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神舟十三号对接有多难?7.68km/s下对准80cm对接口,堪比万里穿针

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神舟十三号成功发射啦!

我国航天员翟志刚、王亚平和叶光富3名航天员搭乘着神舟十三号飞船,前往我国空间站,而他们3位也是我国空间站第二批住客,预计将会在我国空间站生活和工作长达6个月。


此次神舟十三号和空间站采用了一项高难度的“交会对接”技术:径向对接,在此之前,还未有任何航天器在太空中实现过这项技术。这项技术虽然难度很高,但对于空间站未来的建设起到了至关重要的作用。那么问题来了,径向对接技术到底是什么?它具体有什么用处呢?


径向对接

神舟十三号前往空间站后,需要和空间站交会对接,航天员才可以进入到空间站当中。因此,在这个过程中,飞船与空间站的空间对接技术就非常重要,一般有三种方式,它们分别是:V向对接径向对接Z向对接


要了解这个问题,我们首先要从飞船的飞行原理说起。这里其实用到的是牛顿万有引力的知识,我们就用牛顿曾经采用过的思想实验“牛顿大炮”来讲述。我们都知道,地面虽然看起来是纯平的,但是如果从足够大的尺度来看,地面其实是“弯曲”的,而且是向下弯曲,这是因为地球本身是个球体。如果这时候我们手上拿一颗炮弹,然后放手,炮弹垂直落到地面上,这是因为地球自身有个向下的引力作用。


如果用大炮来打炮弹,那么此时就会呈现一个抛物线,这是因为炮弹具有了一定的初速度。如果我们让炮弹的速度变快,那么就能够打跑一个水平距离更远的炮弹。


如果我们能够继续加快炮弹的初速度,使得炮弹向下的下坠程度恰好和地面向下弯曲的程度是一样的,那此时的炮弹就不会掉下去,而是持续绕着地球转。这个初速度对应的就是第一宇宙速度,它的数值是7.9公里/秒。


所以,运载火箭都要把飞船加速到第一宇宙速度,甚至更快的水平,如此才能够升空。

不过,同样是绕着地球转,不同的轨道高度,飞船的速度是不同的。飞船前往空间站进行交会对接,就会有许多不同的情况。最常见的是V向对接,说白了就是两个航天器处于同一个轨道高度,一个在前一个在后,然后后面的这个追上前面的,实现对接。


对应到飞船和空间站就是,空间站绕着轨道转,飞船逐渐飞到空间站的轨道上,然后追上空间站,和空间站交会对接。整个过程一般需要6个小时,飞船全程要飞20万公里的路程。要知道,空间是三维的,有上下左右前后六个维度,这个技术只需要保证在前后方向上速度几乎一致时对接即可,这好比就是一个“追及问题”。因此,技术上要相对简单一些,也最常用。神舟十二号在发射时,也采用了这个技术。


Z向对接和V向对接不同的是,飞船和空间站不是头尾相接,而是飞船追上空间站后,飞到空间站的左右两侧来进行交会对接。

不过,这次神舟十三号使用的是:径向对接。径向对接说白了径向对接是一个在上面,一个在下面,然后上下方向上逐渐交会对接,那这个技术难在哪里呢?


和V向对接不同,飞船并不会直接飞到和空间站一样的轨道高度上。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,然后和空间站保持相对静止的运动状态,在这样的情况下,逐渐上升和空间站进行对接。这听起来好像不太难?


实际上,要实现这个技术非常难。要知道,空间站是在高速运动,空间站最新的速度数据是7.68千米/秒,神舟十三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,所需要保持的速度就是不同的。这就好比是两个人在弯道上赛跑,还要一直保持在同一个水平线上,要知道两个人跑步的速度大概只有在10米/秒的量级,而两个航天器的速度要比人跑步快700多倍,还要保持相对静止就非常难了。

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,每次轨道高度的些许变化,速度都要做出相应调整。

我们还拿两个人在弯道赛跑为例,这就好比是一个人在第1赛道,另一个人在第8赛道,第1赛道上的人要一直保持和第8赛道上的人相对静止,同时第1赛道的人还要逐渐切换赛道,从第1赛道一直切换到第7赛道,然后两个人同时还要把一部仪器对接上。同样的,这是在比人类跑步快700多倍的速度上完成的,并且神舟十三号要对准的对接口,通道只有80cm,难度堪比万里穿针。


因此,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

为什么要采用“径向对接”?

我们都知道,神舟十三号发射之前,神舟十二号先行返回了地球,两个飞船并没有在空间站上完成交接工作。如果未来要进行航天员乘组的轮换,那就可以不需要一艘飞船先回来,而可以同时两个飞船都在和空间站对接时实现轮换,这样可以有效的提高我们进驻空间站的通道、手段以及利用率。


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