“太空快遞”怎么發(fā)？最全發(fā)貨流程?。黋oung望星空 追星逐夢(mèng)

Young望星空 追星逐夢(mèng)

不知不覺中，時(shí)光的腳步已經(jīng)來到2023年的門前。回首剛剛度過的三百多個(gè)晝夜，彷佛是一個(gè)個(gè)臺(tái)階，每一步都記錄著中國(guó)航天的發(fā)展。在元旦佳節(jié)即將到來之際，我們?yōu)閺V大讀者準(zhǔn)備了科學(xué)時(shí)光趴第9季“Young望星空 追星逐夢(mèng)”科普跨年活動(dòng)，請(qǐng)大家和我們一起，進(jìn)行一場(chǎng)激動(dòng)人心的追星逐夢(mèng)之旅吧！

審稿專家：趙良玉

北京理工大學(xué)宇航學(xué)院飛控系副教授

2022年11月30日，神舟十五號(hào)乘組與神舟十四號(hào)乘組在太空順利“會(huì)師”，實(shí)現(xiàn)了6名航天員同時(shí)在軌的新突破，完成了中國(guó)航天員首次“太空換班”。

神十四 神十五乘組太空合影 來源｜CCTV

航天員們?cè)谔罩猩罟ぷ鞯囊磺兴瓒际菑牡厍蜻\(yùn)輸?shù)娇臻g站，那么，每次的“太空快遞”貨運(yùn)飛船是如何準(zhǔn)確找到空間站的地址，送貨上門的呢？

這項(xiàng)技術(shù)稱為航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù)，它是將兩個(gè)航天器在空間軌道上會(huì)合并在結(jié)構(gòu)上連接成一個(gè)整體的技術(shù)。它是實(shí)現(xiàn)地球與空間站之間往返運(yùn)輸、多模塊空間站組裝以及未來登月活動(dòng)的重要技術(shù)支撐。

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摸清軌道規(guī)律

大部分航天器（衛(wèi)星、空間站等）都圍繞地球、沿著固定的軌道飛行，軌道類型有圓軌道、橢圓軌道等。我們的空間站飛行軌道為圓軌道，圍繞地球做近似勻速圓周運(yùn)動(dòng)。想要讓航天器成功對(duì)接，就需要了解軌道運(yùn)行的規(guī)律，這是找到航天器“地址”的基礎(chǔ)。

空間站在距離地球約400km的軌道飛行，1.5小時(shí)就能繞地球一圈，而地球同步軌道衛(wèi)星的飛行高度大約為36000km。在地球引力作用下，飛行軌道離地球越近，航天器繞地球一圈所用的時(shí)間越短；在同一個(gè)圓軌道上的航天器，它們的相對(duì)速度會(huì)保持為零。

航天器軌道來源丨新華社

航天器運(yùn)行軌道所在的平面，稱為軌道平面。在這個(gè)平面上，航天器想要改變運(yùn)行軌道半徑的大小，通過增加或減小速度即可。若軌道平面不相同，軌道交叉的兩個(gè)航天器的速度數(shù)值可能相同，但因?yàn)樗俣冗€具有方向性，因此這兩個(gè)航天器若相遇就會(huì)“撞車”。若想避免，必須消耗很大的能量改變其中一個(gè)航天器的速度方向。因此，為了更好更省力地進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，往往會(huì)讓兩個(gè)航天器在同一軌道面內(nèi)相遇。

軌道面相交的兩飛行器相對(duì)速度關(guān)系示意來源丨人民資訊

摸清了這些軌道運(yùn)行規(guī)律，科學(xué)家們就能計(jì)算出交會(huì)對(duì)接最佳的軌道停泊點(diǎn)，“地址”就基本確定下來啦！

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航天器如何找到對(duì)方？有了“地址”，如何才能順利地把“快遞”發(fā)過去呢？

首先，是要將航天器發(fā)射升空。當(dāng)航天器在地表時(shí)，它的速度和地球旋轉(zhuǎn)的速度是相同的；當(dāng)它升空后，需要修正這個(gè)偏差才能順利與空間站對(duì)接。為了減少能量消耗，要對(duì)空間站軌道進(jìn)行精確測(cè)定和預(yù)測(cè)，確定航天器的理論發(fā)射時(shí)刻，這叫做“零寬度時(shí)間窗口”，也稱為“零窗口”或“點(diǎn)窗口”。

11月29日23時(shí)08分，神舟十五號(hào)載人飛船順利升空來源丨央視新聞

接著，就是要將航天器送入和空間站相同的軌道平面，且位置往往在空間站的后下方，這個(gè)位置叫做停泊點(diǎn)。

神舟九號(hào)與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接停泊點(diǎn)設(shè)置 來源丨CCTV

然后，航天器會(huì)按照計(jì)算好的變軌方案逐漸改變自身姿態(tài)和軌道高度，更好地接近空間站，這個(gè)過程的時(shí)間有長(zhǎng)有短，而且會(huì)因?yàn)樽冘壭枰巴ＭＷ咦摺?。?dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以通過地面站和導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)航天器和空間站的軌道進(jìn)行測(cè)定和預(yù)測(cè)，讓航天器去“追蹤”空間站。當(dāng)距離足夠近時(shí)，空間站和航天器可以相互“感應(yīng)”了，那么航天器上的雷達(dá)或光學(xué)測(cè)量設(shè)備等就開始發(fā)揮作用，可以精確測(cè)量出二者的相對(duì)速度和位置。這個(gè)階段的測(cè)量精度極高，往往由航天器計(jì)算機(jī)自主計(jì)算，也能提高實(shí)時(shí)處理能力。

神舟八號(hào)與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接軌道控制示意圖 來源丨新華社

當(dāng)二者距離在100—200米時(shí)，就到達(dá)了最后的平移靠攏階段，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。這個(gè)時(shí)候它們的軌道偏差已經(jīng)極小，但還需要進(jìn)行最后的方向及姿態(tài)調(diào)整，以確保二者位置、角度、姿態(tài)和相對(duì)速度等均一致。為什么會(huì)保留手動(dòng)模式呢？因?yàn)槿搜鄣闹苯佑^察有時(shí)候更加符合航天員的操作習(xí)慣，而且如果機(jī)器故障，也需要航天員手動(dòng)操作進(jìn)行處理。

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怎樣才能順利對(duì)接“收貨”？

當(dāng)兩個(gè)航天器與空間站交會(huì)，下一步就是對(duì)接了。此時(shí)，航天器相對(duì)于空間站的橫向位置、速度、三軸姿態(tài)、角速度都幾乎同步，只有軸向飛行方向還保持一定的速度。此時(shí)，交會(huì)精度越高越好，而容差范圍則越大越好，這樣更有利于成功對(duì)接。

以中國(guó)空間站的關(guān)鍵艙天和核心艙為例，其他艙段或航天器會(huì)連結(jié)在它的節(jié)點(diǎn)艙上。節(jié)點(diǎn)艙有4個(gè)對(duì)接口和一個(gè)出艙口。4個(gè)對(duì)接口中有2個(gè)用來停泊實(shí)驗(yàn)艙，另外兩個(gè)用來對(duì)接航天器。

節(jié)點(diǎn)艙來源丨CCTV

對(duì)接主要分為三步。

1. 接觸、接納和幾何位置校正。

雖然航天器和空間站都修正了姿態(tài)，但是依舊有細(xì)微的偏差。這個(gè)環(huán)節(jié)就像讓每一個(gè)螺絲對(duì)正每一個(gè)螺孔，當(dāng)位置校正好，捕獲機(jī)構(gòu)會(huì)“抓緊”對(duì)方，保證不再脫離。

2. 緩沖并消耗碰撞能量。

即使航天器和空間站的相對(duì)速度接近零，但依舊會(huì)產(chǎn)生沖擊力，需要配置緩沖或耗能裝置，減緩、消耗或吸收這股能量。

神舟八號(hào)飛船的緩沖阻尼系統(tǒng)來源丨新華社

3. 機(jī)械連接。

在航天器與空間站徹底靠攏之后，需要通過機(jī)械鎖連結(jié)在一起。對(duì)載人的空間站來說，它不僅要保證連接的強(qiáng)度和承載能力，還要保證空間的密封性，能夠讓航天員順利往來。一般情況下，空間站會(huì)裝配金屬密封面，航天器會(huì)裝配橡膠密封圈。

當(dāng)然，有些航天器還有返回地球的需要，因此，這個(gè)鎖要能鎖也能開。在機(jī)械鎖的某些特殊位置還安裝了火工品，以便在發(fā)生故障時(shí)“炸開”連結(jié)。

交會(huì)對(duì)接是時(shí)間和空間強(qiáng)耦合的復(fù)雜工程設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)立足于軌道規(guī)律和航天技術(shù)發(fā)展起來的重要太空技術(shù)，是人類向月球乃至深空探索的技術(shù)保障。未來，交會(huì)對(duì)接技術(shù)一定會(huì)有更多發(fā)展，以滿足人類探索太空的不同需求。