【材制 | 视角】天宫的落成——空间交会对接技术概述

2021-10-23 21:40 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

初原载于爱学习的青春材制

2021-10-22

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北京时间2021年10月16日6时56分，神舟十三号载人飞船首次在太空实现了径向快速交会对接！

在我国天宫空间站的建设过程中，“快速自主交会对接”技术越来越多的进入人们的视线。本文将与您一同抽丝剥茧，解开“快速自主交会对接”技术的神秘面纱。

交会对接四个阶段

交会段、对接段、组合体运行段、撤离段

下面就让我们按照时间顺序，模拟一次“神舟十三号”与“天和”核心舱的交会对接吧！

Step 1 进入轨道

想要让“神舟十三号”载人飞船与400千米轨道上运行的“天宫”空间站会面，首先要使“神舟十三号”进入地球轨道，成为地球的一颗“卫星”。这次我们选择中国载人航天的“神箭”长征二号F进入太空。

幕间四次变轨与“航天运动病”

现在我们已经成功进入了地球轨道，透过舷窗你可以看到美丽的地球风光和深邃的太空。那么天宫呢？别着急，我们距离天宫还有一段距离，让我们点燃引擎，开始轨道转移吧！

交会对接技术可大致分为第4圈轨道交会（M＝4）、第3圈轨道交会（M＝3）、第1圈轨道交会（M＝1）、光学交会、从上面交会、稳定轨道交会以及双光学交会7种。我国快速自主交会对接技术采用了第4圈轨道交会的方案，示意图见图2。

第4圈交会指寻的航天器在与目标对接前会在地球轨道上飞行四圈，分别是入轨轨道（第1圈）、调相轨道（第2、3圈）和目标轨道（第4圈）。

我们乘坐的“神舟”载人飞船在发射升空后首先进入的是入轨轨道，也就是在电视直播中“飞船成功入轨”时所在的轨道。但由于酒泉卫星发射中心并不处于赤道，发射升空的“神舟”的轨道与“天宫”所在的轨道并不在同一平面上，所以需要通过变轨使二者轨道平面重合并使轨道相交。“神舟”将会自动计算变轨的时机，得出需要点火加速的位置及相关参数，称为“机动节点”（即图中的BCDE点）。在到达机动节点所要求的位置后，“神舟”将会自动调整方向并点火加速抬升轨道，经过数次轨道调整最终到达目标轨道，这个过程称为“调相”。

方案优势

在对接前航天器有足够的时间进行自检，减小了交会对接过程中仪器失灵的几率，同时节约了推进器燃料的问题，兼顾了经济和安全的要求。

经历了4次变轨，你现在感觉怎么样？

据统计有1/3的航天员在进入太空1小时后会患上航天运动病，表现为出现恶心呕吐和出冷汗等身体不适的症状，有的也会出现头晕以及感觉错位等错觉。该症状大多在30小时后消退，在此期间你只能在舱内看看风景了，这也是快速交会对接技术在过去并不流行的原因之一。

不过不用担心，感谢现代太空技术，现今航天员不必事事亲力亲为，你搭乘的“神舟”载人飞船可以自动完成交会对接中的绝大多数步骤。下面的工作就交给导航计算机完成吧。

Step 2 交会段及对接段

交会对接可以简单的分为交会阶段和对接阶段。

交会阶段

交会是一个航天器接近另一个航天器的过程。简单来讲就是通过轨道机动使两个航天器在同一时间到达同一地点。交会段又分为远程导引段和近程自主控制段。远程导引段是“神舟”根据“地图导航”到达“天宫”的附近，而近程自主控制段则是“神舟”用“眼睛”寻找“家门”的过程。近程自主控制段又分为寻的段（也就是寻找目的地的阶段）、接近段、平移靠拢段，示意图见图3。各个阶段距离上由远及近，精度上由粗到精，对航天器敏感器精度有很高要求。

我们这次乘坐的“神舟”载人飞船主要使用了4种敏感器充当交会对接时的“眼睛”，并且每一个阶段至少有两双“眼睛”看向目标，以确保在茫茫太空中精确的找到“天宫”（不同敏感器使用阶段见表1）。

接下来就让我们看看“神舟”是如何在千里之外找到“天宫”的。

寻找“天宫”——远程导引段

要想找到“家门”，首先要根据地图导航到达自家附近，这就是远程导引段。与我们一样，“神舟”的导航也是采用“北斗”卫星导航系统，利用卫星导航设备接收到的观测信息，将“神舟”从几千公里外导引到距“天宫”100公里左右的范围内，这和我们从某处来到自家所在的街道的过程是类似的。在此阶段，“神舟”的任务是找到“家门”周围熟悉的路标。

遇见“天宫”——寻的（di）段

此时，你已经可以通过舷窗看到“天宫”空间站的灯光了，交会对接即将进入下一个阶段——寻的段。在此阶段，“神舟”上的交会雷达捕获并跟踪到“天宫”并到达距“天宫”约500米处。

本阶段“神舟”仍然主要利用“北斗”卫星导航系统确定２个航天器间的相对位置和相对速度等相对导航参数。此时“神舟”的“眼睛”也已经看到了“家门”的位置，并参与进了导航的过程。

靠近“天宫”——接近段

我们离“天宫”越来越近了，透过舷窗你或许可以找到对接口的位置。“神舟”正对家门，开始向门口走去，这就是接近段。

该阶段“神舟”仍主要使用“北斗”卫星导航系统测量相对位置和相对速度等相对导航参数，并使用微波交会雷达和激光交会雷达实现相对姿态和相对速率的测量，使“神舟”和“天宫”的对接口轴线接近重合。

触碰“天宫”——平移靠拢段

现在，“神舟”已经对准了家门，准备开锁进屋了。平移靠拢段是“神舟”进入对接走廊后到与“天舟”接触为止的过程。在这个阶段“神舟”终于收起了卫星导航设备，用“眼睛”引导自己回家。至此交会阶段完成。

对接阶段

随着闭锁装置的声音响起，“神舟”正式的和“天和”轨道舱对接成功了。稍安勿躁，等舱室间气压平衡完毕后，我们就可以打开承压舱门，穿过轨道舱，进入天宫了。