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天舟五号“快速对接”天和核心舱,创记录的2小时是怎么做到的?

钱江晚报·小时新闻 记者 王湛

11月12日10时03分,搭载天舟五号货运飞船的长征七号遥六运载火箭,在我国文昌航天发射场点火发射。12时10分,天舟五号采取自主快速交会对接模式,成功对接于空间站天和核心舱后向端口,中国航天员首次在空间站迎接货运飞船来访。

此次发射任务从点火发射到完成交会对接,全程仅用2个小时,一举改写了2020年10月14日俄罗斯联盟号MS-17与国际空间站的3小时3分交会对接纪录。

那“快速对接”到底有何意义呢?我们邀请了浙大附中物理老师马鸿欢来解读一下。

这次主角“天舟五号”是去送“快递”的

1992年,中国政府制定了载人航天工程“三步走”发展战略。

第一步,发射载人飞船(即神舟号飞船),建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;

第二步,在第一艘载人飞船发射成功后,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,发射一个空间实验室(天宫一号、二号实验室),解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;

第三步,建造载人空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。在太空建设能长期运行的空间站,不仅体现出一个国家航天技术的强大实力,更重要的是为我国进行大规模空间科学实验与应用提供一个安全稳定的太空实验基地。目前太空中仍在轨运行的空间站只有两个,一是将在2024年退役的由美、俄等16个国家联合建造的国际空间站,二是我国独立自主建造的中国空间站。

我国空间站分三个舱段,包括一个核心舱和两个实验舱,基本构型为T字形,核心(天和)舱居中,实验舱Ⅰ(问天)和实验舱Ⅱ(梦天)分别连接于两侧。

核心舱的后端设后向对接口,用于货运飞船(天舟系列)停靠补给。前段对接口用于载人飞船(神州系列)停靠对接。也就是说神州系列飞船负责将宇航员送入太空,而这次的主角天舟五号是负责运送物资的。

那长征系列火箭呢?长征系列运载火箭负责护送飞船离开大气层进入太空轨道,飞船进入太空后,它的任务就结束了。之后就需要飞船独自完成“追逐”空间站的任务。

天舟五号“快速对接”天和核心舱,创记录的2小时是怎么做到的?

快速对接需闯关,第一个难题是发射窗口

火箭载着飞船离开地球之前,和地球一起在发射中心纬度平面转动,但空间站飞行平面却是倾斜的,因此快速对接第一个需要解决的难题,就是设计发射窗口,使飞船与空间站处于同轨道平面时从地面发射;为了节省燃料和时间、找到最快路径,发射窗口设计还需要让飞船入轨后尽量在相位角度上与空间站靠近,天舟五号的对接相位较天舟四号对接相位差减小了近9度。实现这一优化既需要对空间站的实时位置有精准定位,也对地面指挥中心提出更强大的计算、控制、发射协同要求。

那什么是相位差呢?在飞船进入太空离开火箭时,想追上空间站,就需要解决两个问题:一是飞船和空间站各自与地心的连线之间存在一定夹角,称为相位差。二是怎样合理升高到空间站所在轨道高度。我们可以想象一下,如果在运动场上,跑在内圈落后的同学想追赶外圈跑的快的同学,既需要往前加速,也需要向外道奔跑。而飞船的追逐过程却复杂的多。

天舟五号“快速对接”天和核心舱,创记录的2小时是怎么做到的?

天舟五号“快速对接”天和核心舱,创记录的2小时是怎么做到的?

高中的同学们在学习宇宙航行的时候知道,当飞船在太空中受到的万有引力全部用来提供圆周运动的向心力时,轨道高度越高,飞行速度越小,反之轨道高度越低,速度越大。

我国空间站轨道高度为400公里,由此可以计算出其运行周期约为90分钟,可见其运行速度之快,想精准对接之困难。关于飞船“追逐”的两个关键性问题:

一、关于追赶角度差:需要飞船减速,当飞船到达更小的轨道上才能飞的更快。

二、抬升轨道:简单来讲,当飞船向后喷射加速会使得轨道变成比原来更大的椭圆,当飞船能到达空间站高度时二次加速,就可以变成和空间站同高度的圆轨道。想要实现快速对接,就不能等其完整的转完一圈再加速,而是需要在中间过程中多次加速调整轨道位置,在尽量小的飞行圈次内追上目标飞行器。在天舟四号的6.5小时快速交换对接中,货运飞船通过6次变轨来抬升它的轨道高度,而此次2小时快速交换对接中,天舟五号货运飞船仅通过2次变轨就实现了与空间站组合体共轨。

快速对接和传统对接,有什么不同?

在传统交会对接中,轨道的控制是通过地面人员测定轨道、计算轨道控制参数、设置飞行程序,并在飞船经过测控区是发送给飞船,这一系列过程需要耗费大量时间。自天舟四号开始的快速交换对接中,上述工作已经完全由船上自主进行,每次控制轨道的准备计算时间很短。

飞船想要在高速的运动下,不做多余的飞行,快速到达合适的对接位置,这种轨道的优化看似简单,但其实对轨道设计、平台软件升级、发动机等基础设施提出了更高的要求。

看似是绿皮车换高铁,但实际上并不是飞船“提速”,而是整个发射协同过程更精准、更高效的优化。

空间站建成后,将在400公里左右的轨道高度上维持设计寿命十年的运行,为了保障宇航员的安全快速往返、生活物资补给、空间站维修零件运输、实验设备的运送,空间站每年将与载人飞船、货运飞船进行若干次对接。2小时快速对接更是为应急物资补给、救援船的发射提供有力保障,以应对各种可能发射的故障。

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原文地址《 天舟五号“快速对接”天和核心舱,创记录的2小时是怎么做到的?》发布于2022-11-20
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