从神舟飞船的太空华尔兹,浅聊航天飞船的发射与对接

扶摇寰宇杂谈 2022-08-18 15:52:49

我们都知道在2021年10月16日北京时间00:23,神舟13号载人飞船成功从甘肃酒泉卫星发射中心起飞,翟志刚、王亚平、叶光复三名宇航员将开始了为期六个月的太空出差生活。2022年6月5日10时44分,神州14号载人飞船从酒泉发射升空,第三批航天员陈董、刘洋、蔡旭哲同样也是开始了6个月的长期太空驻留生活。

神舟飞船发射的时间点如此精确,可谓是精心挑选的良辰吉日。为什么在火箭发射时间上如此煞费苦心?发射时机如何确定?又与哪些因素有关?神舟12号在轨三个月,出舱活动两次,而神舟13号在轨时间长达六个月,神舟14号目前还在任务当中。

发射窗口

发射窗口是航天器发射时选择的发射时机,也就是允许航天器发射的时间范围。航天器发射窗口的确定需要考虑航天器的运行轨道、工作条件、天体运行条件、空间碎片规避、地面跟踪测控、通信和气象要求等因素。

发射窗口一般有三种类型:一、年级窗口,二、月级窗口,三、日级窗口。就是以年级、月级、日级计算的发射窗口时间。

通常行星探测任务用到年级窗口,比如说发射天问一号,每26个月也就是两年多才有一次发射机会。月级窗口一般用到行星和月球探测任务,比如说嫦娥一号到五号月球探测器基本都是在月初或月末发射。日级窗口顾名思义表示以X日X时刻至X时刻能发射,适用于卫星、飞船和空间站等航天器的发射。

发射卫星只要运行轨道倾角、气象条件允许即可,一般发射窗口时间较长,基本在几个小时左右。但是对于载人航天器神舟13号来说则大为不同。

载人航天器需要同时满足飞船正常工作条件和航天员的安全及救生要求,它的发射窗口时间更为精确。

神舟的发射时机如何确定,又与哪些因素有关?发射窗口的确定是火箭发射前的重要工作,在发射窗口中选择发射时机也是很重要的。

主要影响因素包括以下几个方面:第一,我们要考虑火箭发射气象条件的影响,天气预报情况对火箭发射时机的选择至关重要。

第二,要确认火箭、飞船、发射场、测控等系统满足发射条件,然后才能确定发射时段。

第三,还要考虑地面跟踪测量系统的工作条件,比如发射场光学测量设备的能见度、太阳角度、远洋测量船工作海域的天气情况、海浪情况等多种条件。

第四,发射场、着陆场对航天员搜救的要求,如发射时机要有利于救生的准备、落点的预报和搜索,着陆场不能有大风、沙尘、雷电等恶劣天气等。

飞船对接

飞船与空间站的对接方式一共有三种,它们分别式微向对接、径向对接、Z向对接。最常见的是微向对接,也就是两个航天器处于同一个轨道高度,一个在前,一个在后,然后后面的追上前面的实现对接。

我们知道空间是三维的,有上下、左右、前后六个维度。微向对接只需要保证在前后方向上速度几乎一致即可对接,所以实现技术上相对要简单一些也最常用。这项对接也需要两个航天器保持相同的高度和速度,但和微向对接不同的是飞船和空间站不是头尾相接,也不是尾头相接,而是飞船追上空间站后,飞到空间站的左右两侧进行交汇对接。

微向对接方式中两个航天器还处在同一个轨道上,但径向对接则不同,飞船的轨道高度要低于空间站的轨道,然后逐渐飞到空间站下方和空间站保持相对静止的运动状态,在这种情况下逐渐上升和空间站进行对接。

我们看似风轻云淡的一句径向停靠空间站,这其中的技术领先世界,飞船要在27.6万公里的时速下对准80厘米的交接口,相当于两个物体要在每秒7.68公里的速度下对接,并且两个物体的轨道还不相同。

这一改变使对接的难度增大了不少,神州13号飞到空间站下方后,要与它保持相对静止是很难的,因为轨道不同,所需要保持的速度也不同,还要保持相对静止就非常困难了。但这还不是最难的,在保持相对静止的同时,飞船还要逐渐调整自己的轨道高度去和空间站对接,每次轨道高度的微小变化飞船速度都要做出相应调整。

并且神舟13号要对准的对接口通道只有区区80厘米,难度堪比万里穿针。径向对接这项技术的难度相当大,在此之前并没有任何先例,没有飞船在太空中真的验证过这项技术。在径向对接过程中飞船直立后对地面的通信变为由空间站作为基站,通过空间站与飞行器间的空间通信链路,再经过中继星与地面建立通信联系,这样可以实现在径向交汇对接过程中飞船与地面之间不间断通信。神舟13号成功跳出了高难度的太空华尔兹。

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