神舟十一号载人飞船将于10月17日搭载两名航天员发射升空!
飞船将与“天宫二号”空间实验室进行交会对接,形成组合体。
航天员将在此工作生活30天。这将是我国迄今为止时间最长的一次载人飞行,也将是神舟飞船在建造空间站之前的最后一次载人飞行。
空间交会与对接技术是指两个航天器在空间轨道上会合,并在结构上连成一个整体的技术。它是载人航天活动的三大基本技术之一。
载人航天三大基本技术
航天员安全返回技术
空间出仓活动技术
空间交会对接技术
简单说来,交会对接就是两个航天器“追尾”,并粘在一起。这可不是烂泥拍墙上,交会对接的难度是很大的。试想,如果要求两辆车在公路上高速行驶,后面的车在要求的距离段主动追尾,追上以后两辆车粘住一起走。估计国内外找不出几个愿意接活的老司机。
↑2015年发行的航天纪念钞主图案为“神舟”与“天宫”的对接
为什么要进行空间交会对接?
空间交会对接的意义十分重大。
首先,由于运载能力有限,大型空间站不可能一次性发射完成,只能分模块多次发射,每次将新的模块对接到已有的机体上。
其次,宇航员在空间站生活,需要定期补充物资;欲进行空间实验,也要运载试验设备等。这个过程可不像在地面送报纸,放在窗户上即可。飘在空间站外的货物其实是威胁空间站的太空垃圾。给空间站运载货物,必须对接好进行。
↑“进步”飞船与“和平”号发生碰撞
空间交会对接技术很复杂,早期的对接过程经常发生故障,甚至出现事故。即使在1997年,技术成熟的俄罗斯仍然发生过一起严重的对接事故:“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞,造成了空间站“光谱”号舱内氧气泄漏,动力系统损坏,最终被迫关闭。
交会对接四种控制类型
航天器空间交会对接过程,必须由高级控制系统来完成,根据航天员及地面站的参与程度,可将控制方式划分为如下四种类型:
遥控操作:追踪航天器的控制不依靠航天员,全部由地面站通过遥测和遥控来实现,此时要求全球设站或者有中继卫星协助。
手动操作:在地面测控站的指导下,航天员在轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断,然后动手操作。这是目前比较成熟的方法。
自动控制:不依靠航天员,由航天器上设备和地面站相结合实现交会与对接。该控制方法也要求全球设站或有中继卫星协助。
自主控制:不依靠航天员与地面站,完全由航天器上设备自主实现交会与对接。
从本质上说,上述分类可归结为人工控制方式或自动控制方式。迄今为止,美国较多地应用人工控制方式,而苏联/俄罗斯则主要采用自动控制方式。
↑景海鹏进行手控交会对接训练
人工控制的优点:
提高交会与对接的成功率;
及时修正交会系统中的错误和排除故障;
节省燃料和时间。
自控交会与对接的优点:
不需要复杂的生命保障系统;
可靠性高;
无需考虑人员的安全和救生问题。
交会与对接未来的发展趋势是人控和自控相结合,以提高交会与对接的灵活性、可靠性和成功率。
空间交会对接技术哪家强
美国交会对接技术特点:
1 多种连接机构和停靠机构
2 多种交会敏感器并用
3 手动控制为主的控制模式
苏联/俄罗斯交会对接技术特点:
1 快速交会对接飞行技术:航天器升空后,将以往2天的准备时间缩短到6小时以内。这种快速交会对接模式,不仅是轨道设计问题,更本质地折射出俄罗斯在航天器绝对状态(轨道与姿态)与相对状态的测量与控制方面的先进水平
2 自动控制为主的控制模式
↑航天飞机与空间站交会对接
中国的成就
安全性:中国始终将飞行安全性置于系统设计与飞行试验的首位,只有在无乘员的模拟载人飞行不存在任何安全隐患的情况下,才实施载人飞行。在这一初期阶段,中国比苏联做得安全、可靠。
控制技术:中国依靠自主研发的交会敏感器,GNC系统与地面模拟实验系统,成功完成了交会对接任务。中国航天员具有世界一流的手动控制水平,相对姿态的控制精度高达1度。
对接机构:中国自主研发的导向瓣内翻式周边对接机构,有利于扩展性能更好的连接机构。欧洲和日本的交会对接分别使用俄罗斯与美国的连接机构,都不是自主研发的。
中国的差距
时间滞后:
*天宫一号(微博)(2011)比和礼炮7号(1982)晚29年;
*神九对接(2012)比联盟号对接(1987)晚25年;
*未来的多舱空间站(2020)比和平号(1986)晚约30年。
技术的差距:
*空间自动臂技术以及相关的停靠技术;
*相对导航敏感器(特别是新型激光敏感器)的性能;
*周边对接机构的性能;
*在轨组装大型空间站的相关技术;
*面向未来空间活动的新技术与新材料的研发力度;
↑我国空间站构思示意图
总体上,我国与欧洲及日本的交会对接技术水平相当;但相比美俄,仍有比较大的差距。当前以及未来几十年内,美国与俄罗斯的航天技术仍将处于领先地位。欧洲与日本正在努力建立独立的载人航天体系,且在交会对接的某些关键技术方面达到世界水平。虽然欧洲与日本还没有独立地进行载人空间飞行,但欧、日在载人航天领域的研发力度与潜在实力不容低估。中国载人航天及其交会对接技术的发展,主要取决于国民经济的进一步增长,以及新技术(如弱冲击连接机构,高精度激光敏感器,新型热防护材料等)的自主研发与创新。
航天工业是一个国家整体工业水平的综合体现,很多技术不是彼此分离,而是互相牵连的。类似于木桶原理,目前来看,很多单方面的技术突破并不能为整体性能带来显著提升。美国在强大的经济实力和雄厚的科技实力下,很多新的想法可以立即试验,估计在未来很长时间内还会继续引领潮流。
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