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飞船奔赴空间站时为什么“走走停停”?
两个航天器于同一时间、在轨道同一位置、以相同速度和姿态会合并在结构上连为一个整体,被称为交会对接。这是建设中国空间站的关键技术,是实现“1+1=1”的前提,也是航天器在轨运行中最复杂的技术之一。空间上,交会对接所包含的元素远远超越对接航天器本身;时间上,它是由多个动态步骤依次构建的过程。本文聚焦“交会”阶段,解答你的疑惑!
空间站沿圆轨道飞行。飞船追踪过程中,若通过变轨达到空间站同轨道高度的圆轨道上,则两飞行器相对距离和速度保持不变,飞船相对于空间站来说就“停泊”了。这样的“停泊”是由轨道规律保证的,即被动安全,只要不做动作,就没有相撞风险。交会对接飞行过程中设置停泊点是必要的,主要用于以下操作或场景。
飞船从数百公里追踪至对接,很难由一套设备从头测到底。因此,与空间站相对距离不变且安全的停泊点,是进行不同测量距离的设备切换的最佳位置,即停下来换装备。
敏感器等典型故障,即可在停泊点等待处置。实际上,有些交会方案将停泊点作为全系统状态检查的点,确认一切正常才放行,即停下来检查。
如轨控执行有误差,则飞行时间与预计也会有偏差,设置停泊点可以“吃掉”此前的飞行时间误差,以保证后续步骤按预定时间计划执行,即停下来纠偏。对于有对接段测控可见等时间约束的交会方案来说,这一调整能力是非常重要的。
通俗地说就是阳光晃眼时在停泊点等待,太阳转过去了再走。停泊点可以设置在空间站的后方,也可以在其前方。从后向停泊点继续接近空间站,需要略降轨,追近后再升轨、停泊。从前向接近则是先升轨,等待空间站靠近后再降轨停泊,正反向分别重复这一过程,直至进入平移靠拢阶段。
交会有自动与手动两种模式。整个交会飞行建立于轨道计算的基础上。只有到了平移靠拢阶段,航天器的相对运动符合航天员的直接观察、位姿感觉以及操控习惯,“人在回路”即人在控制过程中的参与才能实现。事实上,为了确保安全,即便在这一阶段,Kaiyun中国官方入口正常情况下工程也会利用自动控制系统保持飞行器的基本姿态,航天员只需在此基础上进行平移控制和姿态调整。
但手动,也就是人控交会模式的一大优势是控制精度好,这源自人眼精准的立体视觉和人脑-手指精细的操控能力——航天员经过训练后,可以达到极高的观测和控制精度。在早期的交会对接技术验证时代,受限于当时测量敏感器、控制计算机等设备的技术水平,自控不如人控精度高。苏联曾经在试验新型对接机构时,专门以人控方式完成最后的交会对接操作,以获得更优的控制精度。
当代的自动控制精度足够高且稳定,Kaiyun中国官方入口但人控仍然作为一种冗余手段保留了下来。这是因为机器无法替代人在现场的临机处置能力。两个飞行器非常接近时若发生异常,地面干预的实时性比不上现场的航天员,并且航天员可以进行综合情况的判断和处置,更有利于保证安全。正是基于这一优势,联盟T-13航天员靠手控操作实现了与失控的礼炮-7空间站交会对接,进而维修恢复了空间站。
2021年6月17日,神舟十二号载人飞船与天和核心舱形成组合体,交会对接全程时长从过去我国载人飞船通常需要的两天左右缩短至6.5h。
交会过程快,就是要在尽可能少的飞行圈次内,在很少的几个轨道特征点上完成所需的交会变轨。因此,规划的变轨次数少、轨控之间的间隔短,才能有效缩短交会时间,这又对其他条件提出了要求。
实时轨控规划与计算精准。在北斗全球导航系统提供实时精准测定轨的前提下,要么飞船的船载计算机运算能力足够高,能够自主进行规划和轨控;要么地面注入轨控参数时段宽裕,注入时刻不构成约束。
轨控精度足够高,不会产生新的偏差项,且偏差足够小,不超过规划的调整能力。因此,快速交会的实现是由空间站(合作目标)、运载火箭、飞船(追踪飞行器)、地面、导航与中继卫星等构成的大系统整体能力提升与协同保障的结果。
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