中國空間站已經(jīng)準備好迎接外國航天員了,因為物資已經(jīng)提前送到。
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這已經(jīng)不是天舟第一次秀速度了。回顧歷次天舟任務(wù),對接速度越來越快:
天舟一號用了兩三天,天舟二號縮短到約8小時,天舟三號、四號、六號采用6.5小時模式。天舟五號曾創(chuàng)下2小時的世界最快紀錄。
從天舟七號起,常態(tài)化采用3小時對接模式,雖然比2小時慢一些,但降低了對入軌和測控精度的苛刻要求,可靠性更高。
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相比之下,國際空間站的貨運飛船慢得多。俄羅斯進步飛船日常任務(wù)要繞地球34圈、用時48小時。貨運龍飛船需要18到40小時。歐洲自動轉(zhuǎn)移飛行器體積大、質(zhì)量大,采用保守的長周期交會剖面,短則9天多,長則近14天。
日本白鸛號不具備快速對接模式,通常要飛4到5天。美國諾格天鵝座飛船一般采用2天左右的交會剖面,有時也會延長到近3天。
天舟十號能做到這么快,靠的是3小時自主快速交會對接模式。從入軌到對接耗時約3小時,加上火箭起飛和軌道爬升的時間,總用時不到5小時。
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速度快不是目的,路徑規(guī)劃才是關(guān)鍵。在地球軌道上,速度和高度是相互關(guān)聯(lián)的。速度提高或降低,軌道高度立刻變化。要提高對接速度,必須實施精密的軌道優(yōu)化。
拿天舟五號舉例。傳統(tǒng)模式下,飛船入軌后進入圓軌道,完整飛行多圈確認狀態(tài)正常,經(jīng)過約6次變軌進入近距離對接準備。天舟五號只飛了不到一圈,兩次變軌就抵達對接預(yù)備位置。這是因為測控部門對空間站和天舟的軌道掌握爛熟于心,可以大膽調(diào)整參數(shù)和方案,變軌時間從4個多小時減到約1小時。近距離自主控制段減少了停泊點,用更快的接近速度抵達對接口,時間從2個多小時縮短到40分鐘。這套操作,只有老司機在熟悉的線路上才能玩出來。
3小時模式在時間、燃料、可靠性和入軌容差之間取得了平衡。比2小時方案省燃料、容錯更好;比6.5小時更快,適合緊急上行需求。可以說具備了航班化運行的條件。
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天舟十號按慣例對接在天和核心艙后方。有人好奇為什么不對接在前方節(jié)點艙上。其實天和艙的六個對接口完全相同,但后向端口不但提供人員出入,還配備推進劑補加接口。天舟對接在這里,可以直接為空間站補加燃料。另外,天和艙后方的大柱段比較寬敞,搬運存放物資都相對寬松。宇航員從后方進入天舟搬貨比較輕松。如果對接在節(jié)點艙,通道狹窄,后面的小柱段兩側(cè)是臥鋪和廁所,搬運就局促多了。
天舟十號攜帶了6.3噸貨物,服務(wù)神舟二十三號和二十四號兩批航天員乘組,其中包括巴基斯坦航天員。220多件貨物存放在加壓艙內(nèi),約700千克推進劑由非加壓艙容器攜帶,對接后直接補充到核心艙儲箱。
天舟十號還帶了一件重要裝備:第三套艙外航天服。此前天舟九號已送去兩套,三套全部更新后,三位常駐航天員都具備了出艙條件。另外6項科學試驗載荷、全新太空跑步機等設(shè)備也在貨物清單上。
神舟二十三號飛船即將發(fā)射,神舟二十四號飛船將在半年后發(fā)射,把一名外國航天員送入空間站。考慮到天舟十號飛船將在太空停留近一整年,說明神舟二十四號的物資已經(jīng)提前送到了。中國載人航天就是這么未雨綢繆,確保萬無一失,不打無準備之仗。
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太空跑步機的價值容易被忽視,但對長期駐留的航天員來說至關(guān)重要。航天員在太空易發(fā)生骨質(zhì)流失,必須靠鍛煉對抗。跑步機的難點在于失重——鍛煉者得想辦法讓自己腳踏實地。所以跑步機上配有彈性拉力帶,把使用者壓在跑道上。考慮到2026年下半年巴基斯坦航天員將在軌飛行兩周,屆時有一名中國航天員需值守整整一年,鍛煉保障格外重要。
未來月球科研站建立后,同樣面臨航天員鍛煉和體質(zhì)保持的問題。月球重力只有地球的六分之一,跑步鍛煉大概率還是需要彈性拉力帶輔助。天舟十號送上去的跑步機,某種程度上也是在為月球時代做技術(shù)儲備。
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天舟系列貨運飛船的運載能力在全球數(shù)一數(shù)二。總質(zhì)量約13.5噸,貨運能力約6.9噸,貨重比0.51,在國際同類飛船中最高。天舟九號已于5月6日撤離、7日再入大氣層燒毀。一次性飛船直接燒掉聽著心疼,但俄羅斯進步號、美國天鵝座、歐洲ATV、日本HTV無一例外都是一次性的,連SpaceX龍飛船也只能部分復用。
未來天舟、輕舟、昊龍三種貨運飛船將共同服務(wù)空間站。天舟負責大批量重載補給,輕舟負責高頻率靈活補給,昊龍負責需要返回地面的物資運輸。三者各有側(cè)重、互相補充,構(gòu)成完整的太空物流體系。
天舟十號4小時57分的對接速度,不只是中國航天的技術(shù)秀,更是太空物流體系日益成熟的標志。從兩天到8小時,從6.5小時到3小時,從2小時到5小時內(nèi)的常態(tài)化運行——天舟的速度進化史,就是中國空間站運營能力躍升的記錄。
天舟十號的成功對接,也反映出中國交會對接技術(shù)的持續(xù)精進。交會對接是載人航天的核心技術(shù)之一,涉及軌道計算、姿態(tài)控制、近距離導引、對接機構(gòu)等多個子系統(tǒng)。從2011年神舟八號與天宮一號首次對接至今,中國已經(jīng)完成了數(shù)十次自動和手動交會對接,成功率100%。這個紀錄在全球航天史上也屬罕見。
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從技術(shù)角度看,快速對接對測控系統(tǒng)提出了極高要求。傳統(tǒng)對接模式中,飛船入軌后需要多圈飛行確認狀態(tài),地面測控站有足夠時間跟蹤和處理數(shù)據(jù)。快速對接把多圈壓縮到不到一圈,測控系統(tǒng)必須在極短時間內(nèi)完成軌道確定、偏差修正和指令上傳。這要求測控網(wǎng)絡(luò)具備全球覆蓋能力和高度的自動化水平。中國的測控網(wǎng)經(jīng)過多年建設(shè),已經(jīng)形成了陸海基結(jié)合、國內(nèi)外聯(lián)動的格局,為快速對接提供了堅實基礎(chǔ)。
對接速度的提升還有戰(zhàn)術(shù)意義。戰(zhàn)時或緊急情況下,空間站需要快速補給或緊急撤離。對接時間從兩天縮短到幾小時,意味著航天員面臨的風險窗口大幅收窄。這種能力在和平時期看似用處不大,但在關(guān)鍵時刻可能救命。
未來,隨著天舟、輕舟、昊龍三種貨運飛船全面投入運營,中國空間站的補給能力將進一步提升。從兩天到五小時,天舟的對接速度進步只是中國航天整體能力躍升的冰山一角。
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