細(xì)說(shuō)人類(lèi)載人航天的“快速交會(huì)對(duì)接”史

+ 張雪松

細(xì)說(shuō)人類(lèi)載人航天的“快速交會(huì)對(duì)接”史

+ 張雪松

9月12日23時(shí)58分，是一個(gè)振奮人心的時(shí)刻，中國(guó)的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船順利完成了與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。這是中國(guó)載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室飛行任務(wù)圓滿成功后組織實(shí)施的系列拓展試驗(yàn)項(xiàng)目之一，旨在驗(yàn)證貨運(yùn)飛船的快速交會(huì)對(duì)接能力，進(jìn)一步發(fā)揮任務(wù)的綜合效益，為中國(guó)空間站工程后續(xù)研制建設(shè)奠定更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

本次“天舟一號(hào)”與“天宮二號(hào)”從對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸，到完成對(duì)接試驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)約6.5小時(shí)。后續(xù)“天舟一號(hào)”還將視情開(kāi)展第三次、也是離軌前最后一次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)。

而9月13日在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的俄羅斯聯(lián)盟FG型運(yùn)載火箭，將聯(lián)盟MS06載人飛船送入太空，發(fā)射后約6小時(shí)，這艘飛船采用快速對(duì)接模式于同國(guó)際空間站對(duì)接，順利將航天員送入空間站。

24小時(shí)內(nèi)兩次快速對(duì)接，就讓我們趁熱打鐵，來(lái)聊聊飛船的自主快速交會(huì)對(duì)接的那些事……

快速對(duì)接歷史長(zhǎng)

快速交會(huì)對(duì)接之前只有俄羅斯的進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船和聯(lián)盟號(hào)載人飛船使用，美國(guó)、歐空局和日本的貨運(yùn)飛船，以及我國(guó)的神舟載人飛船的交會(huì)時(shí)間都較長(zhǎng)。不過(guò)快速交會(huì)對(duì)接并非21世紀(jì)出現(xiàn)的新生事物，在美蘇航天競(jìng)賽的火熱年代里，快速交會(huì)對(duì)接曾屢見(jiàn)不鮮。

1966年9月12日，美國(guó)雙子星-11號(hào)飛船發(fā)射后僅用94分鐘就和阿金納上面級(jí)進(jìn)行了對(duì)接，這一載人快速交會(huì)對(duì)接的時(shí)間記錄保持至今。前蘇聯(lián)1968年10月26日的聯(lián)盟-3號(hào)載人飛船飛行第一圈就和聯(lián)盟-2號(hào)無(wú)人飛船自動(dòng)交會(huì)到200米距離上，遺憾的是手動(dòng)對(duì)接連續(xù)失敗，沒(méi)能打破美國(guó)載人飛船的快速交會(huì)對(duì)接記錄，不過(guò)要說(shuō)交會(huì)的話，聯(lián)盟-3號(hào)其實(shí)已經(jīng)創(chuàng)造了新紀(jì)錄。

雙子星11飛船UTC14時(shí)42分發(fā)射，16時(shí)16分對(duì)接成功，用時(shí)僅為94分鐘

蘇聯(lián)在禮炮空間站階段，載人飛船從發(fā)射到對(duì)接的時(shí)間一般都在12-15小時(shí)左右

無(wú)人飛船的快速交會(huì)對(duì)接記錄，則是前蘇聯(lián)人創(chuàng)造的，1968年4月15日宇宙-213和前一天發(fā)射的宇宙-212飛船進(jìn)行快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，宇宙-213飛船在發(fā)射后46分鐘就實(shí)現(xiàn)了對(duì)接。

前蘇聯(lián)人雖然輸?shù)糨d人登月競(jìng)賽，但載人空間站發(fā)展上獨(dú)樹(shù)一幟。鮮為人知的是，從禮炮一號(hào)空間站任務(wù)開(kāi)始，前蘇聯(lián)基本都使用快速交會(huì)對(duì)接模式，其中除了聯(lián)盟-31和聯(lián)盟T-13號(hào)這兩次交會(huì)對(duì)接時(shí)間大約50小時(shí)外，其他任務(wù)基本是發(fā)射后12到15小時(shí)就完成對(duì)接，按現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)也都算得上快速對(duì)接了。

天空實(shí)驗(yàn)室-3任務(wù)中，阿波羅飛船對(duì)接天空實(shí)驗(yàn)室用時(shí)8個(gè)半小時(shí)，時(shí)間和現(xiàn)在的快速對(duì)接任務(wù)相似

美國(guó)在空間站任務(wù)中也使用了快速對(duì)接飛行模式，而且和現(xiàn)在俄國(guó)使用的快速交會(huì)對(duì)接更接近，天空實(shí)驗(yàn)室-3和天空實(shí)驗(yàn)室-4號(hào)兩次任務(wù)中，阿波羅飛船分別在發(fā)射后約8小時(shí)26分和約7小時(shí)54分和天空實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)接，即使是第一次任務(wù)天空實(shí)驗(yàn)室-2，阿波羅飛船發(fā)射到對(duì)接天空實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間約20小時(shí)56分，仍然相對(duì)較短。

不夸張的說(shuō)，載人航天初期快速對(duì)接才是常態(tài)，慢騰騰的花費(fèi)兩天時(shí)間才對(duì)接，反而是比較罕見(jiàn)的事情。

快速交會(huì)對(duì)接的低谷

快速交會(huì)對(duì)接模式在載人航天發(fā)展初期曾風(fēng)行一時(shí)，但不久后卻偃旗息鼓。從和平號(hào)空間站任務(wù)開(kāi)始，前蘇聯(lián)使用“慢速”交會(huì)對(duì)接模式，從發(fā)射到對(duì)接需要約50小時(shí)，而美國(guó)航天飛機(jī)任務(wù)以及其后的貨運(yùn)飛船同樣是慢速交會(huì)對(duì)接，中國(guó)的神舟載人飛船也不免俗。到底發(fā)生了什么事情，讓快速交會(huì)對(duì)接退出航天舞臺(tái)呢？

首先要考慮的是這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度?？焖俳粫?huì)對(duì)接的任務(wù)時(shí)間短，尤其是現(xiàn)在俄羅斯的快速交會(huì)對(duì)接一般只進(jìn)行4圈飛行就完成，這對(duì)運(yùn)載火箭和飛船的入軌和控制精度要求更高，一旦控制失誤出現(xiàn)較大的軌道偏差，需要消耗更多的推進(jìn)劑來(lái)彌補(bǔ)；

另外，快速交會(huì)對(duì)接意味著飛船和空間站的相位角小得多，這對(duì)發(fā)射窗口帶來(lái)了更多的限制，提高了軌道調(diào)整和交會(huì)策略的設(shè)計(jì)難度；快速交會(huì)對(duì)接不僅要求飛船可靠性高，還需要測(cè)控具備快速定軌能力，保證軌道調(diào)整的速度和精度。簡(jiǎn)而言之，就是快速交會(huì)對(duì)接要求比兩天時(shí)間的慢速交會(huì)對(duì)接高多了，如果沒(méi)有足夠迫切的需求，何必舍易就難呢？

雖然技術(shù)上難度高一些，但是載人航天初期就能實(shí)現(xiàn)并且長(zhǎng)期應(yīng)用的快速交會(huì)對(duì)接模式，又怎么會(huì)高不可攀呢？快速交會(huì)對(duì)接曾經(jīng)偃旗息鼓，更重要的原因恰恰是當(dāng)時(shí)環(huán)境下認(rèn)為弊大于利。運(yùn)動(dòng)病最嚴(yán)重的時(shí)候恰恰是發(fā)射后8-12小時(shí)。

飛船和空間站的交會(huì)對(duì)接如果需要手動(dòng)控制或是以手動(dòng)作為備份，那么發(fā)射兩天后對(duì)接是更合適的選擇，這時(shí)航天員運(yùn)動(dòng)病消退，不會(huì)影響手動(dòng)交會(huì)對(duì)接的準(zhǔn)確度，如果采用全自動(dòng)交會(huì)對(duì)接模式并對(duì)自動(dòng)設(shè)備有信心，那么快速交會(huì)對(duì)接更好一些。

前蘇聯(lián)在和平號(hào)空間站后也改用兩天的慢速交會(huì)對(duì)接模式，直到2012年8月1日進(jìn)步M-16M飛船任務(wù)，才首次重新測(cè)試快速交會(huì)對(duì)接模式。

蘇聯(lián)航天員格爾曼·季托夫是第二個(gè)上太空的人，他身上最早出現(xiàn)航天運(yùn)動(dòng)病的癥狀，這一適應(yīng)性病癥也是選擇慢速對(duì)接的重要原因

聯(lián)盟號(hào)飛船內(nèi)部空間太小，2天的慢速對(duì)接對(duì)專(zhuān)業(yè)航天員都是一種煎熬，何況太空游客呢

說(shuō)到這里我們不得不提一下著名的航天運(yùn)動(dòng)病，這是快速對(duì)接最大的攔路虎。航天員進(jìn)入太空處于失重環(huán)境后，約1/3的比例的人會(huì)出現(xiàn)航天運(yùn)動(dòng)病，表現(xiàn)在航天員出現(xiàn)惡心嘔吐和出冷汗等身體不適的癥狀，有的也會(huì)出現(xiàn)頭暈以及感覺(jué)錯(cuò)位等錯(cuò)覺(jué)。航天運(yùn)動(dòng)病快的發(fā)射后一個(gè)小時(shí)內(nèi)就發(fā)病，癥狀消退一般在30-48小時(shí)后，徹底適應(yīng)一般要5-7天，

快速交會(huì)對(duì)接的復(fù)興

發(fā)射兩天后對(duì)接的慢速交會(huì)對(duì)接模式，降低了對(duì)地面測(cè)控速度以及飛船控制精度的要求，盡量減輕了航天運(yùn)動(dòng)病帶來(lái)的消極影響，不過(guò)慢速對(duì)接遠(yuǎn)不是完美的選擇。

以聯(lián)盟號(hào)載人飛船為例，返回艙自由活動(dòng)空間只有0.5立方米，航天員在這樣狹小的船艙內(nèi)生活約50個(gè)小時(shí)，舒適性實(shí)在太差了，即使各國(guó)載人航天任務(wù)是政府出錢(qián)官方選拔，航天員大半來(lái)自軍隊(duì)尤其是飛行員，航天員仍然對(duì)此苦不堪言。航天軌道旅游出現(xiàn)后，讓那些出資幾千萬(wàn)美元上天的富翁們?cè)讵M小的空間內(nèi)蝸居，更是有些強(qiáng)人所難。

隨著航天測(cè)控能力和自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)可靠性的提高，快速交會(huì)對(duì)接在技術(shù)的難度已經(jīng)大大降低了，而新的需求又出現(xiàn)了，于是快速交會(huì)對(duì)接模式重回航天舞臺(tái)。

快速對(duì)接方式飛船一般4圈/6.5小時(shí)即可對(duì)接到目標(biāo)飛行器

俄羅斯先使用進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)行了快速交會(huì)對(duì)接的飛行試驗(yàn)，隨后使用聯(lián)盟號(hào)載人飛船進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)在快速交會(huì)對(duì)接已經(jīng)成為聯(lián)盟號(hào)飛船的首選飛行模式，俄羅斯的快速交會(huì)對(duì)接一般是4圈/6.5小時(shí)飛行時(shí)間。

快速交會(huì)對(duì)接好處不少，從體驗(yàn)上說(shuō)最主要的是縮短了航天員在狹小的船艙內(nèi)的等待時(shí)間，相比約50小時(shí)的漫長(zhǎng)等待，6個(gè)多小時(shí)的時(shí)間就要輕松多了，航天員早點(diǎn)進(jìn)入更寬敞舒適的空間站艙段，對(duì)于緩解航天運(yùn)動(dòng)病的影響也是有好處的。

快速交會(huì)對(duì)接還有利于保證航天員生命安全，載人飛船在太空中獨(dú)立飛行時(shí)間越長(zhǎng)，越可能遇到各種不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是軌道上的空間碎片。發(fā)射到對(duì)接的時(shí)間縮短到6個(gè)多小時(shí)，發(fā)生意外的可能性就降低了，相當(dāng)于提高了安全系數(shù)。

快速交會(huì)對(duì)接還有一個(gè)好處，由于飛行變軌次數(shù)少而精確，快速交會(huì)模式下飛船消耗的推進(jìn)劑更少，據(jù)說(shuō)聯(lián)盟號(hào)飛船使用快速交會(huì)對(duì)接模式后節(jié)省了約25千克的推進(jìn)劑，這相當(dāng)于增強(qiáng)了飛船機(jī)動(dòng)能力和變軌的余量。

最后，載人和貨運(yùn)飛船的快速交會(huì)對(duì)接模式還有一個(gè)立竿見(jiàn)影的好處，由于獨(dú)立飛行的時(shí)間縮短了，可以把時(shí)間敏感性的載荷和物資及時(shí)運(yùn)送到空間站上，這對(duì)上行運(yùn)輸保存時(shí)間短的生物材料是十分重要的。

天舟的快速交會(huì)對(duì)接

天舟一號(hào)作為我國(guó)第一艘貨運(yùn)飛船，最主要的任務(wù)是完成推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加驗(yàn)證。天舟一號(hào)飛船于今年4月20日晚發(fā)射入軌，順利執(zhí)行了交會(huì)對(duì)接、推進(jìn)劑在軌加注、繞飛對(duì)接等任務(wù)。6月21日天舟一號(hào)與天宮二號(hào)分離，目前獨(dú)立飛行于高度約390公里的近圓軌道上，繼續(xù)開(kāi)展空間應(yīng)用和航天技術(shù)等領(lǐng)域的多項(xiàng)實(shí)（試）驗(yàn)。

快速交會(huì)對(duì)接過(guò)程中最主要的難度是天舟一號(hào)飛船要快速變軌在4圈飛行中飛近天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室。

試驗(yàn)開(kāi)始前，地面科技人員對(duì)“天舟一號(hào)”先后實(shí)施了4次軌道控制，保證“天舟一號(hào)”與“天宮二號(hào)”快速交會(huì)試驗(yàn)的初始軌道條件，完成了相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)備。

9月12日17時(shí)24分，地面判發(fā)指令，控制“天舟一號(hào)”轉(zhuǎn)入自主快速交會(huì)對(duì)接模式，分遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引和近距離自主控制兩個(gè)階段實(shí)施。在遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引段，“天舟一號(hào)”自主導(dǎo)引至遠(yuǎn)距離導(dǎo)引終點(diǎn)；在近距離自主控制段，“天舟一號(hào)”在“天宮二號(hào)”的配合下，利用交會(huì)對(duì)接相關(guān)導(dǎo)航設(shè)備，完成與“天宮二號(hào)”交會(huì)。