创造世界纪录! 天舟五号两小时快速对接空间站：到底怎么做到的？

天舟5号发射与以往没什么不同，中国航天高密度发射，连文昌发射场观看的观众都少了很多，我国航天发射越来越多，粉丝们正在快速进入审美疲劳期，但即使就“天舟五号”这样一次不起眼的发射，中国航天依然玩出了新花样！

11月12日10点03分12秒发射，10点14分船箭分离进入预定轨道，12时10分成功对接于天宫空间站天和核心舱后向端口，此次任务中，首次实现了两小时自主快速交会对接在轨空间站，创造了世界纪录，此前对接空间站的最高纪录是联盟号MS-17飞船于2020年10月14日对接国际空间站，用时3小时03分！

天舟五号：除了5.2吨货物，还有1.4吨燃料

天舟五号全长9米以上、最大直径3.35米、质量13吨、最大上行货物运载量达到了6吨，不过这次任务中货物只装了5.2吨，还有0.8吨的地方还空着？其实不是，因为货物+包装体积比较大，很多货物间的空隙无法利用，所以这0.8吨就给“浪费”了。

而且除了这5.2吨货物外，还有1.4吨燃料！难得为空间站送一次货物，这燃料也得补给一下不是吗？但很多航天爱好者一定都了解，天宫空间站已经装上了霍尔推进发动机，这种发动机属于离子推进器，使用的“燃料”是液氙，这是一种惰性气体，一年都用不了1.4吨“燃料”，而此次天舟带上去的却是正儿八经的燃料，是能燃烧的！

为何有了离子推进器，还要给空间站送化学燃料？

答案是这样的，这些燃料部分是天舟五号自己用的，有多余的才会注入空间站的燃料罐，还有像国际空间站这样的，货运飞船和载人飞船在分离返回前还会开启火箭将空间站推到一个更高一点轨道，省得空间站自己还要消耗燃料来维持轨道。

天舟五号在发射9分钟后进入预定轨道，相信很多朋友都不知道这个预定轨道是什么意思，笔者就给出个天舟五号预定轨道的参数：远地点240千米，近地点200千米，轨道倾角为41.5°，如果大家熟悉空间站轨道数据：381 x 394 千米, 41.5°，除了轨道倾角一样，高度差别也太大了。

这个所谓的预定轨道就是天舟五号的临时轨道，剩下就是靠天舟五号的发动机点火变轨追上空间站，然后与之对接，从200 x 240千米的轨道爬升到381 x 394 千米需要消耗大量的能量，这就是带这些燃料的目的。

当然还有多余的燃料也会注入天宫空间站的燃料罐，因为天宫虽然有了离子推进发动机，但那个发动机的推力只有4 x 80毫牛，这个推力只能用来维持轨道，至于因发射需要的调相机动和躲避太空垃圾的临时变轨，只能通过大推力的化学火箭发动机来实现。

在天和核心舱上就配备了4台2500N轨控发动机，推进剂为甲基肼（MMH）/四氧化二氮（N2O4），每次天舟货运飞船上太空时，也会带一些推进剂，定期给空间站补加，这次天舟五号的多余推进剂，就会进入天和号核心舱的燃料罐。

两小时快速交会对接空间站：创造世界纪录！

飞船与空间站对接我们已经看了太多次，大家已经觉得稀松平常，似乎一切都顺理成章，但事实上过程还是挺复杂的，比如天宫一号目标飞行器在轨期间与神舟八号对接，飞船是在2011年11月1日清晨05:58:10秒430毫秒发射的，而对接则在11月3日凌晨1时36分完成，将近40个小时，原因有多个，除了是第一次对接，各种状态都要观察以外的另一个因素就是神舟八号的变轨持续时间也很长。

从神舟八号到神舟十一号，时间逐渐变短，最终到了神舟十二号，对接时间从过去的接近2天到一天多再到十二号的6.5小时，这是因为此前都是飞船去追空间站，虽然两者高度相差不大，但相位差别很大，这个一追时间花多了去。

轨道的相位这个不太容易理解，航天器轨道除了近地点高度和远地点高度以及倾角以外还有一个相位，如果相位不一样，即使其他参数一样，那么两个航天器也只能“平行”运行，所以航天器对接必须要严格调整到“同轨”，也就是两者的相位需要一致。一般来说，有两个方式可以调整：

• 1、空间站调相机动；
• 2、飞船发射变轨操作；

空间站调相机动就是将空间站轨道调整到飞船发射轨迹一致的相位上，等到空间站的星下点与发射地重合，然后在空间站星下点抵达发射地前发射飞船，那么发射上天的飞船加速提升轨道后刚好与空间站同轨道，执行对接，这就是快速对接的关键。

轨道星下点会随着时间不断变化

天宫空间站一天绕地大约15.6圈，这个并不是一个整数，头一天经过时和第二天经过时星下点会移动的，下一次重复即使按百公里误差算也得二十几天才能回到同一个点，而调相就是让这个星下点赶紧回到同一点

为了快速对接，空间站需要调相机动，而飞船也要零窗口发射，调整：11月4日晚上，中国空间站 (CSS) 完成天舟五号发射前的首次调相机动，近地点升高约2.7公里，远地点升高约8.8公里，目前运行在382.458 km × 395.087 km × 41.4756º的近地轨道上

天舟五号货运飞船的发射时间则为北京时间11月12日10:03:10前后，发射时相位差约为-15º（CSS过境4分钟前发射）。这就是零窗口，等天宫空间站过境前发射，起飞后的火箭将天舟五号货运飞船送入轨道，飞船发动机接力将飞船推至与天宫对接，这就没有了节省了大量时间，可以将对接时间大幅缩短。

两小时快速交会对接空间站：真创造世界纪录了吗？

估计很多朋友都发现央视新闻稿子中这个“创造世界纪录”的描述了：

大家对这个说法颇有微词，原因很简单，因为在1968年4月15日，前苏联的宇宙-213和头一天发射的宇宙-212在发射46分钟后就对接成功，这个46分钟创下了发射后对接的最高速度，但是对接却不是2小时就是3小时，甚至还有6.5小时，为什么不能比46分钟更快一点么，50多年前都能46分钟，现在能更快一点吗？

快速对接：到底是快点好还是慢点好？

先给出答案，慢了不行，但快了也不行，而是要一个刚刚好的时间！原因其实挺简单的，时间太长的话，这宇航员窝在狭小的飞船中得1-2天，不仅心情非常压抑，而且“生活起居”没法展开，特别是生理问题处理起来还是很麻烦的，因此大家都想快一点解决这个麻烦的问题。

那么快一点难道也有问题吗？比如前苏联的宇宙-213和宇宙-212对接46分钟搞定，其实这样也不太行，因为这会带来更多的问题，比如入轨精度要求很高，对测控和定轨提出了更高的要求，另外入轨后两者相距过近，调整时间太短（宇宙-213和宇宙-212入轨后相距仅25千米），“直接交会对接”的代价还是挺大的：

• 1、对入轨精度控制要求很高：一旦入轨误差比较大，反而需要更多的燃料来控制弥补对接；
• 2、发射窗口受到限制：要求飞船和空间站相位角偏差小，提高了轨道调整和交会策略的设计难度；
• 3、对火箭、飞船以及空间站的整体可靠性提出了更高的要求；

当年前苏联的这次46分钟对接成功率只有70%，简直就是玩心跳，大毛就是猛，要是美国绝对不干。不过美国人也不是没干过这种被称为“直接交会对接”的方式，1966年9月12日，美国双子星飞船发射仅94分钟以后就和阿金纳上面级对接！美苏都意识到这种对接风险大、成本高，作为载人飞船完全没必要冒这个险。

此后前苏联在礼炮空间站的建设和维护阶段，载人飞船从发射到对接的时间一般都在12-15小时左右，美国也不甘落后，在天空实验室-2和天空实验室-4号两次任务中，阿波罗飞船分别在发射后约8小时26分和约7小时54分和天空实验室完成对接，而在航天飞机时代，这个时间甚至被拉长到40小时以上，主要是考虑到宇航员刚上天时身体不适应，在30~40小时人体适应了对接显然安全性更高。

不过随着技术与训练的进步，对接时间又开始渐渐缩短，国际空间站建设后，对接时间基本都在6.5小时、飞船绕行地球4圈后对接的时间范围内，不过这个时间也不一定，比如联盟号在2012~2013年间的对接时间都在5.5小时~6小时之间：

2020年10月14日，“联盟MS-17”载人飞船在发射后3小时零3分成功与估计空间站完成对接，创下了与空间站对接的记录，而天舟五号则在2022年11月12日刷新了这个记录，其实央视新闻也没说错，对接空间站的记录中确实是2小时最快，但对接这个技术，无论与飞船还是空间站不都是一样的么？还非得分开了设置赛道，似乎有点矫情了，我们不在乎这个世界第一，而是实实在在的干好自己的事情。