手控光纤惯组助力天宫神九成功交会对接

中国航天员驾驶神舟九号踏上与“天宫”的相约之旅，我国即将迎来首次手控交会对接任务。这一操作是由在地面进行了1500多次模拟训练的43岁航天员刘旺实施的。12时38分，他开始手动控制飞船的姿态、速度和方向，使神舟九号从140米外向天宫一号缓缓接近。12时48分，对接机构成功接触。12时55分，一个多小时前刚刚分开的神舟九号与天宫一号实现刚性连接，再次形成组合体，中国首次手控空间交会对接试验成功。

神舟九号航天员成功驾驶飞船与天宫一号目标飞行器对接，这标志着中国成为世界上第三个完整掌握空间交会对接技术的国家。

图 神九天宫手控对接

手控交会对接如何保证精准性

手控光纤惯组使手控对接尽在“掌握”

有人把手控交会对接比喻成航天员“太空打靶”。茫茫太空中，神舟九号与天宫一号相距140米处，神九中航天员根据屏幕上的十字刻度来对准目标，通过操作控制手柄来及时调整飞船位置。可是一旦出现偏差，怎么办?

这就要用到中国航天科技集团公司九院13所研制生产的手控光纤惯组。这个装置是安装在航天员座椅下的一个既小巧玲珑又十分精致的黑盒子，它可以稳定飞船位置和姿态，帮助航天员完成手控交会对接。

“手控光纤惯组的主要作用就是稳定飞船姿态，保证航天员可以将飞船稳定在预定的位置上，从而保证飞船平稳地沿着预定轨道进行交会对接。”13所副所长、时代光电公司总经理王巍介绍，只要飞船稍微偏离航天员设定的预定目标，光纤陀螺就可以检测出偏差值，进而通过控制系统的反馈，将飞船重新稳定在预定目标上。

手控光纤惯组的加速度计还可以测量飞船的加速度，通过积分计算出速度和位移，从而得到飞船与目标飞行器的相对距离，为航天员手动交会对接提供参考。

据了解，手控光纤惯组的研制以自主创新为立足点，通过一系列技术攻关和发明创新，取得了新型全固态光纤陀螺惯性技术在我国载人航天工程上成功应用的重大突破，实现了关键技术跨越5—10年、单项技术达到世界先进水平的跨越式发展。这也是世界上首次光纤惯导产品用于载人航天手控交会对接任务。

“手控光纤惯组的研制过程并不是一帆风顺。”王巍说，在初样阶段研制，总体单位要求陀螺重量比模样件减少25%。改动选型就意味着陀螺的技术指标发生变化，尤其是结构减轻重量，很有可能导致产品的力学特性劣化。经过慎重考虑，团队采用轻质结构材料，创新设计了结构方案，解决了减重问题。经过仿真模拟，不但重量达标，力学性能同时得到明显优化。而且经全面的测试数据表明，陀螺重量减轻26%，力学、热学性能均有明显优化，陀螺精度性能指标优异，成功实现了减重目标。

关于手控光纤惯组

手控光纤陀螺惯性测量系统，简称手控光纤惯组。2008年，神舟七号飞船上的手控光纤陀螺惯性测量系统，在中外载人航天飞行史上都还是首次应用，无论对惯性技术还是载人航天技术都具有重要意义。

光纤陀螺应用在空间飞行器上具有许多先天的优势，但空间用光纤陀螺长寿命、高可靠的要求及辐照、热真空等太空环境特点，仍要求从光路、电路、结构设计到元器件方面开展多项重点技术攻关和大量研制工作。

光纤陀螺是一种用于惯性导航的光纤传感器。陀螺仪(gyroscope)意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器。光纤陀螺仪是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件——高速转子，称为固态陀螺仪。这种新型全固态的陀螺仪将成为未来的主导产品，具有广泛的发展前途和应用前景。

光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克(Sagnac)效应。萨纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。