神舟十二昨天都回來了,馬上天舟三號貨運飛船即將在文昌接力發射。按照計劃,天舟三號也會使用快速對接方式,6個多小時就能走完約20萬千米的路程,順利給天宮送貨。目前來看,快速對接已經是中國載人航天的常態,天舟二號、神舟十二、天舟三號,估計還包括未來的任務大都會使用這個策略。
在講什么是快速對接前,有必要簡單科普下航天器是怎么對接的。俄羅斯聯盟飛船對接國際空間站做過一套極好的科普動畫,用它作為案例作為講解,世界各國航天器的流程大同小異。
火箭發射10分鐘后就能將飛船送入太空,但飛船入軌后的軌跡其實是個近圓形的軌跡,國際空間站也是一個近圓形,可以想象:二者軌跡需要完美相切才能相遇。但如果從發射后就要求對接難度太大,畢竟這樣對火箭和航天器發動機工作時軌道控制精度要求太高,發射窗口也會被逼到極小,且全程不能出任何問題,甚至必須理論值!
保險起見,二者會進入不同高度的軌道,但軌道傾角和升交點一樣,這樣二者的軌道周期不同,大約兩天內會數次“接近”。在此期間,位于下方的飛船有足夠長的時間緩慢精細調整軌道。
最后階段時,其實不是飛船追空間站,而是空間站追飛船。飛船先到國際空間站軌道稍高且靠前的區域,然后掉頭,發動機換方向,減速+精細控制等待國際空間站“撞”上來。雖然相對地球速度高達7.8千米/秒,聲速幾十倍,但相對速度極小沒啥問題。
以上方案,在大多數情況下,聯盟飛船、進步飛船、航天飛機、神舟飛船、天宮飛船、龍飛船、HTV、天鵝座飛船都在這樣用,載人任務一般都是發射后兩天才對接,這樣效率低、宇航員/航天員比較痛苦、但是安全性最高。
當技術足夠成熟,尤其是航天器軌道控制技術完美,就可以嘗試縮短這兩天的時間,即快速對接,一般在圍繞地球4周左右完成。從發射到對接的總時間6小時以上?;蛘吒訕O限,挑戰2周、3個多小時對接。但一般來講,考慮安全性,載人的任務要更小心,貨運的可以更大膽。
快速對接領域也是個“藝高人膽大”的競技場:在載人航天領域,美國有過一個瘋狂的紀錄,也是人類歷史最快速載人情況下對接的1966年雙子座11任務,乘組也是后來的阿波羅12號任務兩名宇航員,94分鐘(一圈)就對接,這個記錄無人能破。雙子座的這個記錄需要超級精確的火箭控制和發射窗口控制,為了實現一圈對接的目標,當時的發射窗口只有1秒,早1秒晚1秒都不行!要知道那是1966年。這既是大膽的技術,也是大膽的玩命。
不過真的沒必要玩這么極限,隨著人類載人航天逐漸成熟,大家也以實用為主。目前,載人聯盟基本能實現6小時載人對接,也在突破往3小時走,是咱們比較靠譜的努力目標。
如前文,貨運飛船不載人就無所謂了,理論上可以做到更快,現在的進步號已經可以實現3小時。不過貨運沒那么急,也因此沒啥必要追求對接速度,6小時、或者3小時很好了。
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