神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

資訊     2021年10月18日

神舟十三號成功發射啦!

我國航天員翟志剛、王亞平和葉光富3名航天員搭乘著神舟十三號飛船,前往我國空間站,而他們3位也是我國空間站第二批住客,預計將會在我國空間站生活和工作長達6個月。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

此次神舟十三號和空間站採用了一項高難度的「交會對接」技術:徑向對接,在此之前,還未有任何太空飛行器在太空中實現過這項技術。這項技術雖然難度很高,但對於空間站未來的建設起到了至關重要的作用。那麼問題來了,徑向對接技術到底是什麼?它具體有什麼用處呢?

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

徑向對接

神舟十三號前往空間站後,需要和空間站交會對接,航天員才可以進入到空間站當中。因此,在這個過程中,飛船與空間站的空間對接技術就非常重要,一般有三種方式,它們分別是:V向對接、徑向對接、Z向對接。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

要了解這個問題,我們首先要從飛船的飛行原理說起。這裡其實用到的是牛頓萬有引力的知識,我們就用牛頓曾經採用過的思想實驗「牛頓大炮」來講述。我們都知道,地面雖然看起來是純平的,但是如果從足夠大的尺度來看,地面其實是「彎曲」的,而且是向下彎曲,這是因為地球本身是個球體。如果這時候我們手上拿一顆炮彈,然後放手,炮彈垂直落到地面上,這是因為地球自身有個向下的引力作用。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

如果用大炮來打炮彈,那麼此時就會呈現一個拋物線,這是因為炮彈具有了一定的初速度。如果我們讓炮彈的速度變快,那麼就能夠打跑一個水平距離更遠的炮彈。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

如果我們能夠繼續加快炮彈的初速度,使得炮彈向下的下墜程度恰好和地面向下彎曲的程度是一樣的,那此時的炮彈就不會掉下去,而是持續繞著地球轉。這個初速度對應的就是第一宇宙速度,它的數值是7.9公里/秒。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

所以,運載火箭都要把飛船加速到第一宇宙速度,甚至更快的水平,如此才能夠升空。

不過,同樣是繞著地球轉,不同的軌道高度,飛船的速度是不同的。飛船前往空間站進行交會對接,就會有許多不同的情況。最常見的是V向對接,說白了就是兩個太空飛行器處於同一個軌道高度,一個在前一個在後,然後後面的這個追上前面的,實現對接。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

對應到飛船和空間站就是,空間站繞著軌道轉,飛船逐漸飛到空間站的軌道上,然後追上空間站,和空間站交會對接。整個過程一般需要6個小時,飛船全程要飛20萬公里的路程。要知道,空間是三維的,有上下左右前後六個維度,這個技術只需要保證在前後方向上速度幾乎一致時對接即可,這好比就是一個「追及問題」。因此,技術上要相對簡單一些,也最常用。神舟十二號在發射時,也採用了這個技術。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

Z向對接和V向對接不同的是,飛船和空間站不是頭尾相接,而是飛船追上空間站後,飛到空間站的左右兩側來進行交會對接。

不過,這次神舟十三號使用的是:徑向對接。徑向對接說白了徑向對接是一個在上面,一個在下面,然後上下方向上逐漸交會對接,那這個技術難在哪裡呢?

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

和V向對接不同,飛船並不會直接飛到和空間站一樣的軌道高度上。飛船的軌道高度要低於空間站的軌道,然後逐漸飛到空間站下方,然後和空間站保持相對靜止的運動狀態,在這樣的情況下,逐漸上升和空間站進行對接。這聽起來好像不太難?

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

實際上,要實現這個技術非常難。要知道,空間站是在高速運動,空間站最新的速度數據是7.68千米/秒,時速就是27.6萬公里,神舟十三號飛到空間站下方後,要與它保持相對靜止是很難的,因為軌道不同,所需要保持的速度就是不同的。這就好比是兩個人在彎道上賽跑,還要一直保持在同一個水平線上,要知道兩個人跑步的速度大概只有在10米/秒的量級,而兩個太空飛行器的速度要比人跑步快700多倍,還要保持相對靜止就非常難了。

但這還不是最難的,在保持相對靜止的同時,飛船還要逐漸調整自己的軌道高度,去和空間站對接,每次軌道高度的些許變化,速度都要做出相應調整。

我們還拿兩個人在彎道賽跑為例,這就好比是一個人在第1賽道,另一個人在第8賽道,第1賽道上的人要一直保持和第8賽道上的人相對靜止,同時第1賽道的人還要逐漸切換賽道,從第1賽道一直切換到第7賽道,然後兩個人同時還要把一部儀器對接上。同樣的,這是在比人類跑步快700多倍的速度上完成的,並且神舟十三號要對準的對接口,通道只有80cm,難度堪比萬里穿針。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口

因此,這項技術的難度相當大,在此之前,並沒有任何先例,沒有飛船在太空中真的驗證過這項技術。

為什麼要採用「徑向對接」?

我們都知道,神舟十三號發射之前,神舟十二號先行返回了地球,兩個飛船並沒有在空間站上完成交接工作。如果未來要進行航天員乘組的輪換,那就可以不需要一艘飛船先回來,而可以同時兩個飛船都在和空間站對接時實現輪換,這樣可以有效的提高我們進駐空間站的通道、手段以及利用率。

神舟十三號徑向對接領先世界!27.6萬公里時速下,對準80cm交接口