在太空中,火箭怎么实现对接呢?

火箭是不需要交会对接的,一般指飞船和航天器。 目前,比较成熟的对接流程(以飞船对接空间站为例)如下所示:

1. 火箭发射10多分钟后将飞船送入太空,飞船的轨迹是近圆形,国际空间站也是一个近圆形,二者并不相交。 可以想像,如果要求入轨立即对接就意味着二者轨迹需要完美相切。 但这个难度太大,对火箭和航天器发动机工作时轨道控制精度要求太高,火箭发射窗口会被压缩到只有1秒,早1秒晚1秒都不行,且依然存在大量风险,因此实际情况是二者各自保持近圆轨道;

国际空间站位于400千米高,飞船在200千米高度左右,图自:NASA

2. 两条轨道的倾角和升交点一致,但轨道高度不同,这样二者的轨道周期不同。 在此期间,位于下方的飞船有足够长的时间缓慢精细调整轨道,准备对接阶段,地面测控引导二者逼近到100千米距离;

3. 对接前,其实不是飞船追空间站,而是空间站追飞船。 飞船先到国际空间站轨道稍高且靠前的区域,然后掉头,发动机换方向,减速+精细控制等待国际空间站“撞”上来。 期间,飞船和空间站上近程引导器件会工作将二者初步瞄准,距离到数百米;

宇航员也参与引导二者进一步接近,图自:NASA

4. 距离到100米以内时,飞船和空间站并不严格在一个轨道飞行方向、但已经进入对接走廊、实现绕飞,此时各种光学和雷达器件引导、姿态控制轨道控制发动机引导二者进一步接近;

5. 真正逼近时,只有微推力轨控姿控发动机保持工作,在对接前关闭。 二者的相对停靠速度差控制在15厘米/秒左右,从而实现交会对接过程,机械对接装置硬连接后,很快实现管线、电源、数据通路连接。

6. 以上方案,俄罗斯联盟飞船、美国航天飞机、中国神舟飞船都在这样用,载人任务一般都是发射后两天才能对接,这样效率低、宇航员/航天员比较痛苦、但是安全性最高。 当然也有快速对接方案,俄罗斯在不断尝试6小时(4圈轨道)、甚至3小时(2圈轨道)对接,但风险略大,通常只有无人货运飞船会尝试。

一切都是安全第一,对接速度只能做此折衷。 要知道飞船和空间站相对地球速度高达7.8千米/秒,是中国最快高铁速度的80倍以上,最终的对接精度要求在厘米甚至毫米级。 这就好比是两个在不同轨道上行驶的高铁要逐渐接近到几乎为0的位置,在两辆高铁上的人共同完成把一根线穿过一个针的精度。 航天器交会对接难度比这个例子还要大很多!

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