細說人類載人航天的“快速交會對接”史

+ 張雪松

細說人類載人航天的“快速交會對接”史

+ 張雪松

9月12日23時58分，是一個振奮人心的時刻，中國的天舟一號貨運飛船順利完成了與天宮二號空間實驗室的自主快速交會對接試驗。這是中國載人航天工程空間實驗室飛行任務圓滿成功后組織實施的系列拓展試驗項目之一，旨在驗證貨運飛船的快速交會對接能力，進一步發揮任務的綜合效益，為中國空間站工程后續研制建設奠定更加堅實的技術基礎。

本次“天舟一號”與“天宮二號”從對接機構接觸，到完成對接試驗，整個過程歷時約6.5小時。后續“天舟一號”還將視情開展第三次、也是離軌前最后一次推進劑在軌補加試驗。

而9月13日在拜科努爾發射場發射的俄羅斯聯盟FG型運載火箭，將聯盟MS06載人飛船送入太空，發射后約6小時，這艘飛船采用快速對接模式于同國際空間站對接，順利將航天員送入空間站。

24小時內兩次快速對接，就讓我們趁熱打鐵，來聊聊飛船的自主快速交會對接的那些事……

快速對接歷史長

快速交會對接之前只有俄羅斯的進步號貨運飛船和聯盟號載人飛船使用，美國、歐空局和日本的貨運飛船，以及我國的神舟載人飛船的交會時間都較長。不過快速交會對接并非21世紀出現的新生事物，在美蘇航天競賽的火熱年代里，快速交會對接曾屢見不鮮。

1966年9月12日，美國雙子星-11號飛船發射后僅用94分鐘就和阿金納上面級進行了對接，這一載人快速交會對接的時間記錄保持至今。前蘇聯1968年10月26日的聯盟-3號載人飛船飛行第一圈就和聯盟-2號無人飛船自動交會到200米距離上，遺憾的是手動對接連續失敗，沒能打破美國載人飛船的快速交會對接記錄，不過要說交會的話，聯盟-3號其實已經創造了新紀錄。

雙子星11飛船UTC14時42分發射，16時16分對接成功，用時僅為94分鐘

蘇聯在禮炮空間站階段，載人飛船從發射到對接的時間一般都在12-15小時左右

無人飛船的快速交會對接記錄，則是前蘇聯人創造的，1968年4月15日宇宙-213和前一天發射的宇宙-212飛船進行快速交會對接試驗，宇宙-213飛船在發射后46分鐘就實現了對接。

前蘇聯人雖然輸掉載人登月競賽，但載人空間站發展上獨樹一幟。鮮為人知的是，從禮炮一號空間站任務開始，前蘇聯基本都使用快速交會對接模式，其中除了聯盟-31和聯盟T-13號這兩次交會對接時間大約50小時外，其他任務基本是發射后12到15小時就完成對接，按現在的標準也都算得上快速對接了。

天空實驗室-3任務中，阿波羅飛船對接天空實驗室用時8個半小時，時間和現在的快速對接任務相似

美國在空間站任務中也使用了快速對接飛行模式，而且和現在俄國使用的快速交會對接更接近，天空實驗室-3和天空實驗室-4號兩次任務中，阿波羅飛船分別在發射后約8小時26分和約7小時54分和天空實驗室完成對接，即使是第一次任務天空實驗室-2，阿波羅飛船發射到對接天空實驗室的時間約20小時56分，仍然相對較短。

不夸張的說，載人航天初期快速對接才是常態，慢騰騰的花費兩天時間才對接，反而是比較罕見的事情。

快速交會對接的低谷

快速交會對接模式在載人航天發展初期曾風行一時，但不久后卻偃旗息鼓。從和平號空間站任務開始，前蘇聯使用“慢速”交會對接模式，從發射到對接需要約50小時，而美國航天飛機任務以及其后的貨運飛船同樣是慢速交會對接，中國的神舟載人飛船也不免俗。到底發生了什么事情，讓快速交會對接退出航天舞臺呢？

首先要考慮的是這項技術的實現難度。快速交會對接的任務時間短，尤其是現在俄羅斯的快速交會對接一般只進行4圈飛行就完成，這對運載火箭和飛船的入軌和控制精度要求更高，一旦控制失誤出現較大的軌道偏差，需要消耗更多的推進劑來彌補；

另外，快速交會對接意味著飛船和空間站的相位角小得多，這對發射窗口帶來了更多的限制，提高了軌道調整和交會策略的設計難度；快速交會對接不僅要求飛船可靠性高，還需要測控具備快速定軌能力，保證軌道調整的速度和精度。簡而言之，就是快速交會對接要求比兩天時間的慢速交會對接高多了，如果沒有足夠迫切的需求，何必舍易就難呢？

雖然技術上難度高一些，但是載人航天初期就能實現并且長期應用的快速交會對接模式，又怎么會高不可攀呢？快速交會對接曾經偃旗息鼓，更重要的原因恰恰是當時環境下認為弊大于利。運動病最嚴重的時候恰恰是發射后8-12小時。

飛船和空間站的交會對接如果需要手動控制或是以手動作為備份，那么發射兩天后對接是更合適的選擇，這時航天員運動病消退，不會影響手動交會對接的準確度，如果采用全自動交會對接模式并對自動設備有信心，那么快速交會對接更好一些。

前蘇聯在和平號空間站后也改用兩天的慢速交會對接模式，直到2012年8月1日進步M-16M飛船任務，才首次重新測試快速交會對接模式。

蘇聯航天員格爾曼·季托夫是第二個上太空的人，他身上最早出現航天運動病的癥狀，這一適應性病癥也是選擇慢速對接的重要原因

聯盟號飛船內部空間太小，2天的慢速對接對專業航天員都是一種煎熬，何況太空游客呢

說到這里我們不得不提一下著名的航天運動病，這是快速對接最大的攔路虎。航天員進入太空處于失重環境后，約1/3的比例的人會出現航天運動病，表現在航天員出現惡心嘔吐和出冷汗等身體不適的癥狀，有的也會出現頭暈以及感覺錯位等錯覺。航天運動病快的發射后一個小時內就發病，癥狀消退一般在30-48小時后，徹底適應一般要5-7天，

快速交會對接的復興

發射兩天后對接的慢速交會對接模式，降低了對地面測控速度以及飛船控制精度的要求，盡量減輕了航天運動病帶來的消極影響，不過慢速對接遠不是完美的選擇。

以聯盟號載人飛船為例，返回艙自由活動空間只有0.5立方米，航天員在這樣狹小的船艙內生活約50個小時，舒適性實在太差了，即使各國載人航天任務是政府出錢官方選拔，航天員大半來自軍隊尤其是飛行員，航天員仍然對此苦不堪言。航天軌道旅游出現后，讓那些出資幾千萬美元上天的富翁們在狹小的空間內蝸居，更是有些強人所難。

隨著航天測控能力和自動對接系統可靠性的提高，快速交會對接在技術的難度已經大大降低了，而新的需求又出現了，于是快速交會對接模式重回航天舞臺。

快速對接方式飛船一般4圈/6.5小時即可對接到目標飛行器

俄羅斯先使用進步號貨運飛船進行了快速交會對接的飛行試驗，隨后使用聯盟號載人飛船進行試驗，現在快速交會對接已經成為聯盟號飛船的首選飛行模式，俄羅斯的快速交會對接一般是4圈/6.5小時飛行時間。

快速交會對接好處不少，從體驗上說最主要的是縮短了航天員在狹小的船艙內的等待時間，相比約50小時的漫長等待，6個多小時的時間就要輕松多了，航天員早點進入更寬敞舒適的空間站艙段，對于緩解航天運動病的影響也是有好處的。

快速交會對接還有利于保證航天員生命安全，載人飛船在太空中獨立飛行時間越長，越可能遇到各種不可預測的風險，尤其是軌道上的空間碎片。發射到對接的時間縮短到6個多小時，發生意外的可能性就降低了，相當于提高了安全系數。

快速交會對接還有一個好處，由于飛行變軌次數少而精確，快速交會模式下飛船消耗的推進劑更少，據說聯盟號飛船使用快速交會對接模式后節省了約25千克的推進劑，這相當于增強了飛船機動能力和變軌的余量。

最后，載人和貨運飛船的快速交會對接模式還有一個立竿見影的好處，由于獨立飛行的時間縮短了，可以把時間敏感性的載荷和物資及時運送到空間站上，這對上行運輸保存時間短的生物材料是十分重要的。

天舟的快速交會對接

天舟一號作為我國第一艘貨運飛船，最主要的任務是完成推進劑在軌補加驗證。天舟一號飛船于今年4月20日晚發射入軌，順利執行了交會對接、推進劑在軌加注、繞飛對接等任務。6月21日天舟一號與天宮二號分離，目前獨立飛行于高度約390公里的近圓軌道上，繼續開展空間應用和航天技術等領域的多項實（試）驗。

快速交會對接過程中最主要的難度是天舟一號飛船要快速變軌在4圈飛行中飛近天宮二號空間實驗室。

試驗開始前，地面科技人員對“天舟一號”先后實施了4次軌道控制，保證“天舟一號”與“天宮二號”快速交會試驗的初始軌道條件，完成了相關試驗準備。

9月12日17時24分，地面判發指令，控制“天舟一號”轉入自主快速交會對接模式，分遠距離自主導引和近距離自主控制兩個階段實施。在遠距離自主導引段，“天舟一號”自主導引至遠距離導引終點；在近距離自主控制段，“天舟一號”在“天宮二號”的配合下，利用交會對接相關導航設備，完成與“天宮二號”交會。