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7小时上升390公里!天舟三号太空“送货”不遥远,难在哪里?

2021年9月20日下午3点10分,长征7号火箭托举着天舟三号货运飞船发射升空,夜里10点08分,天舟三号在距地面390公里高度与天宫空间站实现自主交会对接,自发射到对接成功总共不到7个小时,距飞船入轨仅6个半小时。

天和天舟三舱组合体

390公里的距离并不遥远,我们平时在高速公路上开车的速度通常是100公里/小时,不用4小时就能跑完390公里,更何况飞船的速度是7.7公里/秒,怎么说花了7个小时与空间站对接是件了不起的事情呢?

在过去相当长的时间里,货运飞船跟国际空间站的对接通常需要5天左右时间,即便是近几年来,美国的“天鹅座”飞船和SpaceX的“龙”货运飞船最短也得两天才能飞到空间站。由此可见,太空“送货”尽管看起来并不遥远,却也不是想快就能快的,因为飞船上天除了要有火箭助推,它也得遵循极复杂的轨道力学。

空间站机械臂抓住龙飞船再对接

我们知道,无论卫星、空间站或是飞船,所有航天器都需要以极快的速度绕着地球飞行,速度慢了就会掉下来,在大气层里化作一团熊熊燃烧的火球。这是因为航天器受到地球引力牵引,它有一个向下的重力势能,为了对抗这个重力势能,航天器必须绕着地球做离心运动,当平均速度达到7.68公里/秒时,才能保持在距离地面400公里的高度不掉下来。

中国的天宫空间站飞行的速度就是这么快,“快递小哥”如果要把货物送到“天宫”,它也必须达到7.68公里/秒才能追上空间站,并且与空间站保持步调一致。

天舟三号从空间站后向对接

天舟三号货运飞船带了约6吨货物,加上燃料,它的发射质量超过13吨。要想在7小时内把这么重的飞船从0加速到27600公里/小时的速度,并且抬升到390公里的高度,不仅需要一枚强大的火箭,更需要细如发丝的精确控制,比奥运会步枪比赛打10.9环难多了。

然而中国天舟三号并不是最快的,俄罗斯货运飞船曾创下3小时40分钟成功对接国际空间站的世界记录,此前6小时对接的记录同样由俄罗斯“进步-56”保持。

2018年7月9日21时51分(格林尼治时间),俄罗斯“进步-70”货运飞船由哈萨克斯坦拜科努尔航天中心发射升空,次日1时31分,飞船与国际空间站成功对接,为空间站带去了2.45吨的燃料、食品、水和其它给养。

2020年10月14日,俄罗斯“联盟MS-17”号载人飞船更是将从发射到对接的时间缩短到3小时03分,飞船只飞了两圈就与国际空间站成功对接,再一次刷新纪录。

俄罗斯“进步-70”号货运飞船

为什么要试验快速对接?货物早一点晚一点送到有区别吗?载人航天更注重安全、可靠,以及充分的冗余,不会“憋急了才去找厕所”。空间站物资尚有余量时,地面就会送去新的补充,因此大多数情况下,货运飞船早一天对接与晚几天靠泊问题不大。但是空间站主要用于科学实验,有一些实验用品(比如说生物实验样品)对时间有严格要求;另外在紧急情况下需要地面发射飞船提供物资,或撤离空间站上的人员,这时候快速对接技术就必不可少。

航天发射在安全性的基础上也要考虑经济性,长征七号运载火箭近地轨道推力是14吨级,天舟货运飞船每次发射质量也在13吨多,基本不会出现大马拉小车的情况。因为一次发射任务非常昂贵,货物的运送量都要精确到克。即便如此,运载火箭也不是一下子就把飞船送到空间站身边,长征七号火箭先把天舟三号送到近地点200公里、远地点342公里的椭圆轨道上,再由飞船上的推进发动机择机进行6次点火变轨,一点一点地靠近“天宫”。

天舟三号发射时与空间站的相对位置

为了实现快速对接,飞船发射窗口也非常重要。长征七号遥四火箭在点火发射的瞬间,中国空间站天和核心舱刚好运行到文昌发射中心上空附近,这样只要火箭飞行的方向与空间站保持一致、天舟三号的轨道面与空间站运行轨道面夹角最小,飞行过程中调姿所需要消耗的燃料更少,对接速度也就能更快。

天舟三号7小时的快速交会对接表明,中国运载火箭的可靠性与发射精度、货运飞船的轨道控制技术、北斗导航系统与天链系统对航天器的支持、地面与空间的轨道测控技术,以及航天器的自动化水平都达到了国际领先。从结果来看,只有俄罗斯在某些方面比我们强。

天舟三号与空间站对接画面

中俄能做到的事情,为什么美国做不到?照理说SpaceX的猎鹰9火箭比长征七号推力更大、龙飞船比天舟更轻带的货也更少,它应该可以做到更快,为什么货运龙需要近两天、龙-2载人飞船也要一天多才能靠泊空间站?

在航天领域,美国人向来不服输,做不到更好只能说明某些地方他们的能力不够。航天发射是一项综合工程,你有了大推力火箭还不够,需要做到各方面都没有短板才行。美国尝试过将对接时间缩短到6小时以内,但几次实验都是因某一两个环节出现问题,最后拖到了两天才对接。