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新飛船也許這樣與空間站對接

最近,中國新一代載人飛船試驗船成功返回。這次飛行試驗驗證了飛船高速再入返回防熱、控制、群傘回收及部分重複使用等多項關鍵技術,在不久的將來,它將成為中國執行空間站運營、深空探測等任務的主力軍。

新飛船也許這樣與空間站對接

除了具備高安全、模組化、可重複使用等特點,新飛船未來與空間站交會對接所用的時間也將大幅縮短。這篇文章,我們就來說說快速交會對接的那些事。

飛船與空間站怎樣對接
快速交會對接是近年來各國紛紛探索的航太技術。雖然這次中國新一代載人飛船試驗船沒有開展相關試驗,但早在2017年9月,中國就利用天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室,成功開展了自主快速交會對接試驗,整個過程歷時約6.5小時。

快速交會對接的核心和難點就是“快”。北京航太飛行控制中心副主任李劍此前介紹,按照傳統對接方式,載人飛船需繞地球30多圈,整個對接過程要耗時2天以上,貨運飛船為了節省變軌所需燃料,消耗時間更長,往往達到3至5天。而採用快速交會對接技術,可以把從發射到具備交會對接條件的時間縮短到幾個小時,飛船也只需繞地球幾圈。

目前,2至3天的交會對接策略,是地面向空間站運送太空人的主要方式。為什麼要用這麼長時間?中國航太科工集團二院研究員楊宇光介紹,兩個航天器在軌交會對接的首要基本條件,是雙方要處於同一軌道面。為了確保將飛船發射到準確的軌道面上,發射視窗需要經過精確計算,要等發射點隨著地球自轉與目標軌道面即將重合的時候點火。之所以要在“即將重合”時,是因為火箭飛行還需要時間,得打出提前量。

“每次神舟飛船從酒泉衛星發射中心起飛,大約在青島附近上空入軌,這樣就正好跟‘天宮’在一個軌道面了。”楊宇光說。

中國天宮二號實驗室運行在距地面約400公里高度的圓形軌道上,而飛船剛入軌時,是運行在一個近地點約200公里,遠地點約400公里的橢圓形軌道。此後飛船便開始追逐“天宮”,這個情景就像兩個運動員以同樣的速度在操場上跑圈,但一個是沿著圓形跑道繞大圈,一個是在跑道和中間草坪上繞橢圓形的內圈。這樣一圈圈繞,飛船越來越接近天宮二號,當它們在軌道相交點相遇,飛船經過變軌,就可以與“天宮”對接了。

“實際上過去交會對接並非一定要用兩天,可以讓飛船快點追,但通常任務都會控制在這個時間。”楊宇光說,其中有幾方面考慮,除了燃料經濟性,還包括太空人的空間運動病。

空間運動病又稱為空間適應綜合症,是空間失重環境引發的心血管功能失調、骨鹽丟失、紅細胞下降等生理應激反應,會讓人產生眩暈、疲勞、嘔吐、免疫力下降等症狀。
楊宇光說,空間運動病通常在進入太空6小時後出現,逐漸嚴重,大約2天後,太空人適應太空環境,症狀也基本消失。這時再進行交會對接,可以讓太空人以較好的身體狀態,準備應對突發狀況。

快速交會對接好處多
如果通過快速交會對接技術,在6小時以內完成交會對接,則能讓太空人在空間運動病症狀出現之前進入空間站。不過楊宇光表示,該技術存在不少難點。

他說,如果要在6小時內實現交會對接,首先要保證飛船入軌時的位置跟空間站相隔不遠,才能在幾圈內趕上。但這對發射視窗要求更高。相比傳統對接方式每天都有一次發射視窗,實施快速對接如果錯過一個視窗,等下一個可能需要好幾天,這對飛船、火箭、發射場都提出了更高要求。

另外,飛船剛入軌時,軌道面與空間站多少會存在誤差。過去有2天時間可以消除誤差,但快速對接留給軌道修正的時間只有6小時甚至兩三個小時,會給飛控系統提出更高要求。

當然,快速交會對接有很多好處。首先是讓太空人更舒適。楊宇光說,載人飛船艙內空間狹小,吃喝拉撒睡各方面生活條件遠不如空間站。儘量縮短太空人在飛船裡的滯留時間,有助於讓他們減少不必要的體力、精力付出,執行太空任務時更加舒適愜意。

從任務角度來說,快速交會對接能使生物製劑等無法經歷長期運輸的貨品儘快送達空間站,這對某些試驗至關重要。如果空間站等航天器突遇緊急情況,快速交會對接有助於快速實施故障搶修與緊急救援等工作。

此外,如果任務時間拖得很長,對地面測控人員來說也有很重的負擔,縮短對接時間也可以減輕他們的壓力◆

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