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在距离地球400公里的轨道上，重达百吨的空间站以每秒7.8公里的速度飞驰。当飞船以毫米级精度与空间站对接，当实验舱段完成太空转体，这场无声的“机械芭蕾”背后，是凝聚中国人智慧的空间站对接与转位机构技术。这项由中国航天科技集团有限公司上海航天技术研究院研制的成果，荣获2024年度上海技术发明奖特等奖。
# I s) u7 m* N( |" a1 {/ B3 \交会对接，是载人航天工程中难度最大的技术环节之一。没有它，空间站的建设和运营就无从谈起。20世纪90年代初，全球只有俄罗斯和美国掌握对接技术。/ g$ Z: M, {- N' j4 B
1995年初，上海航天技术研究院组建对接机构研制队伍时，面临国外严密的技术封锁，研发工作几乎是从零起步。1996年，刚从哈工大毕业的张崇峰博士加入团队，接过了这一极具挑战的任务。他带领团队四处搜寻资料，在此基础上深入研究，提出了“异体同构周边式对接机构”方案。这种对接机构适应性、承载能力强，且人货通行方便，成为我国空间站对接的最终方案。5 a% X, s }1 D0 w z$ \" t7 z
为了把方案图纸变成实物，张崇峰团队要在地面模拟航天器在太空环境中的对接过程。他们想搭建气浮平台，用来创造对接过程的有效初始条件。整个平台的平面高低起伏不能超过0.003毫米，也就是1/20根头发丝的直径。查询资料后，他们发现只有泰山花岗岩能满足这一要求。于是，设计师赴泰山石矿区考察了一个多月，开采到两块70多吨重的大石头，随后将其加工成两个20吨重的精细平台。
" ~* c3 V y U在精细平台上，手指轻轻一触，两个8吨重的飞船模型就会移动，而且可根据实验需要设置各种初始对接条件。国外专家参观后，赞叹道：“这是当今世界上水平最高的对接机构地面试验设备。”" ^+ Z% W% n1 _% i. f0 s) y9 S
2011年11月3日，神舟八号与天宫一号首次“太空之吻”取得成功，标志着我国成为世界上第三个独立掌握交会对接技术的国家，并达到世界领先水平。16年的艰辛付出，张崇峰团队向我国载人航天事业交出了一份完美答卷。6 v; s# L$ d- B* ?2 @6 L
完成最大吨位航天器交会对接
1 Z- P( F4 E. l, W& M, w0 S很快，这个团队又投身货运飞船对接机构的研制工作。神舟八号和天宫都是8吨级航天器，但对空间站来说，还属于“轻量级”。货运飞船配置的第二代对接机构必须适应8～180吨各种吨位、各种方式的对接，包括会产生巨大对接能量的偏心对接，这对机构的缓冲耗能能力提出很高要求。- Z% g3 X, U: G4 ~% H, a
为此，张崇峰团队提出了可控阻尼的控制思路，以增强对接机构吸收能量的能力，使大吨位航天器对接更平稳。循着这一思路，他们攻克了可控阻尼器关键技术，2015年完成天舟一号正样产品研制。2017年4月22日，天舟一号与天宫二号首次交会对接成功，第二代对接机构表现完美。
6 h/ Y% K6 d6 U$ `如今，上海航天技术研究院研制的对接机构已圆满完成36次交会对接任务，并展现出一系列新技能：2021年6月17日，神舟十二号载人飞船首次实施快速交会对接；2022年6月5日，神舟十三号载人飞船完成首次径向对接；2022年7月24日，问天实验舱与空间站组合体成功对接，成为我国目前最大吨位航天器之间的交会对接。2 @* f+ k9 k5 N% y
转位机构助“天宫”组成T字形: x) t. C2 s$ ?# j
与对接机构一样，转位机构也是空间站建造的关键装置。它能使实验舱从一个对接口转移到节点舱的另一个对接口，完成空间站组装建造。/ @( i1 n9 Y6 q
“如果实验舱直接与空间站组合体进行侧向对接，会因为质心偏差对空间站姿态造成较大影响，甚至有滚转失控的风险。”张崇峰说。如何消除这一风险？他带领团队经过多轮头脑风暴，提出了国际首创的平面转位方案。与俄罗斯“和平号”空间站采用的翻转式组装方案相比，平面转位方案的设计难度更大，地面试验任务更复杂，但对空间站组合体的扰动较小，更易于完成空间站的姿态控制。
: @" M5 h4 h3 g为确保整个转位过程平稳，他们采用“缓起”方案，让转位机构在两分钟内以肉眼难以察觉的启动加速度实现舱体的缓慢起动，并逐渐提高至全速转动。在到达侧向停泊点并进行制动的过程中，为避免电机断电可能带来的舱段“急刹车”，转臂机构装有缓冲耗能装置，这既降低了驱动装置受到的冲击力，又能在3分钟内快速消耗舱体转位带来的动能，使实验舱能准确地停在预定的侧向对接位置。
8 t& |: x/ D$ H' y4 [2022年9月30日和11月3日，问天实验舱、梦天实验舱相继完成转位，对接与转位机构启得柔、转得稳、停得准、对得顺，与地面试验时间精准吻合。三舱“相拥”于太空，我国空间站T字基本构型组装完成。0 n+ L( b, T5 o" N, r- t6 e7 Y/ }
十余年的研制工作，历经方案设计、初样、正样、总装、测试、发射等各个环节，张崇峰团队是空间站建造的见证者，更是亲历者。如今，中国空间站已经进入应用和发展阶段，飞船天地往返实施常态化发射。每一次精准对接和可靠分离，都离不开这个团队在地面的精心准备和实施。他们用日复一日的坚守攻克技术难关，以代代相传的使命诠释航天精神，让中国“天宫”遨游于太空。 |
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