老樹開新花的快速對接技術

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▲進步MS-09飛船

今年7月10日俄羅斯發射了進步MS-09號貨運飛船，進步號飛船成功進行了一次快速交會對接，耗時3小時40分，又一次刷新了時間記錄。然而如果我們的目光從2012年進步M-16M號飛船的首次快速交會對接試驗向前看，就會赫然發現快速對接技術并不是新鮮事物，它屬于典型的老樹開新花。

源遠流長的快速對接

2012年8月1日俄羅斯進步號貨運飛船首次進行快速交會對接試驗，此后又有兩艘進步號貨運飛船快速對接成功后，俄羅斯才開始試驗聯盟號載人飛船的快速交會對接，到現在快速對接已經輕車熟路。航天迷們或許會問：快速對接明明是21世紀的新鮮事物啊，你怎么說老樹開新花呢？其實我們視線放遠一些，冷戰時期美蘇對快速對接都并不陌生。

蘇聯早在20世紀60年代就進行了大量快速交會對接的嘗試，現在的3小時40分鐘和那時相比還真不算什么。1968年4月15日蘇聯發射宇宙213號（無人版聯盟號）飛船，僅僅46分鐘后就和前一天發射的宇宙-212號飛船自動對接成功！無人版飛船不怕死人，這個46分鐘的快速交會對接記錄無人打破，但載人飛船的快速對接時間記錄也比現在的快速對接時間記錄短得多。1966年9月12日美國的雙子座11號飛船發射后，僅僅過了94分鐘就和阿金納上面級對接成功。

蘇聯曾試圖沖擊美國雙子座11號的快速對接時間記錄，不過聯盟3號對接聯盟2號飛船失敗，聯盟4號和5號首次載人飛船對接成功，但用了一天多的時間，而且后來又出現對接失敗。蘇聯載人航天對接技術成熟，已經是禮炮號空間站的時代了。聯盟號飛船基本使用快速對接模式和禮炮號空間站交會對接，禮炮號時代的30多次載人發射中除了聯盟31號和聯盟T13號交會對接時間為大約兩天，其他的都在發射后13小時左右對接成功。蘇聯使用快速對接美國也沒有保守落后，天空實驗室的三次任務中，除了第一次耗時大約21小時外，后兩次發射到對接時間只有約8個小時和8個半小時，很接近現在4圈/6小時的快速對接模式了。

然而，快速交會對接也遇到了攔路虎，其中一個重要挑戰就是空間運動病，它是太空失重環境引發的前庭器官功能紊亂癥。前庭器官負責感知人體尤其是頭部在空間的位置和運動狀態，當人體速度變化過快或是振動過于劇烈，就會引起人體不適感，暈船暈車都與此有關，太空失重環境下很容易產生航天運動癥，大約1/3到1/2的航天員得過空間運動病，表現出面色蒼白、出冷汗、頭暈、惡心和嘔吐等典型癥狀，有些還會產生漂浮感和頭倒位的錯覺。航天員得空間運動癥的時間和程度各自不同，最快只需要一個小時就發病，消退一般是兩天后，而發作最嚴重的時候是發射后8～12小時。雖然過幾天航天員就適應了失重環境，但發病時他們不能有效地進行工作和操作，這時候你讓他怎么手動對接空間站？另外，快速對接對飛船軌道測定和控制精度要求更高，還縮短和減少了飛船的發射窗口，這些因素導致快速對接模式后來失寵了。

▲聯盟飛船與國際空間站對接示意圖

從冷落到復興的快速對接

美蘇在冷戰時期都嘗試并長期使用一天左右的快速對接模式，但兩者的交會對接還是有很大不同的。蘇聯交會對接以自動模式為主，而美國主要使用手動對接。具體地說，蘇聯實現了全程自動對接，航天員可以只當一個乘客；而美國遠距離自動接近，近距離和最后的對接是手動方式，需要航天員的參與。

蘇聯的交會對接系統不受航天運動癥的影響，但快速對接模式給測控系統帶來更大的壓力，蘇聯在和平號空間站時代開始采用2天左右（50小時）的交會對接飛行模式。美國從航天飛機時代開始，交會對接空間站也是典型的慢速交會對接模式，2011年美國航天飛機徹底退役，但新一代的貨運飛船如貨運龍式飛船和天鵝座飛船，仍將使用2天左右的慢速對接模式。自2012年以來，時隔26年后俄羅斯再次試驗并應用快速對接模式，目前已經成為發射對接的主要方式。美國下一代的載人龍式飛船和星際客機載人飛船，也都將使用自動對接和快速對接模式。

俄美再掀快速對接潮流，中國也沒有落后。我國現有的載人飛船使用50小時左右的慢速交會對接模式，但去年發射的天舟一號貨運飛船試驗了6.5小時的快速交會對接；未來天宮號空間站投入運行后，天舟貨運飛船和神舟載人飛船都將使用快速交會對接模式。簡而言之，中美俄都采用了自動交會對接技術，未來飛船發射任務將以快速交會對接為主，快速對接模式在沉寂了1/4個世紀后終于迎來了復興。

快速對接模式的復興絕非偶然，這種螺旋狀的發展是現實需求驅動的結果。美蘇冷戰初期航天員是軍人出身，嚴格訓練適應飛船天經地義，后來美國有了寬敞的航天飛機，居住舒適不在乎對接晚一天多的問題。俄羅斯的情況就不一樣了，進入21世紀后俄羅斯推出太空旅游服務，商業市場上客戶是上帝，但上天對“上帝”可真不友好，聯盟號飛船體積很小，返回艙體積只有3.5立方米，這里面塞上3個大活人，再加上設備和運上天的載荷，活動空間只有0.5立方米，這實在是太擁擠了。想想三個人窩在一輛雙座車內還要生活兩天，這簡直是個折磨！受過訓練的航天員對此都叫苦不迭，更別說拿出幾千萬美元的富豪了。

▲聯盟號飛船內景，可以看出內部空間非常擁擠

▲美國雙子座11號飛船

俄羅斯航天專家表示，他們早就開始考慮這個問題，那些商業太空游客的反饋，尤其是安薩里這樣的女性太空游客的抱怨，是他們決定重啟快速對接飛行模式的重要原因。俄羅斯專家們一致認為，如果能進行快速對接，那就應該去做！聯盟號飛船自身空間狹小，但內部空間更大的美國新一代飛船也將選用快速對接模式，這是因為載人飛船的慢速對接模式始終存在一些缺陷：飛船使用單自由度的太陽能電池翼，在飛行過程中飛船會繞軸線進行旋轉，保持太陽翼恒定指向太陽，獲得充沛的電能供應，這樣的機動讓航天員很不舒服。快速對接模式飛行時間短，也降低了飛行中遇到意外的可能，尤其是遭遇軌道碎片的話，飛船里的航天員真是入地無門，而進入空間站的航天員隨時可以轉入救生飛船逃離，提高了載人飛行的安全系數。此外，快速對接模式所需機動次數少，還減少了飛船燃料消耗，變相增加了飛船的可用機動能力。最后，快速對接模式還縮短了從地面到空間站的時間，可以將急需的物資送到空間站，這對運輸保存時間短的生物試驗材料十分有利，航天員也能借機吃上最新鮮的水果蔬菜了。

總而言之，50小時的慢速對接避免了航天運動癥的影響，但現在美俄載人飛船使用自動對接方式，無需擔心航天運動癥影響對接，航天員長時間呆在密封擁擠的環境中，卻是令人難以忍受的，加上快速對接模式的其他優勢，俄羅斯重啟美國也跟進采用快速對接模式，是合乎情理的選擇。

▲美國的雙子座11號飛船發射后，僅僅過了94分鐘就和阿金納上面級對接成功

▲天舟貨運飛船與天宮二號空間實驗室對接模擬圖

快速對接的技術難點

半個世紀前的冷戰時期，美蘇就嘗試和使用了快速對接模式，從技術上說快速對接模式并沒有不可逾越的技術障礙，但快速對接仍然對載人航天活動提出了更高的技術要求，這些資源的消耗可能是美蘇后來放棄快速對接的重要原因。

快速對接模式對發射窗口要求高得多。以前常用的2-3天交會對接模式中，載人飛船和空間站的初始相位角可達270度，同時即使飛船發射時間略有延遲影響也不大，增強了發射和對接的魯棒性。快速對接模式正好截然相反，6小時以內的快速對接模式下，初始相位角僅為30度，這對選擇發射窗口帶來了不小的限制，加上兼顧地面測控支持、軌道調相機動策略等考慮，對發射窗口選擇和交會策略設計都帶來了更大的挑戰。一般地說，針對國際空間站的發射任務，普通慢速對接下每天都有一個發射窗口，而快速對接模式下3天才有一個發射窗口。

快速對接模式對火箭和飛船的可靠性要求也很高。快速對接時間從傳統慢速對接的2天以上縮短到6小時甚至更短，由于整個任務時間只有原來的1/8甚至更短，任務的各個時序動作緊密排列，而且不能出現疏漏。簡單地說，不僅飛船發射窗口少而窄，而且飛船軌道機動也難以容忍出現故障，比如俄羅斯的進步M-19M號貨運飛船，它發射后導航天線出現故障，只好退回傳統的慢速對接模式。

快速對接模式更大的挑戰在于軌道測控。傳統慢速對接模式下，至少需要5次變軌調相，相鄰兩次變軌時地面測控系統進行變軌前后的軌道測定，一般每次軌道測定需要2～3圈軌道，再制定相應的變軌策略和指令參數。快速對接模式下，調相機動被壓縮到2～3圈內，一圈就要進行兩次軌道機動，這要求地面測控網具備快速精確定軌能力，利用一圈飛行中的一段軌道快速確定飛船軌道參數，為飛船變軌機動策略提供可靠的保證。

與此同時，快速對接模式還對運載火箭入軌和飛船軌道機動提出了更高的精度要求。如果飛船入軌的相位角散布太大，相位調整窗口會大幅縮水甚至無法實現快速對接，至于軌道機動的精度要求就更好理解了：如果軌道機動控制出現較大偏差，不僅徒耗燃料還要花費更多的燃料進行機動糾正。我國去年天舟一號貨運飛船進行了首次快速交會對接試驗，專家就表示這堪比針尖對麥芒，需要超遠程的精確控制能力。

雖然快速對接技術并非新鮮事物，但為了提高航天員的舒適性，快速對接模式重新得到專家們的青睞。目前除了俄羅斯的進步號貨運飛船和聯盟號飛船，未來中國的貨運和載人飛船，以及美國的載人飛船都將使用快速對接模式，它已經成為載人航天的新潮流。