【原】為何神舟14對(duì)接需要6.5小時(shí)？聯(lián)盟號(hào)對(duì)接國際空間站：只需3.5小時(shí)

神舟十四號(hào)飛船于2022年6月5日10點(diǎn)44分07秒在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，二十多分鐘后進(jìn)入預(yù)定軌道，6.5小時(shí)后，神十四飛船將以自主快速交會(huì)對(duì)接模式將對(duì)接于天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙對(duì)接口，天宮核心艙將迎來了第三批航天員。

自主快速交會(huì)對(duì)接：6.5小時(shí)，究竟是怎樣的技術(shù)？

在大家的印象中，交會(huì)對(duì)接總是需要兩天，比如我國的神舟八號(hào)與載人航天工程發(fā)射第一個(gè)目標(biāo)飛行器對(duì)接，2011年11月1日神舟八號(hào)飛船發(fā)射升空進(jìn)入預(yù)定軌道，11月3日與天宮一號(hào)完成對(duì)接，前后用了2天時(shí)間。

不過在2017年這個(gè)時(shí)間被縮短到了一天以內(nèi)，2017年4月20日19時(shí)41分35秒，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船從文昌航天發(fā)射場升空，4月22日中午12時(shí)16分天舟一號(hào)與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行首次無人交會(huì)對(duì)接，為其補(bǔ)充了燃料。

真正實(shí)現(xiàn)首次快速交會(huì)對(duì)接任務(wù)的是天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船，2021年5月29日20時(shí)55分從中國文昌航天發(fā)射場用長征七號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并于5月30日5時(shí)01分與天和核心艙完成首次自主快速交會(huì)對(duì)接。

快速交會(huì)對(duì)接：到底有什么區(qū)別？

快速對(duì)接和普通的對(duì)接其實(shí)在本質(zhì)上沒有差別，但為什么前者只需要2天，而后者則只需要6-7個(gè)小時(shí)呢？原因很簡單，因?yàn)榭焖俳粫?huì)對(duì)接選擇了一條更精確的軌跡。

航天器要在太空對(duì)接，首先必須要滿足一個(gè)要求就是共軌飛行，也就是兩個(gè)飛行器軌跡幾乎要一模一樣！這似乎并不難，當(dāng)航天器快要經(jīng)過頭頂時(shí)開始發(fā)射，然后剛好對(duì)接就是了，不是這樣嗎?

其實(shí)理解一點(diǎn)都沒錯(cuò)，但問題來了，天宮空間站軌道高度為389.4 x 395千米 x 41.58°，軌道周期為92.2分鐘，每天繞地球約為15.61822圈，它并不是一個(gè)整數(shù)，所以想要它重復(fù)經(jīng)過某個(gè)星下點(diǎn)，大約需要25~26天才能重復(fù)到這個(gè)星下點(diǎn)。

也就是說如果需要既省燃料，又快速的話大約需要快一個(gè)月才會(huì)有一次發(fā)射窗口，而且由于發(fā)射場的緯度不一樣，天宮空間站緯度41.58°，而酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心緯度為40°，發(fā)射后的飛船需要變軌，因此正常情況下就是飛船發(fā)射后慢慢調(diào)整軌道，與空間站靠攏對(duì)接，這就是正常操作模式下的對(duì)接，時(shí)間一般都是1-2天。

快速對(duì)接有兩個(gè)前提條件，一個(gè)是火箭發(fā)射的入軌精度更高，另一個(gè)則是調(diào)整空間站的軌道，使其能夠滿足慢速對(duì)接的要求，比如5月10日發(fā)射天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船之前的9日下午就進(jìn)行了一次調(diào)相機(jī)動(dòng)：

調(diào)整后遠(yuǎn)地點(diǎn)高度降低近2公里，這是為天舟四號(hào)對(duì)接做好準(zhǔn)備！CSS軌道參數(shù)：：376.320 km × 392.280 km × 41.471，5月9日的兩行式軌道參數(shù)為：

這不僅是“打開”發(fā)射窗口，也是為了快速交匯對(duì)接準(zhǔn)備的。而且根據(jù)這個(gè)參數(shù)與火箭參數(shù)以及發(fā)射場的地理位置，可以計(jì)算出發(fā)射窗口，時(shí)間可以精確到秒級(jí)：

當(dāng)時(shí)預(yù)測發(fā)射時(shí)間為：5月10日01:56:54(±10s)，起飛時(shí)的相位差約-3.32°，那么實(shí)際發(fā)射時(shí)間是什么時(shí)候呢？而實(shí)際發(fā)射時(shí)間則為北京時(shí)間（UTC時(shí)間+8）：17:56:37s，只相差了17秒。

自主快速交會(huì)對(duì)接：又是什么技術(shù)？

以上是準(zhǔn)備好了快速對(duì)接的一切準(zhǔn)備，但對(duì)接仍然需要人工操控！估計(jì)很多朋友都看過俄羅斯電影《太空救援》中宇航員駕駛“聯(lián)盟T-13號(hào)”飛船對(duì)接上“禮炮七號(hào)”空間站那驚現(xiàn)的一幕，然而自主快速交會(huì)對(duì)接，基本就不需要人工干預(yù)。

所謂自主交會(huì)對(duì)接就是在無地面測控站的參與下靠航天器本身的測控系統(tǒng)完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)。這種技術(shù)既可用于無人飛行任務(wù),也可以用于有人飛行任務(wù)。

航天器在空間實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接的過程，實(shí)質(zhì)是精確測量與控制的過程。其實(shí)現(xiàn)是由航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)（Guidance, Navigation and Control, GNC）提供，GNC的主要任務(wù)是高精度測量航天器之間的相對(duì)位置、相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)，以及完成航天器姿態(tài)、軌道的高精度控制。由此可見，導(dǎo)航與控制是交會(huì)對(duì)接成功與否的關(guān)鍵

所以能實(shí)現(xiàn)自主快速交會(huì)對(duì)接的關(guān)鍵是航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的發(fā)展，從天舟二號(hào)、神舟十二號(hào)、天舟三號(hào)、神舟十三號(hào)、天舟四號(hào)與神舟十四號(hào)都采用了自主快速對(duì)接模式，這表示我國的航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

聯(lián)盟號(hào)對(duì)接國際空間站：只需3.5小時(shí)，為何我國還要6.5小時(shí)？

2022年6月3日17:32(拜克努爾時(shí)間09:25)，俄羅斯航天局用“聯(lián)盟2.1a”火箭在拜克努爾31/6工位將“Progress MS-20”貨運(yùn)飛船（第81次國際空間站補(bǔ)給任務(wù)，ISS-81P）送入了軌道。

Progress MS-20號(hào)為國際空間站送去了約2.5噸貨物，本次計(jì)劃繞2圈約3小時(shí)31分后于21：03與星辰號(hào)（Zvezda）服務(wù)艙軸向后端對(duì)接口對(duì)接并駐留173天。屆時(shí)將會(huì)出現(xiàn)3艘載人飛船（載人龍Crew-24、聯(lián)盟MS-21和神舟十四號(hào)）、5艘貨運(yùn)飛船（天舟3號(hào)、天舟4號(hào)、進(jìn)步MS-19、進(jìn)步MS-20、貨運(yùn)龍CRS-24）同時(shí)在軌的盛況。

聯(lián)盟號(hào)3.5小時(shí)對(duì)接，為何神舟飛船還要6.5小時(shí)

2020年10月14日，“聯(lián)盟MS-17”載人飛船曾創(chuàng)造了3小時(shí)零3分的世界最快交會(huì)對(duì)接紀(jì)錄，這個(gè)速度實(shí)在讓大家咋舌，是不是太快了？但事實(shí)上快速對(duì)接曾是航天界的標(biāo)配，后來因?yàn)榉N種原因放棄了快速對(duì)接，轉(zhuǎn)而使用1-2天的常規(guī)對(duì)接方式，到最后又撿回來快速對(duì)接，而且還發(fā)展出了一種超快速對(duì)接的歷程，簡直就是一部航天史。

最快速對(duì)接：只需46分鐘

無人飛船的快速交會(huì)對(duì)接記錄是前蘇聯(lián)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(jìn)行快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，宇宙-213飛船在發(fā)射后46分鐘就實(shí)現(xiàn)了對(duì)接。

有人飛船的快速對(duì)接的記錄則是美國人創(chuàng)造的，1966年9月12日，美國雙子星-11號(hào)飛船發(fā)射后僅用94分鐘就和阿金納上面級(jí)進(jìn)行了對(duì)接，這一載人快速交會(huì)對(duì)接的時(shí)間記錄保持至今。

此后前蘇聯(lián)在禮炮空間站的建設(shè)和維護(hù)階段，載人飛船從發(fā)射到對(duì)接的時(shí)間一般都在12-15小時(shí)左右，美國也不甘落后，在天空實(shí)驗(yàn)室-2和天空實(shí)驗(yàn)室-4號(hào)兩次任務(wù)中，阿波羅飛船分別在發(fā)射后約8小時(shí)26分和約7小時(shí)54分和天空實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)接。

快速對(duì)接幾乎成了標(biāo)配：為何又回到“標(biāo)準(zhǔn)”地接模式？

快速對(duì)接顯然降低了宇航員在飛船中等待1-2天的尷尬情況，但為了快速對(duì)接付出的代價(jià)同樣也是巨大的：

• 1、對(duì)入軌精度控制要求很高：一旦入軌誤差比較大，反而需要更多的燃料來控制彌補(bǔ)對(duì)接；

• 2、發(fā)射窗口受到限制：要求飛船和空間站相位角偏差小，提高了軌道調(diào)整和交會(huì)策略的設(shè)計(jì)難度；

• 3、對(duì)火箭、飛船以及空間站的整體可靠性提出了更高的要求；

除了對(duì)硬件設(shè)備更高要求以外，其實(shí)對(duì)人體適應(yīng)能力也是一個(gè)考驗(yàn)，人體在失重狀態(tài)下出現(xiàn)惡心嘔吐和出冷汗以及頭暈和感覺錯(cuò)位的比例是比較高的，最嚴(yán)重的是入軌后8~12小時(shí)，一般在30~48小時(shí)后能減輕消退，因此就人體適應(yīng)性而言，快速交會(huì)對(duì)接也有些不適應(yīng)。

付出巨大的代價(jià)換來的是幾個(gè)小時(shí)的改善，所以在1980年代后期，美蘇紛紛采用了“標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)接模式，從和平號(hào)空間站任務(wù)開始，前蘇聯(lián)使用“慢速”交會(huì)對(duì)接模式，從發(fā)射到對(duì)接需要約50小時(shí)，而美國航天飛機(jī)任務(wù)以及其后的貨運(yùn)飛船同樣是慢速交會(huì)對(duì)接。

當(dāng)然隨著技術(shù)的進(jìn)步以及訓(xùn)練的改善，這些問題均已經(jīng)不再明顯，因此在2010年時(shí)，俄羅斯又將快速對(duì)接給撿了回來，顯然在所有條件都適應(yīng)的情況下，快速對(duì)接顯然能更快速完成任務(wù)，畢竟在飛船狹小的空間內(nèi)讓宇航員待上48小時(shí)，簡直就是受罪，而且未來的太空旅游，游客很難接受這種煎熬一般的旅程。

超快速對(duì)接

此前我們已經(jīng)了解了快速交會(huì)對(duì)接，但早期的時(shí)間甚至可以控制在發(fā)射后46分鐘之內(nèi)，目前最快速對(duì)接是在2小時(shí)左右，和快速對(duì)接本質(zhì)上其實(shí)并沒有什么不同，無非就是精度要求更高。

2022年3月27日，“天舟二號(hào)”飛船撤離空間站，在下行之前利用推進(jìn)劑余量進(jìn)行了快速交會(huì)試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)瞄準(zhǔn)的是“天和”核心艙前向端口，完成交會(huì)后隨即轉(zhuǎn)入下行程序。這次對(duì)接，如果是全程模擬只需2小時(shí)，時(shí)間減少了2/3以上。

為了區(qū)別于之前的6.5小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接，可以將這次“天舟二號(hào)”進(jìn)行的2小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接模式稱為“超快速”交會(huì)對(duì)接（或稱2小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接）。

簡單地說我們并非沒有這樣的技術(shù)，只是在適應(yīng)新對(duì)接上可以有多種選擇，畢竟上世紀(jì)六十年代就能達(dá)到的超快速對(duì)接，到現(xiàn)在沒有理由無法實(shí)現(xiàn)，但在很多時(shí)候并不時(shí)為了對(duì)比時(shí)間，而是安全、高效以及經(jīng)濟(jì)性的綜合妥協(xié)結(jié)果。