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神舟十三号径向对接,差点把空间站顶翻?俄罗斯人刚干了两次!

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2021年10月16日0时23分,长征二号F遥13火箭搭载神舟十三号载人飞船和翟志刚、王亚平、叶光富三名航天员从酒泉卫星发射中心成功发射,6点56分,飞船成功与中国天宫空间站实现自动交会对接。神舟十三号从发射到对接总共只用了6个半小时,比神舟十二号减少半小时,再一次刷新中国航天纪录。


神舟十三号与空间站交会对接

有细心的朋友留意到,在交会对接前,我们的天宫空间站是水平飞行姿态,但飞船对接后,空间站组合体却翘了起来,“肚皮”朝前,几乎直立着在轨道上飞行,像是架起了一尊“太空大炮”。这到底是怎么回事呢?


神舟飞船将空间站“顶翻”

神舟十二号、天舟二号、天舟三号以及以前多个航天器在太空交会对接时,大多采用“轴向对接”模式,也就是从正前方或者正后方,沿着目标航天器中轴线的方向跟它对接。在对接前,飞船跟空间站飞行的轨道完全重合,二者的质心(重心)也在同一轴线上。


天舟三号货运飞船轴向对接

但是在神舟十三号发射升空之前,空间站天和核心舱的前向端口已经被天舟二号货运飞船占据、后向端口上连接着天舟三号。轴向已经没有对接口了,神舟十三号只能选择从天和核心舱下方的对接口㨃上去,因为这是圆柱体直径方向,所以被称为“径向对接”模式。


神舟十三号载人飞船径向对接

有朋友问了,既然天舟三号货运飞船已经运了新的货物上去,天舟二号为什么还不丢掉?让它占一个口多不方便!

几千年来,咱们中国人讲究的是“物尽其用”,货运飞船虽说只是拿来运送物资,但中国航天人还是希望用它来做更多事情,发挥“余热”。

在空间站建设之初,咱们还有许多事情没有实际操作过。比如接下来“问天号”和“梦天号”的空中转位,就需要用空间站上的机械臂抓住它“拧转”,对接到侧向的接口上。二十几吨的大家伙在失重状态下怎么转?机械臂能不能吃得消?采用什么样的速度合适?这些动作在地面都没办法模拟,也没有标准答案,计算机算出来的结果到底对不对,我们需要在天上实际做了才能知道。既然天舟二号已经完成了使命,正好拿它来“练手”。


机械臂抓取天舟二号做转位实验

当神舟十二号乘组撤离空间站之后,地面控制中心就向天舟二号货运飞船发出指令,让它从天和核心舱后边的对接口脱离、凌空转体180°、对接到核心舱前向端口,模拟以后的实验舱;天舟三号紧接着发射升空,对接到了核心舱后边。神舟十三号再上来就只能从下边对接了。

一个新问题随之出现:天舟三号、天和、天舟二号这个三舱组合体,它的质心并不在圆球形的节点舱,而是更靠近核心舱大柱段的位置。换句话说就是空间站处于一头轻一头重的状态。

天舟飞船本身重量接近,但天舟二号上的物资已经被消耗得差不多,并且为安全起见,神舟十二号航天员在撤离前,已经将剩下大部分有用的东西都搬到核心舱大柱段存放,因此前向的天舟二号几乎是空船,它肯定比满载的天舟三号轻。


神舟飞船对接位置偏离重心10米

从上面的图示我们可以很容易看出,尽管空间站三舱组合体总质量达到70吨,但节点舱跟它的质心距离差不多有10米,在太空微重力状态下,只需要一个很小的推力就能令它发生扭转。

神舟十三号发射重量超过8吨,虽然它接近空间站的速度不快,但如此巨大的质量依然会产生比较大的动量。实际上对接机构的捕获动作也需要足够大的力才能触发,所以空间站的扭转不可避免。


神舟飞船朝向了太阳

由于这是一个“偏心”对接,从空间站下方广角相机传回的画面我们也可以看到,神舟十三号对接后朝向了太阳的方向,空间站与轨道轴线形成超过70°的仰角。

尽管空间站以什么样的角度在轨道运行对于航天员来说并没有什么异样感觉,但长时间以大仰角飞行对于太阳能电池的效率、轨道机动、躲避空间碎片撞击以及空间站里的科学实验都有不利影响,因此需要通过启动调姿发动机向相反方向喷气来“消初偏”,尽快把姿态调整回来。实际上天宫空间站只用了几分钟就恢复了正常。


女演员尤利娅前往空间站拍电影

无独有偶,俄罗斯飞船也干过同样的事情。7月29日,俄罗斯联盟MS-19飞船停靠在国际空间站,向空间站送去了美女演员尤利娅·佩雷西德,没想到飞船上的发动机因软件故障意外启动,推着空间站旋转了540°!把宇航员们吓了一跳,事故一度触发紧急撤离程序,好在地面控制中心及时终止程序,阻止事态恶化。

而就在联盟MS-18飞船准备把尤利娅接回地球时,北京时间10月15日下午5点13分,飞船发动机再次意外启动,把国际空间站推着转体57°,控制人员花了半个小时才让空间站恢复正常。


联盟飞船两次让空间站失控

神舟十三号和俄罗斯联盟飞船的故事告诉我们:空间站看起来是一个庞然大物,它们的质量甚至达到数百吨,但只要在偏离质心的地方稍稍施加一个力,这个力产生的扭矩就能使巨大的空间站发生偏转甚至失控。航天员平时在空间站里飞来飞去,都会与空间站产生相互作用的力,“四两拨千斤”在太空微重力环境下体现得淋漓尽致,空间站上的力矩陀螺和调姿发动机需要经常启动,以保持航天器姿态的稳定。

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