+ 張雪松

細說人類載人航天的“快速交會對接”史

+ 張雪松

9月12日23時58分，是一個振奮人心的時刻，中國的天舟一號貨運飛船順利完成了與天宮二號空間實驗室的自主快速交會對接試驗。這是中國載人航天工程空間實驗室飛行任務(wù)圓滿成功后組織實施的系列拓展試驗項目之一，旨在驗證貨運飛船的快速交會對接能力，進一步發(fā)揮任務(wù)的綜合效益，為中國空間站工程后續(xù)研制建設(shè)奠定更加堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

本次“天舟一號”與“天宮二號”從對接機構(gòu)接觸，到完成對接試驗，整個過程歷時約6.5小時。后續(xù)“天舟一號”還將視情開展第三次、也是離軌前最后一次推進劑在軌補加試驗。

而9月13日在拜科努爾發(fā)射場發(fā)射的俄羅斯聯(lián)盟FG型運載火箭，將聯(lián)盟MS06載人飛船送入太空，發(fā)射后約6小時，這艘飛船采用快速對接模式于同國際空間站對接，順利將航天員送入空間站。

24小時內(nèi)兩次快速對接，就讓我們趁熱打鐵，來聊聊飛船的自主快速交會對接的那些事……

快速對接歷史長

快速交會對接之前只有俄羅斯的進步號貨運飛船和聯(lián)盟號載人飛船使用，美國、歐空局和日本的貨運飛船，以及我國的神舟載人飛船的交會時間都較長。不過快速交會對接并非21世紀(jì)出現(xiàn)的新生事物，在美蘇航天競賽的火熱年代里，快速交會對接曾屢見不鮮。

1966年9月12日，美國雙子星-11號飛船發(fā)射后僅用94分鐘就和阿金納上面級進行了對接，這一載人快速交會對接的時間記錄保持至今。前蘇聯(lián)1968年10月26日的聯(lián)盟-3號載人飛船飛行第一圈就和聯(lián)盟-2號無人飛船自動交會到200米距離上，遺憾的是手動對接連續(xù)失敗，沒能打破美國載人飛船的快速交會對接記錄，不過要說交會的話，聯(lián)盟-3號其實已經(jīng)創(chuàng)造了新紀(jì)錄。

雙子星11飛船UTC14時42分發(fā)射，16時16分對接成功，用時僅為94分鐘

蘇聯(lián)在禮炮空間站階段，載人飛船從發(fā)射到對接的時間一般都在12-15小時左右

無人飛船的快速交會對接記錄，則是前蘇聯(lián)人創(chuàng)造的，1968年4月15日宇宙-213和前一天發(fā)射的宇宙-212飛船進行快速交會對接試驗，宇宙-213飛船在發(fā)射后46分鐘就實現(xiàn)了對接。

前蘇聯(lián)人雖然輸?shù)糨d人登月競賽，但載人空間站發(fā)展上獨樹一幟。鮮為人知的是，從禮炮一號空間站任務(wù)開始，前蘇聯(lián)基本都使用快速交會對接模式，其中除了聯(lián)盟-31和聯(lián)盟T-13號這兩次交會對接時間大約50小時外，其他任務(wù)基本是發(fā)射后12到15小時就完成對接，按現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)也都算得上快速對接了。

天空實驗室-3任務(wù)中，阿波羅飛船對接天空實驗室用時8個半小時，時間和現(xiàn)在的快速對接任務(wù)相似

美國在空間站任務(wù)中也使用了快速對接飛行模式，而且和現(xiàn)在俄國使用的快速交會對接更接近，天空實驗室-3和天空實驗室-4號兩次任務(wù)中，阿波羅飛船分別在發(fā)射后約8小時26分和約7小時54分和天空實驗室完成對接，即使是第一次任務(wù)天空實驗室-2，阿波羅飛船發(fā)射到對接天空實驗室的時間約20小時56分，仍然相對較短。

不夸張的說，載人航天初期快速對接才是常態(tài)，慢騰騰的花費兩天時間才對接，反而是比較罕見的事情。

快速交會對接的低谷

快速交會對接模式在載人航天發(fā)展初期曾風(fēng)行一時，但不久后卻偃旗息鼓。從和平號空間站任務(wù)開始，前蘇聯(lián)使用“慢速”交會對接模式，從發(fā)射到對接需要約50小時，而美國航天飛機任務(wù)以及其后的貨運飛船同樣是慢速交會對接，中國的神舟載人飛船也不免俗。到底發(fā)生了什么事情，讓快速交會對接退出航天舞臺呢？

首先要考慮的是這項技術(shù)的實現(xiàn)難度?？焖俳粫拥娜蝿?wù)時間短，尤其是現(xiàn)在俄羅斯的快速交會對接一般只進行4圈飛行就完成，這對運載火箭和飛船的入軌和控制精度要求更高，一旦控制失誤出現(xiàn)較大的軌道偏差，需要消耗更多的推進劑來彌補；

另外，快速交會對接意味著飛船和空間站的相位角小得多，這對發(fā)射窗口帶來了更多的限制，提高了軌道調(diào)整和交會策略的設(shè)計難度；快速交會對接不僅要求飛船可靠性高，還需要測控具備快速定軌能力，保證軌道調(diào)整的速度和精度。簡而言之，就是快速交會對接要求比兩天時間的慢速交會對接高多了，如果沒有足夠迫切的需求，何必舍易就難呢？

雖然技術(shù)上難度高一些，但是載人航天初期就能實現(xiàn)并且長期應(yīng)用的快速交會對接模式，又怎么會高不可攀呢？快速交會對接曾經(jīng)偃旗息鼓，更重要的原因恰恰是當(dāng)時環(huán)境下認(rèn)為弊大于利。運動病最嚴(yán)重的時候恰恰是發(fā)射后8-12小時。

飛船和空間站的交會對接如果需要手動控制或是以手動作為備份，那么發(fā)射兩天后對接是更合適的選擇，這時航天員運動病消退，不會影響手動交會對接的準(zhǔn)確度，如果采用全自動交會對接模式并對自動設(shè)備有信心，那么快速交會對接更好一些。

前蘇聯(lián)在和平號空間站后也改用兩天的慢速交會對接模式，直到2012年8月1日進步M-16M飛船任務(wù)，才首次重新測試快速交會對接模式。

蘇聯(lián)航天員格爾曼·季托夫是第二個上太空的人，他身上最早出現(xiàn)航天運動病的癥狀，這一適應(yīng)性病癥也是選擇慢速對接的重要原因

聯(lián)盟號飛船內(nèi)部空間太小，2天的慢速對接對專業(yè)航天員都是一種煎熬，何況太空游客呢

說到這里我們不得不提一下著名的航天運動病，這是快速對接最大的攔路虎。航天員進入太空處于失重環(huán)境后，約1/3的比例的人會出現(xiàn)航天運動病，表現(xiàn)在航天員出現(xiàn)惡心嘔吐和出冷汗等身體不適的癥狀，有的也會出現(xiàn)頭暈以及感覺錯位等錯覺。航天運動病快的發(fā)射后一個小時內(nèi)就發(fā)病，癥狀消退一般在30-48小時后，徹底適應(yīng)一般要5-7天，

快速交會對接的復(fù)興

發(fā)射兩天后對接的慢速交會對接模式，降低了對地面測控速度以及飛船控制精度的要求，盡量減輕了航天運動病帶來的消極影響，不過慢速對接遠不是完美的選擇。

以聯(lián)盟號載人飛船為例，返回艙自由活動空間只有0.5立方米，航天員在這樣狹小的船艙內(nèi)生活約50個小時，舒適性實在太差了，即使各國載人航天任務(wù)是政府出錢官方選拔，航天員大半來自軍隊尤其是飛行員，航天員仍然對此苦不堪言。航天軌道旅游出現(xiàn)后，讓那些出資幾千萬美元上天的富翁們在狹小的空間內(nèi)蝸居，更是有些強人所難。

隨著航天測控能力和自動對接系統(tǒng)可靠性的提高，快速交會對接在技術(shù)的難度已經(jīng)大大降低了，而新的需求又出現(xiàn)了，于是快速交會對接模式重回航天舞臺。

快速對接方式飛船一般4圈/6.5小時即可對接到目標(biāo)飛行器

俄羅斯先使用進步號貨運飛船進行了快速交會對接的飛行試驗，隨后使用聯(lián)盟號載人飛船進行試驗，現(xiàn)在快速交會對接已經(jīng)成為聯(lián)盟號飛船的首選飛行模式，俄羅斯的快速交會對接一般是4圈/6.5小時飛行時間。

快速交會對接好處不少，從體驗上說最主要的是縮短了航天員在狹小的船艙內(nèi)的等待時間，相比約50小時的漫長等待，6個多小時的時間就要輕松多了，航天員早點進入更寬敞舒適的空間站艙段，對于緩解航天運動病的影響也是有好處的。

快速交會對接還有利于保證航天員生命安全，載人飛船在太空中獨立飛行時間越長，越可能遇到各種不可預(yù)測的風(fēng)險，尤其是軌道上的空間碎片。發(fā)射到對接的時間縮短到6個多小時，發(fā)生意外的可能性就降低了，相當(dāng)于提高了安全系數(shù)。

快速交會對接還有一個好處，由于飛行變軌次數(shù)少而精確，快速交會模式下飛船消耗的推進劑更少，據(jù)說聯(lián)盟號飛船使用快速交會對接模式后節(jié)省了約25千克的推進劑，這相當(dāng)于增強了飛船機動能力和變軌的余量。

最后，載人和貨運飛船的快速交會對接模式還有一個立竿見影的好處，由于獨立飛行的時間縮短了，可以把時間敏感性的載荷和物資及時運送到空間站上，這對上行運輸保存時間短的生物材料是十分重要的。

天舟的快速交會對接

天舟一號作為我國第一艘貨運飛船，最主要的任務(wù)是完成推進劑在軌補加驗證。天舟一號飛船于今年4月20日晚發(fā)射入軌，順利執(zhí)行了交會對接、推進劑在軌加注、繞飛對接等任務(wù)。6月21日天舟一號與天宮二號分離，目前獨立飛行于高度約390公里的近圓軌道上，繼續(xù)開展空間應(yīng)用和航天技術(shù)等領(lǐng)域的多項實（試）驗。

快速交會對接過程中最主要的難度是天舟一號飛船要快速變軌在4圈飛行中飛近天宮二號空間實驗室。

試驗開始前，地面科技人員對“天舟一號”先后實施了4次軌道控制，保證“天舟一號”與“天宮二號”快速交會試驗的初始軌道條件，完成了相關(guān)試驗準(zhǔn)備。

9月12日17時24分，地面判發(fā)指令，控制“天舟一號”轉(zhuǎn)入自主快速交會對接模式，分遠距離自主導(dǎo)引和近距離自主控制兩個階段實施。在遠距離自主導(dǎo)引段，“天舟一號”自主導(dǎo)引至遠距離導(dǎo)引終點；在近距離自主控制段，“天舟一號”在“天宮二號”的配合下，利用交會對接相關(guān)導(dǎo)航設(shè)備，完成與“天宮二號”交會。