給中國(guó)空間站拍張“全家福”

李蒙

近日，中國(guó)空間站首次獲得高清“全家福”。通過這張“全家福”，空間站的每一個(gè)部分都可以一覽無(wú)余。此前，我們只能通過安裝在空間站外部的高清攝像機(jī)，拍攝空間站的局部照片，或是通過與空間站交會(huì)對(duì)接的飛船的艙外攝像機(jī)，獲得比較模糊的空間站全景。你一定很好奇，這張高清“全家福”是怎么拍攝的呢？

要開門見山告訴大家的是，這幾張照片是由航天員使用手持相機(jī)拍攝的。2023年10月31日，在中國(guó)空間站“出差”5個(gè)月的3名航天員，乘坐神舟十六號(hào)載人飛船返回地球家園。空間站的高清“全家福”，便是在神舟十六號(hào)載人飛船返回過程中，航天員通過飛船返回艙的舷窗拍攝的。

然而，想要清晰地捕捉空間站的全景，并非只是按下快門這般簡(jiǎn)單。

首先，需要讓神舟十六號(hào)載人飛船（以下簡(jiǎn)稱“飛船”）飛到合適的位置。要拍攝空間站，最好的視角是在其上方，這個(gè)視角能夠更好地展示空間站的全貌。不過，要到這里并不容易——與空間站分離后，飛船位于空間站的下方，需要通過軌道控制從空間站上方掠過。這個(gè)動(dòng)作利用了飛船的一個(gè)絕活——繞飛，即飛船環(huán)繞空間站的飛行。

飛船與空間站徑向分離后，先從下方200米的停泊點(diǎn)繞飛至空間站前方停泊點(diǎn)，再?gòu)那胺酵２袋c(diǎn)繞飛至后方停泊點(diǎn)。而拍攝的時(shí)機(jī)，就選擇在從空間站前方向后方繞飛的過程當(dāng)中。

繞飛充分利用了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性。考慮到地球引力的作用，兩個(gè)飛行器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系是通過一組非線性方程進(jìn)行描述的，方程形式復(fù)雜，不能直接用來(lái)分析二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律；然而，當(dāng)兩個(gè)飛行器運(yùn)行在圓軌道上，它們之間的相對(duì)距離遠(yuǎn)小于它們與地心的距離時(shí)，描述二者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程就可以得到線性化的簡(jiǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)飛行器相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析及控制。基于線性化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程，通過發(fā)動(dòng)機(jī)施加特定的速度增量，就可以控制飛船沿著期望的橢圓軌跡繞空間站運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)繞飛。

除了尋找合適的拍攝位置，飛船還需要找到合適的角度。

根據(jù)上文我們可以知道，拍攝過程中使用了飛船返回艙的舷窗。以飛船的正常飛行姿態(tài)看去，舷窗分布在返回艙的左右兩側(cè)。所以，飛船如果以正常飛行姿態(tài)飛躍空間站的上方，航天員就無(wú)法從舷窗中看到空間站。因此，飛船必須進(jìn)行一個(gè)滾動(dòng)姿態(tài)調(diào)整，讓舷窗變成一上一下，這樣，航天員就可以使用下方的舷窗拍攝空間站了。滾動(dòng)調(diào)姿則是通過安裝在飛船推進(jìn)艙上的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

此外，整個(gè)繞飛過程中，為了精確控制飛船和空間站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，必須保持兩個(gè)飛行器間的通信，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)位置和速度的測(cè)量。由于相對(duì)測(cè)量敏感器布置在飛船的軌道艙前端，繞飛時(shí)需盡可能地讓飛船的頭部朝向空間站。

為了保障拍攝順利進(jìn)行，飛船僅有軌跡和姿態(tài)的控制是不夠的，還需要滿足其他幾個(gè)約束條件：第一，測(cè)控約束——繞飛的關(guān)鍵弧段需要位于中繼衛(wèi)星測(cè)控區(qū)內(nèi)，便于地面對(duì)飛船進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和控制；第二，光照約束——拍攝過程要在光照區(qū)內(nèi)進(jìn)行，光照角度也要精心設(shè)計(jì)，確保照片具有完美的光照條件；第三，安全距離約束——“道路千萬(wàn)條，安全第一條”，為了確保航天員安全，繞飛全程飛船不能進(jìn)入空間站禁飛區(qū)。

為了獲得完美的高清“全家福”照片，飛船的每一個(gè)動(dòng)作，都離不開設(shè)計(jì)人員和飛控人員的精心策劃、精確設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)實(shí)施。空間站清晰的輪廓背后，不僅有蔚藍(lán)的星球，也有無(wú)數(shù)航天人對(duì)浩瀚星河的守候。

在繞飛過程中，雖然飛船會(huì)出現(xiàn)相對(duì)于空間站向后運(yùn)動(dòng)的情況，但飛船相對(duì)于地球而言始終是向前飛行的（即絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向向前）。當(dāng)飛船的頭部與飛船的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，就被稱為倒飛，反之則為正飛。

（責(zé)任編輯 / 代竹蕊? ? 美術(shù)編輯 / 周游）