Young望星空 追星逐梦

不知不觉中，时光的脚步已经来到2023年的门前。回首刚刚度过的三百多个昼夜，仿佛是一个个台阶，每一步都记录着中国航天的发展。在元旦佳节即将到来之际，我们为广大读者准备了科学时光趴第9季“Young望星空 追星逐梦”科普跨年活动，请大家和我们一起，进行一场激动人心的追星逐梦之旅吧！

审稿专家：赵良玉

北京理工大学宇航学院飞控系副教授

2022年11月30日，神舟十五号乘组与神舟十四号乘组在太空顺利“会师”，实现了6名航天员同时在轨的新突破，完成了中国航天员首次“太空换班”。

神十四 神十五乘组太空合影 来源｜CCTV

航天员们在太空中生活工作的一切所需都是从地球运输到空间站，那么，每次的“太空快递”货运飞船是如何准确找到空间站的地址，送货上门的呢？

这项技术称为航天器交会对接技术，它是将两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连接成一个整体的技术。它是实现地球与空间站之间往返运输、多模块空间站组装以及未来登月活动的重要技术支撑。

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摸清轨道规律

大部分航天器（卫星、空间站等）都围绕地球、沿着固定的轨道飞行，轨道类型有圆轨道、椭圆轨道等。我们的空间站飞行轨道为圆轨道，围绕地球做近似匀速圆周运动。想要让航天器成功对接，就需要了解轨道运行的规律，这是找到航天器“地址”的基础。

空间站在距离地球约400km的轨道飞行，1.5小时就能绕地球一圈，而地球同步轨道卫星的飞行高度大约为36000km。在地球引力作用下，飞行轨道离地球越近，航天器绕地球一圈所用的时间越短；在同一个圆轨道上的航天器，它们的相对速度会保持为零。

航天器轨道来源丨新华社

航天器运行轨道所在的平面，称为轨道平面。在这个平面上，航天器想要改变运行轨道半径的大小，通过增加或减小速度即可。若轨道平面不相同，轨道交叉的两个航天器的速度数值可能相同，但因为速度还具有方向性，因此这两个航天器若相遇就会“撞车”。若想避免，必须消耗很大的能量改变其中一个航天器的速度方向。因此，为了更好更省力地进行交会对接，往往会让两个航天器在同一轨道面内相遇。

轨道面相交的两飞行器相对速度关系示意来源丨人民资讯

摸清了这些轨道运行规律，科学家们就能计算出交会对接最佳的轨道停泊点，“地址”就基本确定下来啦！

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航天器如何找到对方？有了“地址”，如何才能顺利地把“快递”发过去呢？

首先，是要将航天器发射升空。当航天器在地表时，它的速度和地球旋转的速度是相同的；当它升空后，需要修正这个偏差才能顺利与空间站对接。为了减少能量消耗，要对空间站轨道进行精确测定和预测，确定航天器的理论发射时刻，这叫做“零宽度时间窗口”，也称为“零窗口”或“点窗口”。

11月29日23时08分，神舟十五号载人飞船顺利升空来源丨央视新闻

接着，就是要将航天器送入和空间站相同的轨道平面，且位置往往在空间站的后下方，这个位置叫做停泊点。

神舟九号与天宫一号交会对接停泊点设置 来源丨CCTV

然后，航天器会按照计算好的变轨方案逐渐改变自身姿态和轨道高度，更好地接近空间站，这个过程的时间有长有短，而且会因为变轨需要“停停走走”。当距离较远时，可以通过地面站和导航系统对航天器和空间站的轨道进行测定和预测，让航天器去“追踪”空间站。当距离足够近时，空间站和航天器可以相互“感应”了，那么航天器上的雷达或光学测量设备等就开始发挥作用，可以精确测量出二者的相对速度和位置。这个阶段的测量精度极高，往往由航天器计算机自主计算，也能提高实时处理能力。

神舟八号与天宫一号交会对接轨道控制示意图 来源丨新华社

当二者距离在100—200米时，就到达了最后的平移靠拢阶段，有手动和自动两种模式。这个时候它们的轨道偏差已经极小，但还需要进行最后的方向及姿态调整，以确保二者位置、角度、姿态和相对速度等均一致。为什么会保留手动模式呢？因为人眼的直接观察有时候更加符合航天员的操作习惯，而且如果机器故障，也需要航天员手动操作进行处理。

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怎样才能顺利对接“收货”？

当两个航天器与空间站交会，下一步就是对接了。此时，航天器相对于空间站的横向位置、速度、三轴姿态、角速度都几乎同步，只有轴向飞行方向还保持一定的速度。此时，交会精度越高越好，而容差范围则越大越好，这样更有利于成功对接。

以中国空间站的关键舱天和核心舱为例，其他舱段或航天器会连结在它的节点舱上。节点舱有4个对接口和一个出舱口。4个对接口中有2个用来停泊实验舱，另外两个用来对接航天器。

节点舱来源丨CCTV

对接主要分为三步。

1. 接触、接纳和几何位置校正。

虽然航天器和空间站都修正了姿态，但是依旧有细微的偏差。这个环节就像让每一个螺丝对正每一个螺孔，当位置校正好，捕获机构会“抓紧”对方，保证不再脱离。

2. 缓冲并消耗碰撞能量。

即使航天器和空间站的相对速度接近零，但依旧会产生冲击力，需要配置缓冲或耗能装置，减缓、消耗或吸收这股能量。

神舟八号飞船的缓冲阻尼系统来源丨新华社

3. 机械连接。

在航天器与空间站彻底靠拢之后，需要通过机械锁连结在一起。对载人的空间站来说，它不仅要保证连接的强度和承载能力，还要保证空间的密封性，能够让航天员顺利往来。一般情况下，空间站会装配金属密封面，航天器会装配橡胶密封圈。

当然，有些航天器还有返回地球的需要，因此，这个锁要能锁也能开。在机械锁的某些特殊位置还安装了火工品，以便在发生故障时“炸开”连结。

交会对接是时间和空间强耦合的复杂工程设计，是一项立足于轨道规律和航天技术发展起来的重要太空技术，是人类向月球乃至深空探索的技术保障。未来，交会对接技术一定会有更多发展，以满足人类探索太空的不同需求。