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天舟三号飞船7小时对接空间站,俄罗斯4小时,美国竟需要2天?

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2021年9月20日下午3点10分,长征7号火箭托举着天舟三号货运飞船发射升空,夜里10点08分,天舟三号在距地面390公里高度与天宫空间站实现自主交会对接,自发射到对接成功总共不到7个小时,距飞船入轨仅6个半小时。


天和天舟三舱组合体

390公里的距离并不遥远,我们平时在高速公路上开车的速度通常是100公里/小时,不用4小时就能跑完390公里,更何况飞船的速度是7.7公里/秒,怎么说花了7个小时与空间站对接是件了不起的事情呢?

在过去相当长的时间里,货运飞船跟国际空间站的对接通常需要5天左右时间,即便是近几年来,美国的“天鹅座”飞船和SpaceX的“龙”货运飞船最短也得两天才能飞到空间站。由此可见,太空“送货”尽管看起来并不遥远,却也不是想快就能快的,因为飞船上天除了要有火箭助推,它也得遵循极复杂的轨道力学。


空间站机械臂抓住龙飞船再对接

我们知道,无论卫星、空间站或是飞船,所有航天器都需要以极快的速度绕着地球飞行,速度慢了就会掉下来,在大气层里化作一团熊熊燃烧的火球。这是因为航天器受到地球引力牵引,它有一个向下的重力势能,为了对抗这个重力势能,航天器必须绕着地球做离心运动,当平均速度达到7.68公里/秒时,才能保持在距离地面400公里的高度不掉下来。

中国的天宫空间站飞行的速度就是这么快,“快递小哥”如果要把货物送到“天宫”,它也必须达到7.68公里/秒才能追上空间站,并且与空间站保持步调一致。


天舟三号从空间站后向对接

天舟三号货运飞船带了约6吨货物,加上燃料,它的发射质量超过13吨。要想在7小时内把这么重的飞船从0加速到27600公里/小时的速度,并且抬升到390公里的高度,不仅需要一枚强大的火箭,更需要细如发丝的精确控制,比奥运会步枪比赛打10.9环难多了。

然而中国天舟三号并不是最快的,俄罗斯货运飞船曾创下3小时40分钟成功对接国际空间站的世界记录,此前6小时对接的记录同样由俄罗斯“进步-56”保持。

2018年7月9日21时51分(格林尼治时间),俄罗斯“进步-70”货运飞船由哈萨克斯坦拜科努尔航天中心发射升空,次日1时31分,飞船与国际空间站成功对接,为空间站带去了2.45吨的燃料、食品、水和其它给养。

2020年10月14日,俄罗斯“联盟MS-17”号载人飞船更是将从发射到对接的时间缩短到3小时03分,飞船只飞了两圈就与国际空间站成功对接,再一次刷新纪录。


俄罗斯“进步-70”号货运飞船

为什么要试验快速对接?货物早一点晚一点送到有区别吗?载人航天更注重安全、可靠,以及充分的冗余,不会“憋急了才去找厕所”。空间站物资尚有余量时,地面就会送去新的补充,因此大多数情况下,货运飞船早一天对接与晚几天靠泊问题不大。但是空间站主要用于科学实验,有一些实验用品(比如说生物实验样品)对时间有严格要求;另外在紧急情况下需要地面发射飞船提供物资,或撤离空间站上的人员,这时候快速对接技术就必不可少。

航天发射在安全性的基础上也要考虑经济性,长征七号运载火箭近地轨道推力是14吨级,天舟货运飞船每次发射质量也在13吨多,基本不会出现大马拉小车的情况。因为一次发射任务非常昂贵,货物的运送量都要精确到克。即便如此,运载火箭也不是一下子就把飞船送到空间站身边,长征七号火箭先把天舟三号送到近地点200公里、远地点342公里的椭圆轨道上,再由飞船上的推进发动机择机进行6次点火变轨,一点一点地靠近“天宫”。


天舟三号发射时与空间站的相对位置

为了实现快速对接,飞船发射窗口也非常重要。长征七号遥四火箭在点火发射的瞬间,中国空间站天和核心舱刚好运行到文昌发射中心上空附近,这样只要火箭飞行的方向与空间站保持一致、天舟三号的轨道面与空间站运行轨道面夹角最小,飞行过程中调姿所需要消耗的燃料更少,对接速度也就能更快。

天舟三号7小时的快速交会对接表明,中国运载火箭的可靠性与发射精度、货运飞船的轨道控制技术、北斗导航系统与天链系统对航天器的支持、地面与空间的轨道测控技术,以及航天器的自动化水平都达到了国际领先。从结果来看,只有俄罗斯在某些方面比我们强。


天舟三号与空间站对接画面

中俄能做到的事情,为什么美国做不到?照理说SpaceX的猎鹰9火箭比长征七号推力更大、龙飞船比天舟更轻带的货也更少,它应该可以做到更快,为什么货运龙需要近两天、龙-2载人飞船也要一天多才能靠泊空间站?

在航天领域,美国人向来不服输,做不到更好只能说明某些地方他们的能力不够。航天发射是一项综合工程,你有了大推力火箭还不够,需要做到各方面都没有短板才行。美国尝试过将对接时间缩短到6小时以内,但几次实验都是因某一两个环节出现问题,最后拖到了两天才对接。

延伸阅读:

天舟三号拉货7吨相当2艘货运龙飞船,有3项技术独享,却不搞回收

2021年中秋前夕,此前发射的神舟十二载人飞船按照预定计划返回,不光标志着时隔五年后神舟载人飞船航天任务的圆满完成,更代表了我国天宫空间站正式完成第一批次的载人航天驻轨任务取得胜利,按照预定计划下一艘载人飞船将在国庆节期间择机发射,而作为专职货运任务的天舟三号货运飞船,则已经迫不及待在9月20日下午15时许在海南文昌发射场成功发射。





不同于之前天舟二号装备的快速交会对接用了9个小时才完成了和天和号核心舱的交会对接任务,此次天舟三号则将快速交会对接系统升级为此前神舟十二载人飞船使用的第三代快速交会对接系统,其最大的优势就是从航天器入轨到完成交会对接用时更短,只需要6个多小时,不光相比天舟二号货运飞船的交会对接快速1/3,更是比美国货运龙飞船需要耗时两天的交会对接快了几十倍。





货运龙飞船最早是SpaceX应美国NASA需求研制的一款可以具备重复使用、回收的货运飞船,按照SpaceX掌门人马斯克的说法是就算是第一代的货运龙飞船无论是在最大起飞重量、载重量和多任务属性等方面都要比全球范围内的其他货运飞船强不少,但是事实并非如此。因为我国的天舟货运飞船才是当前全球范围内无论是载荷比还是载重量都是全球最强的货运飞船,特别是相比货运龙飞船,天舟货运飞船的优势主要体现在以下几点:

一、按照SpaceX的官方说法是,现阶段使用的第一代货运龙飞船最大起飞重量15吨,最大上行载重量高达6吨,最大下行重量也达到了5吨。但是这个载重量放在我们的天舟货运飞船面前还真的称不上老大,因为我们的天舟货运飞船虽然最大重量只有13.5吨,但是其最大上行载重量达到了6.8吨,是俄罗斯进步M货运飞船的3倍,SpaceX现役货运龙飞船的2倍,是全球范围内现役货运飞船中最高的,特别是其高达6.8吨的载重量中,就包括了4.69吨的各种物资和1.95吨的推进剂。



可能很多人会觉得我们的天舟最大载重量6.8吨,SpaceX的货运龙飞船最大载重6吨,相差并不大,为什么还说天舟的货运能力是货运龙的2倍之多呢?其实货运龙的6吨载重量只是官方说法,实际上货运龙发射20多次了最大载重量从没有超过4吨以上,主要是因为货运龙飞船直接省略了成本至少500万美元的整流罩,而且整个结构为了适应重复回收使用设计成了倒锥形,这就使得其内部装载空间根本无法和天舟这种专为运货而设计大货舱的货运飞船相比,当然为了增强货运龙飞船的载货能力,货运龙飞船在其返回舱下面的非加压舱也设计了载货能力,但是其只能装载一些用于安装的太阳能电池翼等部件,并不能运输包括航天员在轨所需的各种生活物资,所以结果就是光是在载货能力上,我们的天舟货运飞船一次运输物资可以保障三名航天员半年的生活需求,但是对于货运龙飞船而言,要想满足国际空间站上6个人的半年生活需求,半年时间内至少要发射、执行两次货运补给任务。





二、天舟货运飞船相比其他国家的货运飞船除了载货能力更强外,还有一点可以说是当前天舟货运飞船相比其他货运飞船最大的优势就是,全球范围内具备在轨燃料补加技术的除了俄罗斯的进步M货运飞船外,就只有我国的天舟货运飞船具备在轨燃料补加技术了。这项技术有什么优势呢?我们知道航天器绕地球飞行的时候,虽然其已经在距离地面几百千米以上的高度飞行,但是仍然会受到地心引力的影响使得轨道高度逐渐下降,所以不管是质量小很多的载人飞船或者卫星、还是体重更大的大型空间站都需要定期启动发动机进行轨道抬升和保持,所以不可避免的就需要定期的发射飞船对其实施燃料补加。国际空间站虽然已经在轨运行二十余年了,但是从正式运营开始,除了在2011年美国航天飞机退役前,航天飞机可以为其补充一定的燃料外,自2011年航天飞机全面退役后,整个国际空间站的轨道高度保持,除了需要定期使用载人飞船或者货运飞船利用自身发动机抬升轨道外,剩下的就只能依靠俄罗斯的进步M货运飞船为国际空间站补充燃料来保持轨道了。





所以对于我国的天舟货运飞船而言,其具备的在轨燃料补加技术不光可以降低货运飞船和载人飞船的发射次数,降低发射成本。更重要的是天舟飞船使用了我国独创的“增压气体回用+推进剂恒压挤压”和“推进/补加一体化设计”两项技术,使得其不光可以从天和号核心舱的尾部对接口进行燃料补加,也可以从前端的对接舱口进行燃料补加,而且一体化储箱技术也使得其用于飞船推进飞行的储箱容量和用于补加的储箱容量可以根据飞行任务需求灵活切换。作为对比美国的货运龙飞船就算是准备发射的第二代也不具备在轨燃料补加技术。



三、天舟货运飞船还有第三大优势就是全球性能第一的快速交会对接技术了,在今年上半年神舟十二载人飞船和美国载人龙飞船先后发射的时候,我们的神舟十二载人飞船使用了我国第二代快速交会对接系统,最大的优势就是从航天器发射入轨到成功对接只需要6个多小时,相比此前的天舟二号货运飞船需要长达9个小时的快速交会对接时间缩短了近三分之一。此次成功发射的天舟三号货运飞船也将其快速交会对接技术升级到最新的6个小时版本。





而我国的飞船能够在短短6个多小时内完成快速交会对接是因为其首次应用了“基于绝对定位数据的快速交会对接自主导航与制导方案”,并在远程导引段引入北斗卫星导航系统的空间位置数据支持,飞船入轨后至完成对接全程不需要人工干预。而美国现役的载人龙飞船和货运龙飞船从发射入轨到交会对接需要长达两天时间,而且在交会对接时需要靠空间站上的机械臂抓取完成对接。







当然货运龙飞船也有其他货运飞船不具备的优势就是其具备回收、重复使用的能力,特别是其具备下行重量达到3吨的载货能力,不仅使得其能够从空间站运输回一些高价值的重要物资,更重要的是其返回舱能够重复使用,极大的降低了使用成本。而且货运龙飞船的非加压舱处于开放式状态,可以运输一些体积非常大的货物,比如其今年上半年为国际空间站运输了一对全新的太阳能电池翼,而这种开发的的货运能力虽然我们的天舟货运飞船也有,但是还需要等到2024年前后才能看到。







至于我们的天舟货运飞船为什么不搞回收重复使用,其实原因很简单,SpaceX的货运龙飞船为了实现回收重复使用,货运返回舱内部的空间非常小,所以其最大重量虽然比天舟货运飞船高一些,但是其最大载重量却少得可怜,所以对于我国航天而言,当前天舟货运飞船最重要的任务就是为空间站运输更多的补给物资,所以追求载货率才是最重要的,至于返回回收其实并不重要,毕竟大部分货运飞船内部装满了废弃物品后都会掉入大气层烧毁。




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