神舟13号发射成功，径向对接机械臂舱段转位有多重要？有多难？

　　2021年对于整个中国航天而言，是非常关键的一年，因为在2021年我国可以说终于完成了20年磨一剑，真正的在航天产业上具备了和美俄平起平坐的实力和地位。在这一年我国不仅发射了属于自己的空间站首个核心舱，并且已先后发射两艘货运飞船和两艘载人飞船与之对接，开启了中国载人航天中期大门长期在轨驻留。但是航天器在空间交会对接上和传统的对接方式有很大不同，除了飞船可以选择径向对接外，还有机械臂舱段转位两个新功能，那么从载人航天工程建设角度来说：径向对接、机械臂舱段转位到底有多重要？有多难？
　　一、首先说说径向交会对接，传统航天器空间对接时，基本上都是目标飞行器处于减速飞行状态，主动飞行器通过控制变轨和精准控制自身飞行姿态一步步接近目标飞行器，并最终与之交会对接，在整个过程中目标飞行器和主动飞行器在对接时，是属于飞行方向、速度、轨道参数基本一致的二维模式下对接的，像此前我国先后发射的神舟载人飞船和天宫一、二号目标飞行器多次对接就是这种你追我赶的对接模式。
　　但是对于天和号核心舱而言，其作为我国天宫空间站的首个核心舱段，除了要作为未来整个空间站的轨道参数保持和变轨的核心舱段外，后面还将对接包括两个实验舱来进一步扩展整个天宫空间站的长期在轨科研能力，同时前后设计都有的对接舱口也将作为包括载人飞船、货运飞船的等其他舱段的对接舱口，并且还承担了航天员出舱作业的活动舱口。所以在天和号核心舱的头部位置设计有一个多方位的节点舱，该节点舱左右两侧除了可以作为载人或者货运飞船的对接舱口外，在后期还将作为两个实验舱的长期对接舱口。
　　那么对于天和号核心舱前部的节点舱而言，最上面的舱口是航天员出舱作业的专属舱口，左右两侧又被实验舱占据，只剩下最下面和正前方两个舱口可用，正前方的舱口如果已被先前发射的航天器占据，那么只留有一个正下方的舱口可以对接载人、载货飞船。这个时候对于想要对接的其他新的载人飞船而言，在对接方式上就发生了很大改变，之前是目标飞行器和主动飞行器保持轨道方向、高度、速度相同的二维对接，但是现在却要求主动飞行器也就是载人、载货飞船要将飞船的姿态调转90度后，同时兼顾轨道参数、方向姿态和高度的缩减三维方向去实施对接，这个难度肯定要比之前的二维平面对接更为复杂，操纵难度也更大。
　　但是优势却是非常明显的，毕竟在现在航天发展中，这种多角度的对接方式除了能够大幅扩展航天器的空间组装建设外，更重要是能够大幅提升在紧急状况下的空间站救援能力，比如二维角度上的前后两个对接舱口出现故障时，其他方向的舱口依然可以成功对接，这就是优势。像美俄共同运营的国际空间站每年需要接纳七八次飞船对接任务，而这些对接任务中除了有水平面最简单的二维交会对接外，像俄罗斯的飞船基本上都是对接难度更大的三维径向对接。
　　二、再来说说舱段转位对接，虽然空间站交会对接有简单的你追我赶二维交会对接、也有更为复杂的三维径向对接，但是这两种对接模式不是任何航天器都可以使用的对接方式，比如径向对接不管是目标飞行器还是主动飞行器，只要一方航天器具备机动能力，另一方不具备机动变轨能力也能完成交会对接，所以在某些交会对接时，目标飞行器只需要保持轨道参数不变即可，剩下的交由主动飞行器去变轨等动作靠近后与之对接；但是三维径向交会对接就不一样了，其必须要求主动飞行器具备机动变轨能力，才能将自身的飞行姿态调整90度，完成径向对接。所以对于那些不具备自主机动变轨能力的航天器而言，因为自身不具备机动变轨和姿态调整的能力，所以要想和已在轨飞行的航天器对接，就要在火箭将其发射入轨后，将其作为目标飞行器，而将具备机动变轨能力的核心舱作为主动飞行器，转变身份去主动对接这些不具备自动变轨能力的航天器，让其先对接在正前方或者后方的舱口上。
　　如果让有动力的核心舱去对接无动力的其他航天器，就只能采用对接更为简单平面平面二维交会对接，但是这就存在一个问题就是，如果要对接的航天器原本就是要对接在这个舱口上的话就没啥问题，但是如果要对接到其他位置的舱口上，那么就要使用到机械臂辅助转位功能，就是用机械臂将已经对接在正前方舱口上的航天器抓取后，将其转移对接在需要对接的其他舱口上，这就是机械臂辅助转位对接。
　　可别小瞧这种依靠机械臂辅助的舱口转移，其不是简单地将航天器抓取后对接到新的舱口上，这里面涉及到包括机械臂的多节臂结构、多角度抓取、机械臂抓取力量、多轴关节的结构和抓取后的对接精度等多种要求，具有七自由度的活动能力，通过旋转结构，能在前后左右的任何角度和部位抓取物体，能真实模拟人手臂的灵活转动，将物体运送至空间站外部的任何位置。
　　那么在机械臂辅助转位对接时，就需要多轴机械臂将对接在正前方的无动力航天器抓取后，仅依靠机械臂的力量进行姿态调整后，并精准的对接在需要对接的其他舱口上，而且别忘了被抓取的航天器重量都比较大，基本都在几十吨以上，虽然没有重力影响，但是对于机械臂而言，其转臂的轴关节承载力量、转位控制精度仍然有很高的要求。
　　可想而知，光是从载人航天工程建设角度来说：径向对接、机械臂舱段转位到底有多重要？有多难？径向对接可以大幅扩展空间站的建设规模和增加应急处理机制，但是对主动飞行器自身的姿态控制提出了更高的要求，主推力发动机和矢量姿态控制发动机要共同工作来完成航天器姿态偏转和飞行轨迹精度控制，以三维控制模式完成径向交会对接；而机械臂舱段转移除了可以用于其他不具备自主动力的舱段转移到预定位置外，还可以用于航天员出舱时的空间转移和舱外设备安装的辅助作用，但是却对机械臂的承载力量、承载自由度和抓取控制精度提出了更高的要求。