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前所未有的高难度,神舟十三号与天和核心舱对接,为何将创造历史

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10月16日,托举着神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭在酒泉卫星发射中心点火升空。飞行乘组由航天员翟志刚、王亚平和叶光富组成,翟志刚担任指令长。女航天员王亚平将首次进驻中国空间站,也将成为中国首位实施出舱活动的女航天员,他们也将在空间站驻留长达6个月。


而此次神舟十三号飞船入轨后,采取自主快速交会对接的方式把3名航天员送入空间站天和核心舱,不过这次神舟十三号,在和天和核心舱对接的时候也创造中国航天的历史,因为此处对接是前所未有的高难度。


很多网友就很好奇,神舟十二号不是已经和天和核心舱对接过吗?为什么这次还是前所未有的高难度。

天和核心舱对接口

我们要知道,天和核心舱长16.6米,主要用于空间站的控制和管理,具备长期自主飞行能力,能支持航天员长期驻留,还能支持开展航天医学和空间科学实验。

核心舱由大柱段+小柱段+资源舱+节点舱+后端通道构成,容积达到了50立方米。节点舱有出舱口、3个对接口和2个停泊口。小柱段主要为航天员居住的地方,可支持3名航天员长期在轨驻留。


而3个对接口分别是前向对接口、后向对接口以及径向对接口,其中后向对接口主要用于货运飞船对接,因此通常情况下留给载人飞船的就是前向对接口与径向对接口。

而空间交会就是其中两个航天器,其中之一通常是一个空间站,同时到达轨道和方法非常近的距离(例如内视觉接触)。然后两个航天器的轨道速度和位置矢量精确匹配,通过轨道站保持使它们保持恒定距离。会合之间进行对接或靠泊,使航天器进行物理接触并在它们之间建立联系。


其中神舟十二号正是通过前向对接口与核心舱对接,而前向对接和后向对接在200米的保持点是一个稳定的保持点,即使飞船发动机不开机,也是能够保持稳定的。

神舟十三号尝试径向交会对接

而此次神舟十三号尝试的是径向交会对接,神舟十三号要以垂直的方式、径向的方式,垂直向上,从下面和组合体来进行交会对接。这项技术的难度非常大,由于径向对接口与空间站质心不在一条连线上,如果直接对接,较大的撞击能量会形成更大的偏转力矩,除此之外,飞船从核心舱下方接近,在轨道高度上就有一个偏差。由于轨道高度的偏差,不同高度的速度也不一样,在径向对接的接近过程中,除了有速度位置的改变外,还要去控制速度方向上的角度。所以整个对接过程是高动态的。

简单理解来说就是,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,除了要保持相对静止,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。


美国国际空间站在进行径向交会对接的时候,也曾多次翻车过。


所以这就要求我们在进行径向交会对接的时候,需要连续的轨道控制,不断调整姿态,要保证在姿态机动的过程中,敏感器信息不丢失。这种方式与水平交会对接相比,保持姿态测量难度要大一点,研发人员通过提高动态情况下敏感器的测量精度和稳定性来解决这一难题。

除此之外,还需要通过“质量配平”来保持对接时受力均匀,大概意思就是舱体布局重量相当。一般情况下,这很难依靠已有的设备实现“完全配平”,需要额外的“配重”来达到平衡。


这也是为什么天舟二号在神舟十二号完成任务之后,从后向对接口来到了前向对接口的原因,除了给天舟三号挪位置,还有就是“质量配平”,配合核心舱的控制力矩陀螺与姿控动力系统,从而实现在神舟十三号飞船直接径向对接工况下的组合体姿态稳定。

总结

其中神舟十二号在返回地球前也尝试过径向交会对接,目的就是为了在神舟十二号返回地球前,验证径向交会的关键技术,而神舟十三号的难度会更大,因为长征2F遥十三火箭发射入轨后,随即进入自主快速交会对接模式,6.5小时对接于天和核心舱节点舱面向地球一侧的径向对接口,随后航天员打开轨道舱与节点舱舱门进入天和核心舱。整个过程要一气呵成,不能出现半点差错。


神舟十三号进行径向对接,是在为问天实验舱和梦天实验舱做好技术验证,问天实验舱和梦天实验舱都有专门的转位机构保障径向对接,难度相比神舟十三号会有所降低。

而等到神舟十四号发射的时候,天舟三号货运飞船也要挪位置到前对接口,履行和天舟二号一样的使命,而天舟二号则会坠入太空销毁。


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