地面如何導(dǎo)引飛船進(jìn)行交會(huì)對(duì)接
交會(huì)對(duì)接為什么需要地面導(dǎo)引
空間交會(huì)對(duì)接包括交會(huì)和對(duì)接兩個(gè)相互銜接的過(guò)程。空間交會(huì)是指兩個(gè)獨(dú)立飛行的航天器從一定距離經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的控制飛行后相互靠近；對(duì)接是指兩個(gè)航天器通過(guò)特定的機(jī)構(gòu)連接成一個(gè)整體。空間交會(huì)對(duì)接是一項(xiàng)十分有用的技術(shù)，通過(guò)交會(huì)對(duì)接，可以在地球軌道上追蹤、捕獲和修復(fù)失靈的衛(wèi)星，或分批次運(yùn)輸、組裝成更大規(guī)模的航天器，或向空間站運(yùn)送航天員及貨物，或帶回需要返回地面的航天員及有用的空間站實(shí)驗(yàn)樣品等。要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的空間應(yīng)用，交會(huì)對(duì)接技術(shù)是一項(xiàng)必須掌握的基礎(chǔ)技術(shù)。
交會(huì)過(guò)程分為地面導(dǎo)引和自主導(dǎo)引兩個(gè)階段，地面導(dǎo)引階段由地面對(duì)相距較遠(yuǎn)的追蹤航天器和目標(biāo)航天器進(jìn)行軌道測(cè)量，并通過(guò)遙控對(duì)追蹤航天器進(jìn)行導(dǎo)引控制；自主導(dǎo)引階段由追蹤航天器自主完成測(cè)量和導(dǎo)引控制。
交會(huì)對(duì)接為什么首先需要地面導(dǎo)引呢？當(dāng)兩個(gè)航天器相距較遠(yuǎn)時(shí)，它們彼此看不到對(duì)方在哪里，而當(dāng)它們先后經(jīng)過(guò)地面測(cè)控站的上空時(shí)，地面站測(cè)得它們的運(yùn)動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以知道追蹤航天器應(yīng)該怎樣飛行才能追上目標(biāo)航天器。當(dāng)?shù)孛姘堰@些信息告訴追蹤航天器后，追蹤航天器就像問(wèn)清了道路一樣，可以信心十足地往前飛了。地面導(dǎo)引要滿足一定的精度要求，否則就可能造成擦肩而過(guò)的遺憾。
地面如何對(duì)飛船進(jìn)行導(dǎo)引
這里以飛船和空間實(shí)驗(yàn)室的空間交會(huì)對(duì)接為例，說(shuō)明交會(huì)對(duì)接的地面導(dǎo)引過(guò)程。
空間交會(huì)對(duì)接過(guò)程示意圖
在實(shí)施空間交會(huì)對(duì)接時(shí)，空間實(shí)驗(yàn)室通常運(yùn)行在大約340千米高的兩天回歸的圓軌道上。通過(guò)精心選擇飛船的發(fā)射窗口和飛行程序，飛船入軌后進(jìn)入與空間實(shí)驗(yàn)室軌道面相近、比空間實(shí)驗(yàn)室高度略低且在空間實(shí)驗(yàn)室之后飛行的軌道。
根據(jù)航天動(dòng)力學(xué)理論，飛船的軌道高度越低，運(yùn)行周期越短，繞地球飛行的角速度就越大。因此，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，飛船就可以追到距離空間實(shí)驗(yàn)室不遠(yuǎn)的下方，此時(shí)通過(guò)變軌抬高飛船軌道高度，就可以使飛船進(jìn)一步接近空間實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，當(dāng)二者軌道高度接近時(shí)，運(yùn)行周期也接近了，因此相對(duì)速度就變小了。
如果飛船和空間實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行軌道不在同一個(gè)平面內(nèi)，還需在兩個(gè)平面的交會(huì)處進(jìn)行變軌，使兩個(gè)軌道共面。當(dāng)然，考慮到地球大氣、地球非球形等因素對(duì)軌道面的影響，實(shí)際操作中，改變軌道面的變軌位置和變軌沖量方向會(huì)略有不同。
具體的變軌控制方案依賴于地面對(duì)飛船和空間實(shí)驗(yàn)室軌道的測(cè)量精度及對(duì)飛船的控制精度。假如測(cè)量和控制精度很高，飛船只需要少數(shù)幾次變軌就可以實(shí)現(xiàn)交會(huì)，就好像高水平的高爾夫運(yùn)動(dòng)員，幾桿就能把高爾夫球打進(jìn)洞里一樣。
通常，地面導(dǎo)引過(guò)程包括4～6次變軌。每次變軌前，地面測(cè)控站首先要對(duì)飛船和空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確測(cè)軌，知道它們現(xiàn)在和未來(lái)的準(zhǔn)確位置后，再對(duì)飛船發(fā)號(hào)施令。每次變軌后，地面同樣要對(duì)飛船和空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確測(cè)軌，一方面檢驗(yàn)飛船是不是按照地面的指令變軌了，另一方面也是為下一次變軌做準(zhǔn)備。這樣一環(huán)扣一環(huán)，每一步都必須將飛船嚴(yán)格控制在預(yù)定的范圍內(nèi)，最后才能保障飛船自主導(dǎo)引的正常實(shí)施。
