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中国首次空间交会对接
http://www.100md.com 2011年6月1日 百科知识 2011年第11期
     “神七”实现“太空行走”后,中国的空间站距离我们越来越近了。即将发射的“天宫一号”和“神八”将拉开中国空间实验室的序幕,它们将与之后发射的“神九”、“神十”组成我国的第一个空间实验室。这个空间实验室的主要任务并不是为了进行空间实验,而是为了解决载人航天飞船和空间飞行器的交会对接问题,为今后“天宫二号”、“天宫三号”空间实验室的空间科学、航天工程、航天医学试验和今后载人空间站的建立奠定基础。

    什么是交会对接?

    人们在谈起空间交会对接时总是将它们连在一起,好像是一回事,实际上它是两个过程,即是空间交会和空间对接的总称。空间的交会对接就好像人生的恋爱和结婚一样,是有联系但性质上又不完全相同的两回事。 空间交会是指两个或两个以上的航天器,通过轨道参数的调整,在空间轨道上按预定位置和时间“相会”的过程。通常只要交会的航天器相距在一定距离范围以内(例如300米),就算实现了交会。对接是指它们“相会”后,通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。交会的航天器不一定对接,但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会,而且交会还必须达到对接所要求的精度。
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    交会对接促进了载人航天

    回顾一下载人航天的历史,我们可以看到:无论是美国还是俄罗斯都与我国一样,经过发射单个飞船、空间实验室、空间站3个阶段。在这个过程中,最主要的一项技术就是交会对接技术。可以说没有交会对接技术的发展,就没有载人航天的发展。可以想象一下,哪个火箭有这样大的推力可以将像国际空间站这样的庞然大物发射到太空?国际空间站的建成,都是靠交会对接将一个个舱段与空间站的主构架连接在一起的;国际空间站的应用,也是通过交会对接将航天员和物质一次次地送到国际空间站,使他们发挥作用。目前我国火箭近地轨道最大运载能力仅为9.2吨,不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空,也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。

    根据航天器空间交会对接技术的发展过程,可将其在载人航天活动中所起的主要作用归纳为以下几个方面。

    首先,它是空间站和载人飞船维持正常运行的必要条件。航天员定期的更换、飞行所需的燃料、航天员的食物、科研生产原材料的补给和取回、仪器设备的更换与维护、在飞行轨道上为其他应用卫星提供服务等,都需通过空间交会对接以实现地面和太空航天器之间的人员和货物运送。
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    其次,解决运载火箭推力有限的难题。当航天器的体积和重量超过运载火箭的能力时,可以分次发射,然后把各次发射的飞行器或者有效载荷经过空间交会对接,在轨道上组装成大型的航天器。这样,利用航天器的空间交会对接技术,可以间接地完成大型或超大型航天器的发射任务和空间站的组装任务。

    第三,进行空间站维修和救援。通过航天器空间交会对接技术,维修在轨道上出故障的航天器,或者发射救生船以营救在飞行轨道上出事故的载人航天器上的航天员。

    再有,实现往返于轨道间、星际间的渡船、拖船等服务型航天器的在轨作业。

    最后,对今后发展和规划复杂的飞行任务进行有效优化。例如,复杂飞行任务可以分解成为几个独立的相应阶段,然后利用空间交会对接技术,按飞行过程要求,重新将其组合。

    总之,随着空间技术的发展和空间应用的扩大,航天器空间交会对接技术的作用亦将越来越重要。
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    如何进行交会对接?

    像恋爱、结婚必须有男方和女方一样,交会对接也是在两个航天器之间进行的,但它们的表现行为不同,一个是主动的,另一个是被动的。人们把被动的航天器称为“目标航天器”,如“天宫一号”、空间实验室、空间站等。它们被首先发射到太空,之后一直处于自己的运行轨道,仅完成绕质心的转动。它的任务是使自己的对接装置始终对着主动航天器,等待另一个航天器与它“相会”。 另一个是主动航天器,也可以称为“追踪航天器”,如我国的“神舟”号飞船、俄罗斯的“联盟”号飞船、美国的航天飞机等,它们在发射上天后,要不断地变换自己的飞行轨道,逐步接近“目标航天器”,达到与其相会和对接的目的。

    纵观美、俄两国航天器空间交会对接的整个过程,尽管根据飞行轨道和交会对接的具体要求,各种交会对接的飞行程序会有所不同,但它们基本的操作内容是相似的。我国“天宫一号”与“神舟”号飞船的交会对接也基本按照这个飞行程序。目前,国内外学者将航天器空间交会对接的飞行过程划分为地面导引、自动寻的、最终逼近和对接合拢四个阶段,要完成每个阶段还要执行很多程序。
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    空间交会对接控制方法有两种,一种是人工控制,另一种是自动控制。用人工控制来完成太空交会对接可以提高交会对接的成功率。自动控制交会对接可靠性高,不需考虑人员的安全和救生问题。在航天器的交会对接技术方面,未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合,以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。交会对接的难点是由于两个航天器处在相同的太空轨道中,飞得很快,所以对接技术要求很高,两个航天器轨道的控制必须相当的精准,航天器相撞时的横向偏差不能超过0.1米。

    两个小小的航天器要在茫茫无垠的太空中进行交会对接可不是一件容易的事,何况这两个航天器还不是老实地待在一个地方,它们都围绕着地球高速运行,因此实施交会对接,是一项非常复杂的技术。交会对接技术有个发展过程,在早期的载人航天飞行中,由于交会对接技术的不成熟,也曾造成交会对接的失败。以前苏联交会对接为例,在20世纪70年代到80年代初,“联盟”号与“礼炮” 对接曾经出现几次因对接系统问题,未能完成交会对接任务。例如,“联盟-10”乘组在与“礼炮号”轨道站对接后未能进站;“联盟-15”、“联盟-23”和“联盟-25”均未能完成与“礼炮号”的对接,使得前苏联本想借此来隆重庆祝十月革命60周年的活动黯然失色。

    今年下半年,我国首先发射“天宫一号”目标飞行器,待其升空到达预定轨道后,将进行一系列的调整和检测,如果运行稳定、工作正常,2~3月后“神八”无人飞船随即上天与其“相会”,进行无人对接。 在经历“神八”、“神九”两次无人对接后,“神十”将载人上天与“天宫一号”进行有人交会对接。

    【责任编辑】蒲晖, 百拇医药(沈羡云)