比美國龍飛船快4倍!神舟12號對接天宮,僅需6.5小時,先進在哪?

科技     2021年06月20日

距離發射才過去6.5個小時,神舟12號飛船就已經成功與天和號核心艙交會對接完畢!

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反觀2021年4月23日美國發射的奮進號載人龍飛船(馬斯克SpaceX研製),花了一天,才成功對接上國際空間站,我們的速度和效率比他們快上近4倍。

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龍飛船對接空間站

什麼是交會對接

簡單來說就是兩個太空飛行器在太空中連接到一起,構成一個整體的技術。

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其中在兩個太空飛行器相互靠近的過程叫做交會,當靠近至一定程度時,就要準備對接了,通過特殊機構連接為一個整體,當然也可以看出,這兩個過程實際上是連貫的。

雖然聽著簡單,但由於太空環境不比地球,太空飛行器的高速移動、軌道變換時機,太空飛行器之間運行軌道所在平面的不同、動力系統的運作,以及整個過程的自主性和安全性都有極其嚴格的要求,所以這非常考驗一個國家航天實力如何。

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而且交會對接作為載人航天活動的三大基本技能之一(三個技能分別為:載人天地往返、航天員出艙活動、交會對接),就以我們的天宮空間站為例,比如這次神舟12號飛船要送三位航天員進入,那麼就必須要通過交會對接技術實現。

而再往後,空間站的後續建設甚至是空間站建成之後,整個流程中涉及到的:貨物補給,科學儀器的裝配、空間艙的裝配、航天員輪換等等,甚至是意外情況下的營救,都時刻考驗著交會對接技術水平的高低。

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因而至今為止,世界上掌握交會對接技術的國家也不過中美俄日歐而已,而且這幾個國家的水平還不盡相同,其中以中美俄排在前列,畢竟他們都有能力和技術建設自己的空間站嘛。

交會對接有哪些階段

我們以兩個太空飛行器的交會對接為例,其中一個稱為目標太空飛行器,另一個稱為追蹤太空飛行器,其中目標太空飛行器就比如說我們這次的天和號核心艙,而追蹤太空飛行器就是神舟十二號。

那麼整個交會對接過程可以大致分為三個階段,分別為:發射變軌、調試逼近、對接合併

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簡單來講,首先發射變軌就是指追蹤太空飛行器從地表發射至太空,由於直接飛向目標太空飛行器過於困難(因為要考慮到兩個太空飛行器所在平面的不同,高度的不同,飛行速度以及角度的不同等等),所以發射之後首先要進入一個低軌道,然後逐步變軌到目標太空飛行器的軌道附近。

而變軌都是採用霍曼變軌原理,也就是從一個軌道到另一個軌道,中途只需要進行兩次加速即可。

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以去火星的霍曼轉移軌道為例

同時在整個變軌飛行的過程中,需要涉及遠程和近程導引,畢竟目標和追蹤太空飛行器都是處於時刻運動過程中,想要讓二者聚到同一空間點上,導引是不可或缺的。

最後當兩個太空飛行器所在位置都比較靠近了,這時候就要開始調試逼近了,簡單來講,就是通過動力系統使得兩個太空飛行器的相對速度要逼近於零,並且同時還要讓空間相隔距離與此同步,也即是最後要能剛好達到零距離。

應用到此次神舟12號與天和號核心艙的對接流程上來,就是:神舟12號來到天和號後下方附近,然後繞飛到正前方,之後就是對接合併,形成一個整體。

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幾種控制類型?我們的先進之處

簡單來講,交會對接可分為人工控制和自動控制兩種,而我們的神舟12號飛船則屬於自動控制,如果更加細分的話,則屬於自主快速交會對接。

其中「自主」體現為:全程不需要人工干預

「快速」則體現在:整個從發射到對接只需要耗時六個半小時左右(6小時快速對接模式)。

而支撐這一技術的就是因為我們首先應用了一個被稱為「基於絕對定位數據的快速交會對接自主導航與制導」的方案,在北斗衛星導航系統提供了定位數據前提下,可以實現在全階段無需人工干預的目標。

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其次還有一個技術就是三維實時可視化技術的應用,雖然在全程自主無干預這個技術上我們有信心,但防患未然的措施仍舊需要保留,而這個「三維實時可視化技術」就為我們地面進行全程監控提供了支撐。

簡單來講,在整個交會對接過程中,飛船每秒鐘傳回地面的數據足足有8個G,按照以往,想要轉換這些數據,要耗費一定時長,做不到同步直播的要求。

而現在這個新技術就能讓在地面接收到飛船信息後的0.1毫秒內做出反應,將飛船時刻的動態全部顯示在大螢幕上。

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示意圖

也就是說飛船每時每刻的動作都可以做到同步直播的效果,這讓地面人員在飛船遇到突髮狀況時有了挽救的餘地。

6.5小時是最快交會對接的速度嗎?

說實話,6.5小時在我們普通大眾的眼中看來,已經是快到不可思議的程度了,畢竟從偌大個地球,往太空發射飛船,最後還要與另一個太空飛行器,在一個點上進行對接,稱之為「萬里穿針」一點都不過分。

但實際上,與空間站進行交會對接的最快記錄是3小時23分,由2021年4月9日俄羅斯發射的聯盟MS-18載人飛船創造(與國際空間站對接)。因為它採用的對接模式是:3小時超快速對接模式。

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MS-18 logo

但有一點值得注意,雖然聯盟MS-18飛船要比我們快了近三個小時,但由於其在遠程導引階段沒有脫離地面的人工干預,因此從技術層面上來講,我們的自主對接技術更勝一籌。

至於為什麼還落後三小時,這是因為除了技術層面,飛船發射時,與目標太空飛行器的時空關係如何,也是一個相當重要的影響因素,再加上俄羅斯從蘇聯時期沉積下來豐厚的技術和實踐經驗,能夠做到3小時超快速對接,沒有問題。

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總結

在交會對接後,用不了多久,三位航天員就能進入天和號核心艙啦!

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這也意味著天宮終於迎來了第一批「居民」,對於三位航天員來講,三個月的太空生活終於開始了,在此期間內,他們將完成艙外維修維護、設備更換、科學應用載荷等等太空任務,祝他們一帆風順!