老樹開新花的快速對接技術(shù)

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▲進(jìn)步MS-09飛船

今年7月10日俄羅斯發(fā)射了進(jìn)步MS-09號(hào)貨運(yùn)飛船，進(jìn)步號(hào)飛船成功進(jìn)行了一次快速交會(huì)對接，耗時(shí)3小時(shí)40分，又一次刷新了時(shí)間記錄。然而如果我們的目光從2012年進(jìn)步M-16M號(hào)飛船的首次快速交會(huì)對接試驗(yàn)向前看，就會(huì)赫然發(fā)現(xiàn)快速對接技術(shù)并不是新鮮事物，它屬于典型的老樹開新花。

源遠(yuǎn)流長的快速對接

2012年8月1日俄羅斯進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船首次進(jìn)行快速交會(huì)對接試驗(yàn)，此后又有兩艘進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船快速對接成功后，俄羅斯才開始試驗(yàn)聯(lián)盟號(hào)載人飛船的快速交會(huì)對接，到現(xiàn)在快速對接已經(jīng)輕車熟路。航天迷們或許會(huì)問：快速對接明明是21世紀(jì)的新鮮事物啊，你怎么說老樹開新花呢？其實(shí)我們視線放遠(yuǎn)一些，冷戰(zhàn)時(shí)期美蘇對快速對接都并不陌生。

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

蘇聯(lián)曾試圖沖擊美國雙子座11號(hào)的快速對接時(shí)間記錄，不過聯(lián)盟3號(hào)對接聯(lián)盟2號(hào)飛船失敗，聯(lián)盟4號(hào)和5號(hào)首次載人飛船對接成功，但用了一天多的時(shí)間，而且后來又出現(xiàn)對接失敗。蘇聯(lián)載人航天對接技術(shù)成熟，已經(jīng)是禮炮號(hào)空間站的時(shí)代了。聯(lián)盟號(hào)飛船基本使用快速對接模式和禮炮號(hào)空間站交會(huì)對接，禮炮號(hào)時(shí)代的30多次載人發(fā)射中除了聯(lián)盟31號(hào)和聯(lián)盟T13號(hào)交會(huì)對接時(shí)間為大約兩天，其他的都在發(fā)射后13小時(shí)左右對接成功。蘇聯(lián)使用快速對接美國也沒有保守落后，天空實(shí)驗(yàn)室的三次任務(wù)中，除了第一次耗時(shí)大約21小時(shí)外，后兩次發(fā)射到對接時(shí)間只有約8個(gè)小時(shí)和8個(gè)半小時(shí)，很接近現(xiàn)在4圈/6小時(shí)的快速對接模式了。

然而，快速交會(huì)對接也遇到了攔路虎，其中一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是空間運(yùn)動(dòng)病，它是太空失重環(huán)境引發(fā)的前庭器官功能紊亂癥。前庭器官負(fù)責(zé)感知人體尤其是頭部在空間的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)人體速度變化過快或是振動(dòng)過于劇烈，就會(huì)引起人體不適感，暈船暈車都與此有關(guān)，太空失重環(huán)境下很容易產(chǎn)生航天運(yùn)動(dòng)癥，大約1/3到1/2的航天員得過空間運(yùn)動(dòng)病，表現(xiàn)出面色蒼白、出冷汗、頭暈、惡心和嘔吐等典型癥狀，有些還會(huì)產(chǎn)生漂浮感和頭倒位的錯(cuò)覺。航天員得空間運(yùn)動(dòng)癥的時(shí)間和程度各自不同，最快只需要一個(gè)小時(shí)就發(fā)病，消退一般是兩天后，而發(fā)作最嚴(yán)重的時(shí)候是發(fā)射后8～12小時(shí)。雖然過幾天航天員就適應(yīng)了失重環(huán)境，但發(fā)病時(shí)他們不能有效地進(jìn)行工作和操作，這時(shí)候你讓他怎么手動(dòng)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(fā)射窗口，這些因素導(dǎo)致快速對接模式后來失寵了。

▲聯(lián)盟飛船與國際空間站對接示意圖

從冷落到復(fù)興的快速對接

美蘇在冷戰(zhàn)時(shí)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(huì)對接還是有很大不同的。蘇聯(lián)交會(huì)對接以自動(dòng)模式為主，而美國主要使用手動(dòng)對接。具體地說，蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)對接，航天員可以只當(dāng)一個(gè)乘客；而美國遠(yuǎn)距離自動(dòng)接近，近距離和最后的對接是手動(dòng)方式，需要航天員的參與。

蘇聯(lián)的交會(huì)對接系統(tǒng)不受航天運(yùn)動(dòng)癥的影響，但快速對接模式給測控系統(tǒng)帶來更大的壓力，蘇聯(lián)在和平號(hào)空間站時(shí)代開始采用2天左右（50小時(shí)）的交會(huì)對接飛行模式。美國從航天飛機(jī)時(shí)代開始，交會(huì)對接空間站也是典型的慢速交會(huì)對接模式，2011年美國航天飛機(jī)徹底退役，但新一代的貨運(yùn)飛船如貨運(yùn)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(shí)隔26年后俄羅斯再次試驗(yàn)并應(yīng)用快速對接模式，目前已經(jīng)成為發(fā)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(jī)載人飛船，也都將使用自動(dòng)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(xiàn)有的載人飛船使用50小時(shí)左右的慢速交會(huì)對接模式，但去年發(fā)射的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船試驗(yàn)了6.5小時(shí)的快速交會(huì)對接；未來天宮號(hào)空間站投入運(yùn)行后，天舟貨運(yùn)飛船和神舟載人飛船都將使用快速交會(huì)對接模式。簡而言之，中美俄都采用了自動(dòng)交會(huì)對接技術(shù)，未來飛船發(fā)射任務(wù)將以快速交會(huì)對接為主，快速對接模式在沉寂了1/4個(gè)世紀(jì)后終于迎來了復(fù)興。

快速對接模式的復(fù)興絕非偶然，這種螺旋狀的發(fā)展是現(xiàn)實(shí)需求驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。美蘇冷戰(zhàn)初期航天員是軍人出身，嚴(yán)格訓(xùn)練適應(yīng)飛船天經(jīng)地義，后來美國有了寬敞的航天飛機(jī)，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(jìn)入21世紀(jì)后俄羅斯推出太空旅游服務(wù)，商業(yè)市場上客戶是上帝，但上天對“上帝”可真不友好，聯(lián)盟號(hào)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(gè)大活人，再加上設(shè)備和運(yùn)上天的載荷，活動(dòng)空間只有0.5立方米，這實(shí)在是太擁擠了。想想三個(gè)人窩在一輛雙座車內(nèi)還要生活兩天，這簡直是個(gè)折磨！受過訓(xùn)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(lián)盟號(hào)飛船內(nèi)景，可以看出內(nèi)部空間非常擁擠

▲美國雙子座11號(hào)飛船

俄羅斯航天專家表示，他們早就開始考慮這個(gè)問題，那些商業(yè)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(rèn)為，如果能進(jìn)行快速對接，那就應(yīng)該去做！聯(lián)盟號(hào)飛船自身空間狹小，但內(nèi)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?yàn)檩d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(huì)繞軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，保持太陽翼恒定指向太陽，獲得充沛的電能供應(yīng)，這樣的機(jī)動(dòng)讓航天員很不舒服?？焖賹幽Ｊ斤w行時(shí)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?zé)o門，而進(jìn)入空間站的航天員隨時(shí)可以轉(zhuǎn)入救生飛船逃離，提高了載人飛行的安全系數(shù)。此外，快速對接模式所需機(jī)動(dòng)次數(shù)少，還減少了飛船燃料消耗，變相增加了飛船的可用機(jī)動(dòng)能力。最后，快速對接模式還縮短了從地面到空間站的時(shí)間，可以將急需的物資送到空間站，這對運(yùn)輸保存時(shí)間短的生物試驗(yàn)材料十分有利，航天員也能借機(jī)吃上最新鮮的水果蔬菜了。

總而言之，50小時(shí)的慢速對接避免了航天運(yùn)動(dòng)癥的影響，但現(xiàn)在美俄載人飛船使用自動(dòng)對接方式，無需擔(dān)心航天運(yùn)動(dòng)癥影響對接，航天員長時(shí)間呆在密封擁擠的環(huán)境中，卻是令人難以忍受的，加上快速對接模式的其他優(yōu)勢，俄羅斯重啟美國也跟進(jìn)采用快速對接模式，是合乎情理的選擇。

▲美國的雙子座11號(hào)飛船發(fā)射后，僅僅過了94分鐘就和阿金納上面級(jí)對接成功

▲天舟貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室對接模擬圖

快速對接的技術(shù)難點(diǎn)

半個(gè)世紀(jì)前的冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇就嘗試和使用了快速對接模式，從技術(shù)上說快速對接模式并沒有不可逾越的技術(shù)障礙，但快速對接仍然對載人航天活動(dòng)提出了更高的技術(shù)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(fā)射窗口要求高得多。以前常用的2-3天交會(huì)對接模式中，載人飛船和空間站的初始相位角可達(dá)270度，同時(shí)即使飛船發(fā)射時(shí)間略有延遲影響也不大，增強(qiáng)了發(fā)射和對接的魯棒性。快速對接模式正好截然相反，6小時(shí)以內(nèi)的快速對接模式下，初始相位角僅為30度，這對選擇發(fā)射窗口帶來了不小的限制，加上兼顧地面測控支持、軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)策略等考慮，對發(fā)射窗口選擇和交會(huì)策略設(shè)計(jì)都帶來了更大的挑戰(zhàn)。一般地說，針對國際空間站的發(fā)射任務(wù)，普通慢速對接下每天都有一個(gè)發(fā)射窗口，而快速對接模式下3天才有一個(gè)發(fā)射窗口。

快速對接模式對火箭和飛船的可靠性要求也很高?？焖賹訒r(shí)間從傳統(tǒng)慢速對接的2天以上縮短到6小時(shí)甚至更短，由于整個(gè)任務(wù)時(shí)間只有原來的1/8甚至更短，任務(wù)的各個(gè)時(shí)序動(dòng)作緊密排列，而且不能出現(xiàn)疏漏。簡單地說，不僅飛船發(fā)射窗口少而窄，而且飛船軌道機(jī)動(dòng)也難以容忍出現(xiàn)故障，比如俄羅斯的進(jìn)步M-19M號(hào)貨運(yùn)飛船，它發(fā)射后導(dǎo)航天線出現(xiàn)故障，只好退回傳統(tǒng)的慢速對接模式。

快速對接模式更大的挑戰(zhàn)在于軌道測控。傳統(tǒng)慢速對接模式下，至少需要5次變軌調(diào)相，相鄰兩次變軌時(shí)地面測控系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)的變軌策略和指令參數(shù)?？焖賹幽Ｊ较?，調(diào)相機(jī)動(dòng)被壓縮到2～3圈內(nèi)，一圈就要進(jìn)行兩次軌道機(jī)動(dòng)，這要求地面測控網(wǎng)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(shù)，為飛船變軌機(jī)動(dòng)策略提供可靠的保證。

與此同時(shí)，快速對接模式還對運(yùn)載火箭入軌和飛船軌道機(jī)動(dòng)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(diào)整窗口會(huì)大幅縮水甚至無法實(shí)現(xiàn)快速對接，至于軌道機(jī)動(dòng)的精度要求就更好理解了：如果軌道機(jī)動(dòng)控制出現(xiàn)較大偏差，不僅徒耗燃料還要花費(fèi)更多的燃料進(jìn)行機(jī)動(dòng)糾正。我國去年天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)行了首次快速交會(huì)對接試驗(yàn)，專家就表示這堪比針尖對麥芒，需要超遠(yuǎn)程的精確控制能力。

雖然快速對接技術(shù)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(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船和聯(lián)盟號(hào)飛船，未來中國的貨運(yùn)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(jīng)成為載人航天的新潮流。