2022年9月30日，中國空間站問天實驗艙從天和核心艙軸向對接口分離，轉位90度至天和核心艙側向停泊口，兩艙組合體由“一”字構型變為“L”字構型，空間站組合體穩定飛行。此舉標誌着問天實驗艙轉位任務取得圓滿成功，中國空間站建造階段第一波次任務圓滿收官。
由天和全景攝像機拍攝的轉位動作 圖源：中國載人航天工程辦公室
本次轉位任務由航天科技集團五院抓總負責。為確保任務順利實施，研製團隊從系統工程思想中汲取營養，從頂層規劃到組織實施開展了大量設計驗證工作。
“頭腦風暴”出轉位方案
空間站艙段轉位技術是中國空間站建造必須突破的關鍵技術之一。這個動作看似簡單，實則是空間站任務和研製團隊面臨的一次“大考”，是融合了前向撤離、艙段轉位、側向對接等高難度動作的“組合拳”。
據航天科技集團五院空間站問天實驗艙副主任設計師羅超介紹，艙段轉位時，由百餘公斤的轉位機構驅動20餘噸的實驗艙進行大範圍轉移，就如同“用一根扁擔挑起兩頭大象”，屬於動力學特性最脆弱的狀態，任何兩端輕微的振動都可能產生嚴重的後果。“為確保結構安全，必須暫時關閉組合體姿態主動控制，讓空間站在自由漂浮狀態下完成艙段轉位。”羅超強調。
可是，讓空間站組合體這樣一個幾十噸的龐然大物在太空中處於被動穩定狀態，談何容易！“要不借鑒鐘擺原理，先把組合體立起來試試看，再讓組合體轉個身向後轉位——這樣一來，組合體就能靠重力作用，像鐘擺一樣穩定對地軸，使得問天實驗艙上兩個大型太陽翼像羽毛球那樣穩定偏航軸，從而形成三軸被動穩定的飛行狀態……”在研製團隊的“頭腦風暴”中，本次轉位中發揮關鍵作用的被動穩定轉位方案被逐漸明確下來。
多重模擬做好地面驗證
得益於平面轉位方式的選擇，研製團隊可以在地面使用氣浮台進行大量轉位試驗，從而充分驗證轉位路徑。地面“電性空間站”進行全流程模擬試驗時，雲端“數字空間站”利用多學科仿真模型，在飛行程序驅動下開展轉位過程中的姿態預示、中繼測控鏈路遮擋和能量平衡等多學科聯合仿真，充分驗證了轉位實施方案的可行性和轉位過程中姿態、能源、測控通信等多專業的匹配度。
轉位仿真圖 圖源：中國載人航天工程辦公室
2022年1月6日，工程總體組織實施了機械臂輔助貨運飛船轉位試驗。作為此次轉位前的一次正式預演，問天實驗艙先後完成機械臂捕獲天舟二號、對接機構分離、天舟二號轉位、兩艙再次對接等一系列預定動作，為問天實驗艙轉位任務的成功實施奠定了堅實基礎。
各分系統高效配合完成任務
本次轉位任務的成功，離不開空間站各分系統間的大力協同配合。“在轉位過程中，空間站機械臂分系統始終作為轉位機構的備份手段，保障平台安全；制導、導航與控制（GNC）分系統始終精準控制，確保組合體以最高穩定度進入停控狀態；測控與通信分系統在天地間搭建起暢通的通信鏈路，傳輸高清圖像，使得整個轉位過程100%受控；數管分系統則發揮‘智能大腦’作用，處置一系列複雜指令，確保全程零差錯……”羅超表示，由於各分系統的高效配合，此次任務僅用大約一個小時就圓滿完成，進一步確保了空間站組合體的安全。
可想而知，短短一個小時，凝結了空間站研製團隊多少心血！
按照計劃，空間站兩艙“L”字構型組合體持續飛行1個月後，將再迎來夢天實驗艙轉位組成三艙“T”字構型組合體，朝着全面建成中國空間站再進一步——讓我們拭目以待！