天舟二号货运飞船与空间站组合体精准完成前向交会对接。新华社记者 郭中正摄
神舟十三号航天员通过手控遥操作方式控制货运飞船。新华社记者 郭中正摄
近日，中国空间站再传喜讯——1月8日，神舟十三号航天员乘组在地面科技人员的密切协同下，在核心舱内采取手控遥操作方式，圆满完成了天舟二号货运飞船与空间站组合体交会对接试验。通过浪漫的“太空之吻”试验，初步验证了空间站与来访飞行器手控遥操作系统的功能、性能以及天地间协同工作程序的合理性。
进入2022年，中国空间站建设步伐稳健。从空间站机械臂转位货运飞船试验，到天舟二号与空间站组合体交会对接试验，中国已经为空间站的正式建成做足了准备。
手控遥操作精准交会对接
手控遥操作是航天科技集团五院专门为无人来访飞行器配备的功能，是飞船GNC（制导、导航与控制）系统的一部分。在对接试验开始后，天舟二号货运飞船从空间站核心舱节点舱前向端口分离，航天员通过手控遥操作方式，控制货运飞船撤离至预定停泊点。短暂停泊后，转入平移靠拢段，控制货运飞船与空间站组合体精准完成前向交会对接。
去年5月和9月，天舟二号与天舟三号货运飞船分别完成了与天和核心舱和组合体的自主快速交会对接，为何还要进行手控遥操作方式？
据介绍，手控遥操作交会对接作为空间站与来访飞行器交会对接的重要模式，是无人来访飞行器自动交会对接的备份手段。此次试验，是首次由神舟十三号航天员在轨利用手控遥操作设备，控制货运飞船与空间站进行交会对接。试验过程中，航天员坐在空间站核心舱里通过远程的方式“驾驶”货运飞船与空间站进行对接。整个“驾驶”过程中，航天员的视角是从飞船“看向”空间站的，就如同航天员坐在货运飞船里“开飞船”一样。
中国空间站系统总指挥王翔说，当代自动控制精度足够高且稳定，但人控仍然作为一种冗余手段保留了下来，这是因为机器无法替代人在现场的临机处置能力。两个飞行器非常接近时若发生异常，地面干预的实时性比不上现场的航天员，并且航天员可以进行综合情况的判断和处置，更有利于保证安全。
确保“开货车”准确安全
此前，中国曾在神舟九号和神舟十号飞船上实施过两次手控交会。与载人飞船的手控交会对接相比，在货运飞船的手控遥操作中，航天员面对的仪表系统、操作的手柄等和此前在神舟飞船上实施的两次手控交会大同小异，最大程度减小了航天员的训练难度，减轻了操作和识别方面的负担。
与此同时，货运飞船的手控遥操作也有自己的难点和特点，比如操作上的响应速度和运动敏捷性有所不同——载人飞船的手控如同“开轿车”，货运飞船的手控遥操作则像“开货车”。
据介绍，货运飞船的手控遥操作需要把货运飞船上摄像机“看到”的图像传到空间站，空间站上的航天员也需要把指令传回给货运飞船，一来一去就造成了航天员反应和执行指令的延时。同时，货运飞船要比载人飞船重，平移加速度小，所以动作不敏捷。
为了让“开货车”的过程同样准确、安全，在方案设计阶段，研制人员针对货运飞船的特点进行综合考虑，结合中国现有的技术基础和未来的发展使用需求，通过创新设计，实现了长延时条件下的精确控制，并在航天员培训中进行了专门训练。
机械臂帮助飞行器“搬家”
就在不久前的1月6日，经过约47分钟的跨系统密切协同，中国空间站机械臂转位货运飞船试验取得圆满成功，这是中国首次利用空间站机械臂操作大型在轨飞行器进行转位试验。
专家介绍，在转位试验过程中，机械臂一端连接核心舱，一端连接天舟二号，就像“一个扁担挑着两个大象”，这对机械臂的负载来说是一个巨大的挑战。专家介绍，此前空间站机械臂已经协助航天员完成了4次出舱任务，但航天员加上航天服的负载只有300公斤左右，而在转位试验时，机械臂的负载达到近9吨。
为此，科研人员对转位试验进行了巧妙的设计——首先，机械臂提前两天爬行到位于节点舱附近的停泊口，为转位试验做准备。之后，通过捕获的方式抓住天舟二号。试验开始后，天舟二号货运飞船与天和核心舱解锁分离后，在机械臂拖动下以核心舱节点舱球心为圆心进行平面转位；尔后反向操作，直至货运飞船与核心舱重新对接并完成锁紧。
利用机械臂捕获天舟二号货运飞船并进行转位试验，是神舟十三号乘组的重要试验任务之一。转位试验的目的是什么？专家介绍，今年中国还将发射两个实验舱，在空间站建造过程中，两个实验舱将先后对接到空间站的前向对接口。当实验舱II抵达时，原本在前向对接口的实验舱I需要让出位置，这便需要在机械臂的帮助下“搬家”。
为之后发射的两个实验舱实施舱段转位做好准备——这正是此次试验的目的。通过试验，初步检验了利用机械臂操作空间站舱段转位的可行性和有效性，验证了空间站舱段转位技术和机械臂大负载操控技术，为后续空间站在轨组装建造积累了经验。
今年正式建成空间站
完成两项重大任务之后，天舟二号已基本完成了在空间站的使命。据专家介绍，天舟二号将携带各类废弃物资与天和核心舱分离，并择机受控再入地球大气层烧毁，这也是空间站建设的关键技术之一。
天舟二号“毕业”后，中国空间站将很快“热闹”起来。2022年，中国载人航天工程转入空间站建造阶段，根据计划将完成6次重大任务——发射天舟四号货运飞船，运送补给物资；实施神舟十四号载人飞行任务；神舟十四号乘组在轨驻留期间，将先后发射问天实验舱和梦天实验舱，与天和核心舱对接，问天和梦天实验舱均作为支持大规模舱内外空间科学实验和技术试验载荷支持舱段，同时问天实验舱还作为组合体控制和管理备份舱段，具备出舱活动能力，梦天实验舱具备载荷自动进出舱能力；随后实施天舟五号货运补给和神舟十五号载人飞行任务，神舟十五号乘组将与神舟十四号乘组开展在轨轮换。
届时，中国将正式建成空间站。对空间站状态进行全面评估后，将转入空间站应用与发展阶段，具备长期连续载人驻留能力。
