问题

神舟十二号飞船约用6.5小时完成空间站快速自主对接,这个速度有怎样的意义?为什么要实现快速对接?

回答
神舟十二号飞船以大约6.5小时的极短时间完成了与中国空间站天和核心舱的快速自主对接,这不仅仅是一个技术上的里程碑,更蕴含着深远的战略意义和实际价值。

6.5小时快速对接,意义非凡

首先,这是我国载人航天技术成熟度和可靠性的有力证明。 传统的载人飞船与空间站对接,往往需要数小时甚至一天的“温柔”靠近,过程中需要大量的指令和调整。而6.5小时的快速对接,意味着神舟飞船的自主导航、制导与控制(GNC)系统在精度、稳定性和响应速度上都达到了世界一流水平。它能够精确感知空间站的位置、姿态和相对速度,并迅速做出最优的操控决策,在极短时间内完成复杂的轨迹优化和姿态调整,最终实现“天衣无缝”的对接。这背后是无数次试验、数据分析和技术攻关的结晶,标志着我国在载人航天领域又迈上了新台阶。

其次,这为未来空间站的常态化运营和载人航天任务的灵活性奠定了坚实基础。 空间站就像一个在太空中移动的“巨型实验室”和“太空家园”,需要不断有航天员、物资和设备进行补给和更换。如果每次对接都需要花费大量时间,将极大地影响任务的效率和周期。6.5小时的快速对接,意味着宇航员可以更快地抵达空间站,投入到科学实验和各项工作中;意味着补给物资能够更及时地送达,保障空间站的正常运转;也意味着一旦出现紧急情况,救援飞船也能以最快的速度与空间站会合,大大提升了宇航员的安全保障能力。

再者,这种快速对接能力也为我国未来深空探测任务提供了宝贵的经验和技术储备。 随着我国航天事业的不断发展,我们瞄准的将是更遥远的月球、火星甚至更远的星辰大海。在这些漫长的征途中,高效、精确的交会对接技术是不可或缺的。快速对接不仅意味着缩短旅途中的时间成本,更重要的是它能够最大限度地降低任务风险。比如,在进行星际转移时,精确的交会点和短时间的对接窗口至关重要,快速对接能力将大大增加任务的成功率。

为什么要实现快速对接?—— 精益求精,面向未来

实现载人航天器与空间站的快速对接,并非仅仅是追求“快”而已,而是基于多方面的战略考量和技术需求:

1. 提高任务效率,缩短响应时间: 这是最直接的意义。空间站的建设和运营是一个持续的过程,需要频繁的乘员轮换和物资补给。如果每次对接都耗时数小时,将占用大量的宝贵时间,影响后续任务的安排。快速对接能够显著提高任务的执行效率,确保空间站能够持续、稳定地发挥其科研和应用价值。同时,一旦发生紧急情况,例如设备故障或宇航员健康突发状况,快速对接能力能让救援飞船或补给飞船以最快速度抵达,为生命安全争取宝贵的时间。

2. 降低能耗和燃料消耗: 虽然听起来反直觉,但高效的快速对接反而能节省整体的燃料消耗。精确的轨道控制和更短的加速/减速过程,意味着更少的推力做功。相比于漫长的、需要多次轨道调整的对接过程,一次快速、精确的对接可以避免不必要的能量损耗,提高燃料利用率。这对于节省昂贵的航天燃料、降低任务成本具有重要意义。

3. 提升操作精度和自主性: 快速对接的实现,很大程度上依赖于飞船自主GNC系统的高度智能化和高精度。这意味着在复杂的太空环境中,飞船能够更独立地完成任务,减少对地面测控的依赖。这种自主性和智能化是未来深空探测的关键。例如,当飞船远赴火星或小行星时,由于信号传输延迟,几乎不可能依赖地面实时指挥进行对接。因此,具备强大的自主快速对接能力,是实现无人值守、自主运行的深空探测器的前提。

4. 应对复杂的太空环境和任务需求: 太空环境充满变数,例如轨道参数的微小变化、空间碎片的影响等,都可能给对接任务带来挑战。快速对接能够更有效地规避这些风险。同时,未来空间站的运行模式会更加多样化,例如可能需要与多个飞行器同时进行对接或分离,快速对接能力将极大地提升空间站系统的整体调度灵活性和作业效率。

5. 技术积累与应用拓展: 实现6.5小时的快速对接,本身就是对我国航天科技实力的全面检验和提升。这种技术能力的突破,可以延伸到其他航天应用领域,例如卫星的在轨服务、空间碎片清除、甚至太空资源的开发利用等,都可能从中受益。

总而言之,神舟十二号飞船以6.5小时完成与空间站的快速自主对接,绝非仅仅是“速度”上的提升,而是我国载人航天技术全面进步的集中体现。它关乎任务效率、安全性、成本控制,更关乎我国未来在太空探索领域能否占据有利地位,以及能否实现更宏伟的太空战略目标。这标志着中国航天正以更加成熟、自信的步伐,迈向更广阔的宇宙空间。

网友意见

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人类航天对接经历了“快速”、“慢速“、”再快速“的变化 。

1、人类载人航天器对接最快耗时仅94分钟

要说快,太空快枪手在1966年创造的历史还没打破呢。1966年9月12日,美国双子星飞船发射仅94分钟以后就和阿金纳上面级对接,这个纪录貌似一直保持到现在,模式就是直接交会模式。


2、人类无人航天器最快对接时间是46分钟

1968年4月15日,苏联宇宙-213和前一天发射的宇宙-212在发射46分钟后就对接成功。这个招叫直接交会模式,后发射的入的轨道和前面的几乎一样,相对距离小于25公里,缺点么。。。成功率70%,危险得很。

3、快速对接带来的问题

3.1 对接过快对火箭入轨和控制精度要求高,一旦做砸重新来过损失的燃料得不偿失。

3.2 快速对接对发射窗口、测控和定轨提出高要求,没急事慢慢对接有什么不好?

3.3 发射后8-12小时的时候,宇航员容易发航天运动病,症状主要是头晕、想吐、冒冷汗。2-3天就会自己好。如果发病的时候要手动交会就完蛋了。

所以有段时间大家都慢吞吞对接也不着急。

4、国际航天器快速对接的复兴

目前俄国和中国快速对接都是4圈+6.5小时的模式 。现在的技术发达,好处有:

4.1 在狭窄空间里发呆时间少了,改善了航天员的体验 。

4.2 少在飞船发呆,早点上空间站,撞到太空垃圾的概率也低了。

4.3 变轨少而快,省燃料。

4.4 应急运输更好,比如航天员急病要送药、比如送需要特殊冷冻的货物等。

结论:

美苏早期都用过0.8小时-13小时的快速交会模式,后面因为调相范围和备份窗口都原因,普遍采用慢吞吞的2天对接模式。最近中俄又出于宇航员舒适性,采用了6小时交会模式,说到底还是技术进步了。

参考文献:

1、 《细说载人航天的快速对接史》

2、《近地轨道航天器快速交会技术分析》

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其实我倒有疑问,我国的对接速度比美国都快,而且我国第一次上来就用,明显说明我国对自己的技术非常自信,连2天的对接都懒得用。

这说明我国的空间站技术保守的说,也和美国佬差不多啊。

既然我国航天这么厉害,为啥航空领域,中国的战斗机还没碾压美国?到底差在哪了?

还是说我国对航天的投入要比对战斗机、航母、运输机的投入大得多,人才都在搞航天呢?

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一天多过去了,从发射到对接再到打开舱门入住,这些工作都做完了,怎么评价?

就是四个字:干净利落!

这活干得漂亮!

这靠的是什么?靠的就是自主快速交会对接技术。这大大提高了工作效率!

要搁以前,现在神舟飞船还在围着地球转悠呢,现在呢,航天员都在空间站里生活了。

PS:18日上午,神舟十二号航天员在空间站安装无线WIFI设备,安装后可以和地面的人员,甚至是家人进行视频通话。果然,不论天上地下,搬进“新家”的第一件事就是装WIFI!

相对于之前发射神舟飞船,神舟十二号载人飞船一个很大的不同就是首次在载人飞船中引入了天舟货运飞船配备的快速交会对接,具备和天舟二号货运飞船一样的全相位全自主交会对接功能。

2017年,天舟一号和天宫二号快速交会对接在轨试验圆满成功,使我国成为世界上第三个掌握近地快速交会对接的国家。上个月发射的天舟二号也采用了快速交会对接。此前从发射到交会对接,飞船需绕地球30多圈,时间按天计算,而采用快速交会对接后仅需几圈,只要几个小时。

在快速自主交会对接过程中,飞船完全依靠自主运行,地面基本不需要干预控制,飞船采用“全相位全自主交会对接方案”,“全相位”就是无论目标飞行器在入轨时和空间站的相对位置是1/4圈、半圈,哪怕整圈,神舟飞船都可以以最快速度或者在规定时间点实现对接。

飞船可以利用北斗导航的位置信息来实现远距离的全自主导航计算及其制导与控制。其最大的特点就是“快”,整个过程历时6个小时左右,无需地面干预,就像无人驾驶汽车一样。就是说,以后神舟飞船对空间站的造访过程中,人只负责监视,整个交会和对接完全自主完成。

说白了就是神舟飞船更加智能了,大脑更加灵活了,会自主运算、控制。

大多数情况下,从发射到对接需要花费两天时间,现在,我们掌握了快速对接技术,这一技术的掌握,大大缩短了航天员在飞船狭小空间中滞留的时间,减少了航天员的体力与精力付出;如果空间站等航天器突遇紧急情况时,快速交会对接可以快速地对故障实施抢修与紧急救援等工作,极大地保证航天员生命安全。

所谓快速交会对接主要针对常规2天交会对接模式而言, 它的交会对接周期在1天以内。早期俄罗斯进行过47分钟和13小时左右的近地轨道交会对接, 早期美国则进行过94分钟和8小时的近地轨道快速交会对接。其后很长时间美俄都采用2天常规交会对接模式。

2012年8月1日23:35(莫斯科当地时间)俄罗斯进步M-16M货运飞船发射升空,飞船在发射6h后与“国际空间站”对接,这是货运飞船首次测试快速交会对接模式。此后又成功进行了2次,3艘“进步”货运飞船“快速对接”飞行试验成功后。俄罗斯开始试验载人飞船的快速对接。

2013年3月28日,俄罗斯联盟TMA-08M载人飞船发射升空,飞行5小时44分钟后,首次实现了载人飞船与“国际空间站”的“快速对接”。而以往“进步”号货运飞船和“联盟”号载人飞船在对接前要绕地球飞行 34 圈,花费近两天时间。

2020年10月14日,载有两名俄罗斯宇航员和1名美国宇航员的“联盟 MS-17”号飞船在升空3小时3分后实现与国际空间站的对接,创下空间站快速交会对接新纪录。

之前几次任务中,我们的神舟飞船对接也是常规的2天对接模式,待飞船完成远距离导引控制,飞船的自主控制, 再考虑到对接时刻的测控支持、节省能源、燃料等因素。在飞船发射后1天加上18到19个小时后,就可以对接了。严格来说,只要完成这些任务后的任何时刻都可以进行对接,但是考虑到所用推进剂最少、地面支持最方便,所以,才选定了飞船发射后1天加上18到19个小时进行交会对接,从前几次对接情况来看,首次对接都是在飞船发射后1天加上18到19个小时进行的,可以想象,航天员是如何在狭窄的返回舱里是度过这40多小时的。

我们的“神舟”飞船应该比“联盟”飞船舒适一些,其实也舒适不多少,哈哈。大家都知道,“联盟”飞船是非常拥挤的飞船,3名乘员在船内自由空间很小,在这样的飞船里3个人飞行50小时,绕地球飞行34圈,乘员和游客都难以忍受。有过飞行经验的航天员普遍认为“联盟”飞船缺乏舒适性。他们说:“飞船里厕所挨着睡觉的地方,也挨着其他伙伴,还有吃的,这就像在一辆大众甲壳虫汽车中生活两天。”哈哈,所以,航天专家想到了将“快速交会对接”应用到载人飞行上,缩短了对接时间,航天员也会舒服一些。

总的来说,这种“快速”有什么意义呢?

人的方面说,可以缩短航天员在飞船狭小空间中滞留的时间,减少航天员不必要的体力与精力付出,使载人太空飞行变得更加舒适、惬意

任务角度来说,快速交会对接还可保障科研用品,特别是生物制剂等无法经历长期运输的货品尽快送达空间站,这对某些试验可能是至关重要,甚至是决定性的。

安全的角度来说,如果空间站等航天器突遇紧急情况,快速交会对接可以快速地对故障实施抢修与紧急救援等工作。“‘快速、可靠、舒服’也是我们载人交会对接任务的目标所在。

带筐水果上去它也新鲜呐。

掌握这项技术就是好啊,未来或许更稳更快!

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最近略忙,神舟十二昨天都回来了,才有时间写这个回答。马上天舟三号货运飞船即将在文昌接力发射。按照计划,天舟三号也会使用快速对接方式,6个多小时就能走完约20万千米的路程,顺利给天宫送货。目前来看,快速对接已经是中国载人航天的常态,天舟二号、神舟十二、天舟三号,估计还包括未来的任务大都会使用这个策略。

在讲什么是快速对接前,有必要简单科普下航天器是怎么对接的。俄罗斯联盟飞船对接国际空间站做过一套极好的科普动画,用它作为案例作为讲解,世界各国航天器的流程大同小异。

火箭发射10分钟后就能将飞船送入太空,但飞船入轨后的轨迹其实是个近圆形的轨迹,国际空间站也是一个近圆形,可以想像:二者轨迹需要完美相切才能相遇。但如果从发射后就要求对接难度太大,毕竟这样对火箭和航天器发动机工作时轨道控制精度要求太高,发射窗口也会被逼到极小,且全程不能出任何问题,甚至必须理论值!

保险起见,二者会进入不同高度的轨道,但轨道倾角和升交点一样,这样二者的轨道周期不同,大约两天内会数次“接近”。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。

最后阶段时,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。虽然相对地球速度高达7.8千米/秒,声速几十倍,但相对速度极小没啥问题。

以上方案,在大多数情况下,联盟飞船、进步飞船、航天飞机、神舟飞船、天宫飞船、龙飞船、HTV、天鹅座飞船都在这样用,载人任务一般都是发射后两天才对接,这样效率低、宇航员/航天员比较痛苦、但是安全性最高。

当技术足够成熟,尤其是航天器轨道控制技术完美,就可以尝试缩短这两天的时间,即快速对接,一般在围绕地球4周左右完成。从发射到对接的总时间6小时以上。或者更加极限,挑战2周、3个多小时对接。但一般来讲,考虑安全性,载人的任务要更小心,货运的可以更大胆。

快速对接领域也是个“艺高人胆大”的竞技场:在载人航天领域,美国有过一个疯狂的纪录,也是人类历史最快速载人情况下对接的1966年双子座11任务,乘组也是后来的阿波罗12号任务两名宇航员,94分钟(一圈)就对接,这个记录无人能破。双子座的这个记录需要超级精确的火箭控制和发射窗口控制,为了实现一圈对接的目标,当时的发射窗口只有1秒,早1秒晚1秒都不行!要知道那是1966年。这既是大胆的技术,也是大胆的玩命。

不过真的没必要玩这么极限,随着人类载人航天逐渐成熟,大家也以实用为主。目前,载人联盟基本能实现6小时载人对接,也在突破往3小时走,是咱们比较靠谱的努力目标。

如前文,货运飞船不载人就无所谓了,理论上可以做到更快,现在的进步号已经可以实现3小时。不过货运没那么急,也因此没啥必要追求对接速度,6小时、或者3小时很好了。

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