新記錄：3小時(shí)40分超快速對(duì)接

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北京時(shí)間7月10日5時(shí)51分，俄羅斯使用聯(lián)盟2-1a型運(yùn)載火箭在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射進(jìn)步MS-09飛船。飛船在繞地球運(yùn)行兩圈后，于起飛3小時(shí)40分成功對(duì)接到國(guó)際空間站俄羅斯碼頭號(hào)對(duì)接艙上。船上載有約2.5噸食品、燃料和其它補(bǔ)給物資。這一新的超快速對(duì)接模式比此前射后約6小時(shí)、繞地4圈的快速對(duì)接模式縮短近一半時(shí)間，創(chuàng)造了國(guó)際空間站與造訪飛行器交會(huì)對(duì)接時(shí)間最短紀(jì)錄。

此外，進(jìn)步MS-09飛船上還載有兩顆科研和教學(xué)用的單體立方星，稱為“天狼星衛(wèi)星”（SiriusSat）1和2，每顆重1.3千克。它們由小學(xué)生在專家指導(dǎo)下組裝，由俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)幫助安排免費(fèi)發(fā)射，將由航天員在出艙時(shí)投放。星上載有空間天氣研究用的空間粒子探測(cè)器。

飛船除去把補(bǔ)給送上站，還擔(dān)負(fù)著測(cè)試“兩圈快速對(duì)接技術(shù)”，為該技術(shù)未來在載人飛船上應(yīng)用“探路”的重要任務(wù)。

本次是俄羅斯第三次測(cè)試該技術(shù)，前兩次分別是在2017年10月和2018年2月發(fā)射的進(jìn)步MS-07飛船和進(jìn)步MS-08飛船，但兩次測(cè)試都在倒計(jì)時(shí)進(jìn)行到最后時(shí)突然中止。據(jù)俄航天國(guó)家公司聲明，發(fā)射中止的原因均為火箭計(jì)算機(jī)在點(diǎn)火前返回了錯(cuò)誤的信號(hào)。兩艘飛船盡管隨后都成功發(fā)射，但由于錯(cuò)失發(fā)射窗口，不得不采用傳統(tǒng)對(duì)接方式，這也使得“兩圈快速對(duì)接技術(shù)”的測(cè)試和其在載人飛船上的應(yīng)用一再推遲。

▲進(jìn)步MS-09飛船點(diǎn)火升空

從“慢速對(duì)接”到“快速對(duì)接”

快速對(duì)接存在的主要技術(shù)難點(diǎn)，在于其對(duì)入軌精度和發(fā)射窗口的要求都很高。傳統(tǒng)的“2天對(duì)接”在對(duì)接前飛船會(huì)在低軌道運(yùn)行34圈，利用飛船軌道與空間站軌道之間的周期不同，可以很方便地修正雙方相位差，最終實(shí)現(xiàn)軌道交會(huì)。但快速對(duì)接則僅在低軌道運(yùn)行2～4圈，相位修正范圍非常小，這就導(dǎo)致對(duì)相位偏差的限制從傳統(tǒng)對(duì)接的150°大幅度提高到30°甚至更小，發(fā)射窗口也縮減到以分鐘計(jì)算，這就對(duì)包括發(fā)射場(chǎng)、運(yùn)載火箭、飛船、測(cè)控系統(tǒng)等在內(nèi)的整個(gè)任務(wù)體系提出了更高的要求。

為此，俄羅斯對(duì)交會(huì)對(duì)接流程進(jìn)行了大幅度改進(jìn)。傳統(tǒng)交會(huì)對(duì)接需要在發(fā)射入軌后通過測(cè)控獲取飛船軌道信息，隨后進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，以進(jìn)行軌道交會(huì)，而新的對(duì)接流程則在入軌后根據(jù)預(yù)計(jì)的軌道參數(shù)直接進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，隨后再使用測(cè)控獲得的參數(shù)進(jìn)行修正。很明顯，只有在火箭的入軌精度足夠高時(shí)，才能保證這種操作流程的有效性和安全性，一旦軌道機(jī)動(dòng)出現(xiàn)問題，交會(huì)對(duì)接程序?qū)⒆詣?dòng)轉(zhuǎn)回傳統(tǒng)的慢速對(duì)接模式。例如，2014年發(fā)射的聯(lián)盟TMA-12飛船由于軟件故障，偏差超過了快速對(duì)接的修正范圍，轉(zhuǎn)為2天慢速對(duì)接，成功對(duì)接國(guó)際空間站。

俄羅斯軌道動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)“兩圈快速對(duì)接”，開發(fā)了一種新的交會(huì)方法，即準(zhǔn)共面插入法。該方法能將飛船以優(yōu)化的相位角發(fā)射到軌道上的同時(shí)，保持軌道平面偏差在可控范圍內(nèi)。這就減小了對(duì)發(fā)射窗口的要求，使得“兩圈快速對(duì)接”在技術(shù)上難度下降。另一個(gè)重要改進(jìn)是改變軌道初始傾角，以減小空間站和飛船軌道夾角，從而減少飛船變軌消耗的推進(jìn)劑。否則若采用傳統(tǒng)軌道進(jìn)行“兩圈快速對(duì)接”，推進(jìn)劑消耗會(huì)大幅上升，甚至遠(yuǎn)超“慢速對(duì)接”。

此外，“兩圈快速對(duì)接”還利用了新一代“聯(lián)盟號(hào)”和“進(jìn)步號(hào)”的衛(wèi)星定位能力，以提升飛船的導(dǎo)航精度，飛船本身的控制和導(dǎo)航系統(tǒng)也進(jìn)行了升級(jí)，使得飛船在與空間站交會(huì)對(duì)接時(shí)能夠進(jìn)行更大程度的機(jī)動(dòng)，這也略微降低了對(duì)交會(huì)精度的要求。

▲聯(lián)盟號(hào)火箭抵達(dá)拜科努爾發(fā)射場(chǎng)

▲飛船已經(jīng)與適配器組裝，等待裝入整流罩

▲進(jìn)步MS-09貨運(yùn)飛船完成了燃料和壓縮氣體的加油作業(yè)

快速對(duì)接好處多

快速對(duì)接技術(shù)對(duì)于載人航天有著重要意義，由于現(xiàn)役載人飛船內(nèi)部空間均較小，且航天員需要穿戴航天服以保障自身安全，導(dǎo)致載人飛船內(nèi)的飛行舒適度較差，長(zhǎng)時(shí)間飛行會(huì)對(duì)航天員狀態(tài)造成負(fù)面影響。

隨著新一代“聯(lián)盟”2系列運(yùn)載火箭服役，俄飛船入軌精度進(jìn)一步提升。因此，俄開始研究對(duì)接耗時(shí)更短的“兩圈快速對(duì)接技術(shù)”，耗時(shí)進(jìn)一步減少到約3小時(shí)40分，由于對(duì)接時(shí)間更短，飛船所消耗的姿控推進(jìn)劑數(shù)量也有較大幅度下降。目前采用的“6小時(shí)快速對(duì)接”可較傳統(tǒng)的“2天對(duì)接”節(jié)約姿控推進(jìn)劑20千克，而“兩圈快速對(duì)接”從發(fā)射到對(duì)接耗時(shí)僅3小時(shí)40分，可進(jìn)一步節(jié)約姿控推進(jìn)劑和生命保障物資。對(duì)于貨運(yùn)飛船，快速對(duì)接也有一定的積極意義。例如，由于對(duì)接耗時(shí)減少，蓄電池和太陽(yáng)能電池板、姿控推進(jìn)劑等均可進(jìn)行一定程度的削減，可提高貨物上行載荷量。

在本次無人測(cè)試后，俄羅斯計(jì)劃在下一艘“進(jìn)步”飛船上再次進(jìn)行“兩圈快速對(duì)接”測(cè)試，以保證技術(shù)成熟可靠，隨后在“聯(lián)盟”載人飛船上應(yīng)用該技術(shù)，縮短對(duì)接時(shí)間。