细说人类载人航天的“快速交会对接”史

+ 张雪松

细说人类载人航天的“快速交会对接”史

+ 张雪松

9月12日23时58分，是一个振奋人心的时刻，中国的天舟一号货运飞船顺利完成了与天宫二号空间实验室的自主快速交会对接试验。这是中国载人航天工程空间实验室飞行任务圆满成功后组织实施的系列拓展试验项目之一，旨在验证货运飞船的快速交会对接能力，进一步发挥任务的综合效益，为中国空间站工程后续研制建设奠定更加坚实的技术基础。

本次“天舟一号”与“天宫二号”从对接机构接触，到完成对接试验，整个过程历时约6.5小时。后续“天舟一号”还将视情开展第三次、也是离轨前最后一次推进剂在轨补加试验。

而9月13日在拜科努尔发射场发射的俄罗斯联盟FG型运载火箭，将联盟MS06载人飞船送入太空，发射后约6小时，这艘飞船采用快速对接模式于同国际空间站对接，顺利将航天员送入空间站。

24小时内两次快速对接，就让我们趁热打铁，来聊聊飞船的自主快速交会对接的那些事……

快速对接历史长

快速交会对接之前只有俄罗斯的进步号货运飞船和联盟号载人飞船使用，美国、欧空局和日本的货运飞船，以及我国的神舟载人飞船的交会时间都较长。不过快速交会对接并非21世纪出现的新生事物，在美苏航天竞赛的火热年代里，快速交会对接曾屡见不鲜。

1966年9月12日，美国双子星-11号飞船发射后仅用94分钟就和阿金纳上面级进行了对接，这一载人快速交会对接的时间记录保持至今。前苏联1968年10月26日的联盟-3号载人飞船飞行第一圈就和联盟-2号无人飞船自动交会到200米距离上，遗憾的是手动对接连续失败，没能打破美国载人飞船的快速交会对接记录，不过要说交会的话，联盟-3号其实已经创造了新纪录。

双子星11飞船UTC14时42分发射，16时16分对接成功，用时仅为94分钟

苏联在礼炮空间站阶段，载人飞船从发射到对接的时间一般都在12-15小时左右

无人飞船的快速交会对接记录，则是前苏联人创造的，1968年4月15日宇宙-213和前一天发射的宇宙-212飞船进行快速交会对接试验，宇宙-213飞船在发射后46分钟就实现了对接。

前苏联人虽然输掉载人登月竞赛，但载人空间站发展上独树一帜。鲜为人知的是，从礼炮一号空间站任务开始，前苏联基本都使用快速交会对接模式，其中除了联盟-31和联盟T-13号这两次交会对接时间大约50小时外，其他任务基本是发射后12到15小时就完成对接，按现在的标准也都算得上快速对接了。

天空实验室-3任务中，阿波罗飞船对接天空实验室用时8个半小时，时间和现在的快速对接任务相似

美国在空间站任务中也使用了快速对接飞行模式，而且和现在俄国使用的快速交会对接更接近，天空实验室-3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，即使是第一次任务天空实验室-2，阿波罗飞船发射到对接天空实验室的时间约20小时56分，仍然相对较短。

不夸张的说，载人航天初期快速对接才是常态，慢腾腾的花费两天时间才对接，反而是比较罕见的事情。

快速交会对接的低谷

快速交会对接模式在载人航天发展初期曾风行一时，但不久后却偃旗息鼓。从和平号空间站任务开始，前苏联使用“慢速”交会对接模式，从发射到对接需要约50小时，而美国航天飞机任务以及其后的货运飞船同样是慢速交会对接，中国的神舟载人飞船也不免俗。到底发生了什么事情，让快速交会对接退出航天舞台呢？

首先要考虑的是这项技术的实现难度。快速交会对接的任务时间短，尤其是现在俄罗斯的快速交会对接一般只进行4圈飞行就完成，这对运载火箭和飞船的入轨和控制精度要求更高，一旦控制失误出现较大的轨道偏差，需要消耗更多的推进剂来弥补；

另外，快速交会对接意味着飞船和空间站的相位角小得多，这对发射窗口带来了更多的限制，提高了轨道调整和交会策略的设计难度；快速交会对接不仅要求飞船可靠性高，还需要测控具备快速定轨能力，保证轨道调整的速度和精度。简而言之，就是快速交会对接要求比两天时间的慢速交会对接高多了，如果没有足够迫切的需求，何必舍易就难呢？

虽然技术上难度高一些，但是载人航天初期就能实现并且长期应用的快速交会对接模式，又怎么会高不可攀呢？快速交会对接曾经偃旗息鼓，更重要的原因恰恰是当时环境下认为弊大于利。运动病最严重的时候恰恰是发射后8-12小时。

飞船和空间站的交会对接如果需要手动控制或是以手动作为备份，那么发射两天后对接是更合适的选择，这时航天员运动病消退，不会影响手动交会对接的准确度，如果采用全自动交会对接模式并对自动设备有信心，那么快速交会对接更好一些。

前苏联在和平号空间站后也改用两天的慢速交会对接模式，直到2012年8月1日进步M-16M飞船任务，才首次重新测试快速交会对接模式。

苏联航天员格尔曼·季托夫是第二个上太空的人，他身上最早出现航天运动病的症状，这一适应性病症也是选择慢速对接的重要原因

联盟号飞船内部空间太小，2天的慢速对接对专业航天员都是一种煎熬，何况太空游客呢

说到这里我们不得不提一下著名的航天运动病，这是快速对接最大的拦路虎。航天员进入太空处于失重环境后，约1/3的比例的人会出现航天运动病，表现在航天员出现恶心呕吐和出冷汗等身体不适的症状，有的也会出现头晕以及感觉错位等错觉。航天运动病快的发射后一个小时内就发病，症状消退一般在30-48小时后，彻底适应一般要5-7天，

快速交会对接的复兴

发射两天后对接的慢速交会对接模式，降低了对地面测控速度以及飞船控制精度的要求，尽量减轻了航天运动病带来的消极影响，不过慢速对接远不是完美的选择。

以联盟号载人飞船为例，返回舱自由活动空间只有0.5立方米，航天员在这样狭小的船舱内生活约50个小时，舒适性实在太差了，即使各国载人航天任务是政府出钱官方选拔，航天员大半来自军队尤其是飞行员，航天员仍然对此苦不堪言。航天轨道旅游出现后，让那些出资几千万美元上天的富翁们在狭小的空间内蜗居，更是有些强人所难。

随着航天测控能力和自动对接系统可靠性的提高，快速交会对接在技术的难度已经大大降低了，而新的需求又出现了，于是快速交会对接模式重回航天舞台。

快速对接方式飞船一般4圈/6.5小时即可对接到目标飞行器

俄罗斯先使用进步号货运飞船进行了快速交会对接的飞行试验，随后使用联盟号载人飞船进行试验，现在快速交会对接已经成为联盟号飞船的首选飞行模式，俄罗斯的快速交会对接一般是4圈/6.5小时飞行时间。

快速交会对接好处不少，从体验上说最主要的是缩短了航天员在狭小的船舱内的等待时间，相比约50小时的漫长等待，6个多小时的时间就要轻松多了，航天员早点进入更宽敞舒适的空间站舱段，对于缓解航天运动病的影响也是有好处的。

快速交会对接还有利于保证航天员生命安全，载人飞船在太空中独立飞行时间越长，越可能遇到各种不可预测的风险，尤其是轨道上的空间碎片。发射到对接的时间缩短到6个多小时，发生意外的可能性就降低了，相当于提高了安全系数。

快速交会对接还有一个好处，由于飞行变轨次数少而精确，快速交会模式下飞船消耗的推进剂更少，据说联盟号飞船使用快速交会对接模式后节省了约25千克的推进剂，这相当于增强了飞船机动能力和变轨的余量。

最后，载人和货运飞船的快速交会对接模式还有一个立竿见影的好处，由于独立飞行的时间缩短了，可以把时间敏感性的载荷和物资及时运送到空间站上，这对上行运输保存时间短的生物材料是十分重要的。

天舟的快速交会对接

天舟一号作为我国第一艘货运飞船，最主要的任务是完成推进剂在轨补加验证。天舟一号飞船于今年4月20日晚发射入轨，顺利执行了交会对接、推进剂在轨加注、绕飞对接等任务。6月21日天舟一号与天宫二号分离，目前独立飞行于高度约390公里的近圆轨道上，继续开展空间应用和航天技术等领域的多项实（试）验。

快速交会对接过程中最主要的难度是天舟一号飞船要快速变轨在4圈飞行中飞近天宫二号空间实验室。

试验开始前，地面科技人员对“天舟一号”先后实施了4次轨道控制，保证“天舟一号”与“天宫二号”快速交会试验的初始轨道条件，完成了相关试验准备。

9月12日17时24分，地面判发指令，控制“天舟一号”转入自主快速交会对接模式，分远距离自主导引和近距离自主控制两个阶段实施。在远距离自主导引段，“天舟一号”自主导引至远距离导引终点；在近距离自主控制段，“天舟一号”在“天宫二号”的配合下，利用交会对接相关导航设备，完成与“天宫二号”交会。