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▲進(jìn)步MS-09飛船
今年7月10日俄羅斯發(fā)射了進(jìn)步MS-09號(hào)貨運(yùn)飛船,進(jìn)步號(hào)飛船成功進(jìn)行了一次快速交會(huì)對接,耗時(shí)3小時(shí)40分,又一次刷新了時(shí)間記錄。然而如果我們的目光從2012年進(jìn)步M-16M號(hào)飛船的首次快速交會(huì)對接試驗(yàn)向前看,就會(huì)赫然發(fā)現(xiàn)快速對接技術(shù)并不是新鮮事物,它屬于典型的老樹開新花。
2012年8月1日俄羅斯進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船首次進(jìn)行快速交會(huì)對接試驗(yàn),此后又有兩艘進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船快速對接成功后,俄羅斯才開始試驗(yàn)聯(lián)盟號(hào)載人飛船的快速交會(huì)對接,到現(xiàn)在快速對接已經(jīng)輕車熟路。航天迷們或許會(huì)問:快速對接明明是21世紀(jì)的新鮮事物啊,你怎么說老樹開新花呢?其實(shí)我們視線放遠(yuǎn)一些,冷戰(zhàn)時(shí)期美蘇對快速對接都并不陌生。
蘇聯(lián)早在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了大量快速交會(huì)對接的嘗試,現(xiàn)在的3小時(shí)40分鐘和那時(shí)相比還真不算什么。1968年4月15日蘇聯(lián)發(fā)射宇宙213號(hào)(無人版聯(lián)盟號(hào))飛船,僅僅46分鐘后就和前一天發(fā)射的宇宙-212號(hào)飛船自動(dòng)對接成功!無人版飛船不怕死人,這個(gè)46分鐘的快速交會(huì)對接記錄無人打破,但載人飛船的快速對接時(shí)間記錄也比現(xiàn)在的快速對接時(shí)間記錄短得多。1966年9月12日美國的雙子座11號(hào)飛船發(fā)射后,僅僅過了94分鐘就和阿金納上面級(jí)對接成功。
蘇聯(lián)曾試圖沖擊美國雙子座11號(hào)的快速對接時(shí)間記錄,不過聯(lián)盟3號(hào)對接聯(lián)盟2號(hào)飛船失敗,聯(lián)盟4號(hào)和5號(hào)首次載人飛船對接成功,但用了一天多的時(shí)間,而且后來又出現(xiàn)對接失敗。蘇聯(lián)載人航天對接技術(shù)成熟,已經(jīng)是禮炮號(hào)空間站的時(shí)代了。聯(lián)盟號(hào)飛船基本使用快速對接模式和禮炮號(hào)空間站交會(huì)對接,禮炮號(hào)時(shí)代的30多次載人發(fā)射中除了聯(lián)盟31號(hào)和聯(lián)盟T13號(hào)交會(huì)對接時(shí)間為大約兩天,其他的都在發(fā)射后13小時(shí)左右對接成功。蘇聯(lián)使用快速對接美國也沒有保守落后,天空實(shí)驗(yàn)室的三次任務(wù)中,除了第一次耗時(shí)大約21小時(shí)外,后兩次發(fā)射到對接時(shí)間只有約8個(gè)小時(shí)和8個(gè)半小時(shí),很接近現(xiàn)在4圈/6小時(shí)的快速對接模式了。
然而,快速交會(huì)對接也遇到了攔路虎,其中一個(gè)重要挑戰(zhàn)就是空間運(yùn)動(dòng)病,它是太空失重環(huán)境引發(fā)的前庭器官功能紊亂癥。前庭器官負(fù)責(zé)感知人體尤其是頭部在空間的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),當(dāng)人體速度變化過快或是振動(dòng)過于劇烈,就會(huì)引起人體不適感,暈船暈車都與此有關(guān),太空失重環(huán)境下很容易產(chǎn)生航天運(yùn)動(dòng)癥,大約1/3到1/2的航天員得過空間運(yùn)動(dòng)病,表現(xiàn)出面色蒼白、出冷汗、頭暈、惡心和嘔吐等典型癥狀,有些還會(huì)產(chǎn)生漂浮感和頭倒位的錯(cuò)覺。航天員得空間運(yùn)動(dòng)癥的時(shí)間和程度各自不同,最快只需要一個(gè)小時(shí)就發(fā)病,消退一般是兩天后,而發(fā)作最嚴(yán)重的時(shí)候是發(fā)射后8~12小時(shí)。雖然過幾天航天員就適應(yīng)了失重環(huán)境,但發(fā)病時(shí)他們不能有效地進(jìn)行工作和操作,這時(shí)候你讓他怎么手動(dòng)對接空間站?另外,快速對接對飛船軌道測定和控制精度要求更高,還縮短和減少了飛船的發(fā)射窗口,這些因素導(dǎo)致快速對接模式后來失寵了。
▲聯(lián)盟飛船與國際空間站對接示意圖
美蘇在冷戰(zhàn)時(shí)期都嘗試并長期使用一天左右的快速對接模式,但兩者的交會(huì)對接還是有很大不同的。蘇聯(lián)交會(huì)對接以自動(dòng)模式為主,而美國主要使用手動(dòng)對接。具體地說,蘇聯(lián)實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)對接,航天員可以只當(dāng)一個(gè)乘客;而美國遠(yuǎn)距離自動(dòng)接近,近距離和最后的對接是手動(dòng)方式,需要航天員的參與。
蘇聯(lián)的交會(huì)對接系統(tǒng)不受航天運(yùn)動(dòng)癥的影響,但快速對接模式給測控系統(tǒng)帶來更大的壓力,蘇聯(lián)在和平號(hào)空間站時(shí)代開始采用2天左右(50小時(shí))的交會(huì)對接飛行模式。美國從航天飛機(jī)時(shí)代開始,交會(huì)對接空間站也是典型的慢速交會(huì)對接模式,2011年美國航天飛機(jī)徹底退役,但新一代的貨運(yùn)飛船如貨運(yùn)龍式飛船和天鵝座飛船,仍將使用2天左右的慢速對接模式。自2012年以來,時(shí)隔26年后俄羅斯再次試驗(yàn)并應(yīng)用快速對接模式,目前已經(jīng)成為發(fā)射對接的主要方式。美國下一代的載人龍式飛船和星際客機(jī)載人飛船,也都將使用自動(dòng)對接和快速對接模式。
俄美再掀快速對接潮流,中國也沒有落后。我國現(xiàn)有的載人飛船使用50小時(shí)左右的慢速交會(huì)對接模式,但去年發(fā)射的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船試驗(yàn)了6.5小時(shí)的快速交會(huì)對接;未來天宮號(hào)空間站投入運(yùn)行后,天舟貨運(yùn)飛船和神舟載人飛船都將使用快速交會(huì)對接模式。簡而言之,中美俄都采用了自動(dòng)交會(huì)對接技術(shù),未來飛船發(fā)射任務(wù)將以快速交會(huì)對接為主,快速對接模式在沉寂了1/4個(gè)世紀(jì)后終于迎來了復(fù)興。
快速對接模式的復(fù)興絕非偶然,這種螺旋狀的發(fā)展是現(xiàn)實(shí)需求驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。美蘇冷戰(zhàn)初期航天員是軍人出身,嚴(yán)格訓(xùn)練適應(yīng)飛船天經(jīng)地義,后來美國有了寬敞的航天飛機(jī),居住舒適不在乎對接晚一天多的問題。俄羅斯的情況就不一樣了,進(jìn)入21世紀(jì)后俄羅斯推出太空旅游服務(wù),商業(yè)市場上客戶是上帝,但上天對“上帝”可真不友好,聯(lián)盟號(hào)飛船體積很小,返回艙體積只有3.5立方米,這里面塞上3個(gè)大活人,再加上設(shè)備和運(yùn)上天的載荷,活動(dòng)空間只有0.5立方米,這實(shí)在是太擁擠了。想想三個(gè)人窩在一輛雙座車內(nèi)還要生活兩天,這簡直是個(gè)折磨!受過訓(xùn)練的航天員對此都叫苦不迭,更別說拿出幾千萬美元的富豪了。
▲聯(lián)盟號(hào)飛船內(nèi)景,可以看出內(nèi)部空間非常擁擠
▲美國雙子座11號(hào)飛船
俄羅斯航天專家表示,他們早就開始考慮這個(gè)問題,那些商業(yè)太空游客的反饋,尤其是安薩里這樣的女性太空游客的抱怨,是他們決定重啟快速對接飛行模式的重要原因。俄羅斯專家們一致認(rèn)為,如果能進(jìn)行快速對接,那就應(yīng)該去做!聯(lián)盟號(hào)飛船自身空間狹小,但內(nèi)部空間更大的美國新一代飛船也將選用快速對接模式,這是因?yàn)檩d人飛船的慢速對接模式始終存在一些缺陷:飛船使用單自由度的太陽能電池翼,在飛行過程中飛船會(huì)繞軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn),保持太陽翼恒定指向太陽,獲得充沛的電能供應(yīng),這樣的機(jī)動(dòng)讓航天員很不舒服??焖賹幽J斤w行時(shí)間短,也降低了飛行中遇到意外的可能,尤其是遭遇軌道碎片的話,飛船里的航天員真是入地?zé)o門,而進(jìn)入空間站的航天員隨時(shí)可以轉(zhuǎn)入救生飛船逃離,提高了載人飛行的安全系數(shù)。此外,快速對接模式所需機(jī)動(dòng)次數(shù)少,還減少了飛船燃料消耗,變相增加了飛船的可用機(jī)動(dòng)能力。最后,快速對接模式還縮短了從地面到空間站的時(shí)間,可以將急需的物資送到空間站,這對運(yùn)輸保存時(shí)間短的生物試驗(yàn)材料十分有利,航天員也能借機(jī)吃上最新鮮的水果蔬菜了。
總而言之,50小時(shí)的慢速對接避免了航天運(yùn)動(dòng)癥的影響,但現(xiàn)在美俄載人飛船使用自動(dòng)對接方式,無需擔(dān)心航天運(yùn)動(dòng)癥影響對接,航天員長時(shí)間呆在密封擁擠的環(huán)境中,卻是令人難以忍受的,加上快速對接模式的其他優(yōu)勢,俄羅斯重啟美國也跟進(jìn)采用快速對接模式,是合乎情理的選擇。
▲美國的雙子座11號(hào)飛船發(fā)射后,僅僅過了94分鐘就和阿金納上面級(jí)對接成功
▲天舟貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室對接模擬圖
半個(gè)世紀(jì)前的冷戰(zhàn)時(shí)期,美蘇就嘗試和使用了快速對接模式,從技術(shù)上說快速對接模式并沒有不可逾越的技術(shù)障礙,但快速對接仍然對載人航天活動(dòng)提出了更高的技術(shù)要求,這些資源的消耗可能是美蘇后來放棄快速對接的重要原因。
快速對接模式對發(fā)射窗口要求高得多。以前常用的2-3天交會(huì)對接模式中,載人飛船和空間站的初始相位角可達(dá)270度,同時(shí)即使飛船發(fā)射時(shí)間略有延遲影響也不大,增強(qiáng)了發(fā)射和對接的魯棒性。快速對接模式正好截然相反,6小時(shí)以內(nèi)的快速對接模式下,初始相位角僅為30度,這對選擇發(fā)射窗口帶來了不小的限制,加上兼顧地面測控支持、軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)策略等考慮,對發(fā)射窗口選擇和交會(huì)策略設(shè)計(jì)都帶來了更大的挑戰(zhàn)。一般地說,針對國際空間站的發(fā)射任務(wù),普通慢速對接下每天都有一個(gè)發(fā)射窗口,而快速對接模式下3天才有一個(gè)發(fā)射窗口。
快速對接模式對火箭和飛船的可靠性要求也很高??焖賹訒r(shí)間從傳統(tǒng)慢速對接的2天以上縮短到6小時(shí)甚至更短,由于整個(gè)任務(wù)時(shí)間只有原來的1/8甚至更短,任務(wù)的各個(gè)時(shí)序動(dòng)作緊密排列,而且不能出現(xiàn)疏漏。簡單地說,不僅飛船發(fā)射窗口少而窄,而且飛船軌道機(jī)動(dòng)也難以容忍出現(xiàn)故障,比如俄羅斯的進(jìn)步M-19M號(hào)貨運(yùn)飛船,它發(fā)射后導(dǎo)航天線出現(xiàn)故障,只好退回傳統(tǒng)的慢速對接模式。
快速對接模式更大的挑戰(zhàn)在于軌道測控。傳統(tǒng)慢速對接模式下,至少需要5次變軌調(diào)相,相鄰兩次變軌時(shí)地面測控系統(tǒng)進(jìn)行變軌前后的軌道測定,一般每次軌道測定需要2~3圈軌道,再制定相應(yīng)的變軌策略和指令參數(shù)??焖賹幽J较?,調(diào)相機(jī)動(dòng)被壓縮到2~3圈內(nèi),一圈就要進(jìn)行兩次軌道機(jī)動(dòng),這要求地面測控網(wǎng)具備快速精確定軌能力,利用一圈飛行中的一段軌道快速確定飛船軌道參數(shù),為飛船變軌機(jī)動(dòng)策略提供可靠的保證。
與此同時(shí),快速對接模式還對運(yùn)載火箭入軌和飛船軌道機(jī)動(dòng)提出了更高的精度要求。如果飛船入軌的相位角散布太大,相位調(diào)整窗口會(huì)大幅縮水甚至無法實(shí)現(xiàn)快速對接,至于軌道機(jī)動(dòng)的精度要求就更好理解了:如果軌道機(jī)動(dòng)控制出現(xiàn)較大偏差,不僅徒耗燃料還要花費(fèi)更多的燃料進(jìn)行機(jī)動(dòng)糾正。我國去年天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)行了首次快速交會(huì)對接試驗(yàn),專家就表示這堪比針尖對麥芒,需要超遠(yuǎn)程的精確控制能力。
雖然快速對接技術(shù)并非新鮮事物,但為了提高航天員的舒適性,快速對接模式重新得到專家們的青睞。目前除了俄羅斯的進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船和聯(lián)盟號(hào)飛船,未來中國的貨運(yùn)和載人飛船,以及美國的載人飛船都將使用快速對接模式,它已經(jīng)成為載人航天的新潮流。