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地面如何导引飞船进行交会对接

时间:2017年10月10日 信息来源:中国空间技术研究院官方微信 点击: 字体:

交会对接为什么需要地面导引

空间交会对接包括交会和对接两个相互衔接的过程。空间交会是指两个独立飞行的航天器从一定距离经过一段时间的控制飞行后相互靠近;对接是指两个航天器通过特定的机构连接成一个整体。空间交会对接是一项十分有用的技术,通过交会对接,可以在地球轨道上追踪、捕获和修复失灵的卫星,或分批次运输、组装成更大规模的航天器,或向空间站运送航天员及货物,或带回需要返回地面的航天员及有用的空间站实验样品等。要实现大规模的空间应用,交会对接技术是一项必须掌握的基础技术。

交会过程分为地面导引和自主导引两个阶段,地面导引阶段由地面对相距较远的追踪航天器和目标航天器进行轨道测量,并通过遥控对追踪航天器进行导引控制;自主导引阶段由追踪航天器自主完成测量和导引控制。

交会对接为什么首先需要地面导引呢?当两个航天器相距较远时,它们彼此看不到对方在哪里,而当它们先后经过地面测控站的上空时,地面站测得它们的运动信息,经过计算就可以知道追踪航天器应该怎样飞行才能追上目标航天器。当地面把这些信息告诉追踪航天器后,追踪航天器就像问清了道路一样,可以信心十足地往前飞了。地面导引要满足一定的精度要求,否则就可能造成擦肩而过的遗憾。

 地面如何对飞船进行导引

这里以飞船和空间实验室的空间交会对接为例,说明交会对接的地面导引过程。

地面如何引导飞船进行交会对接.jpg

空间交会对接过程示意图

在实施空间交会对接时,空间实验室通常运行在大约340千米高的两天回归的圆轨道上。通过精心选择飞船的发射窗口和飞行程序,飞船入轨后进入与空间实验室轨道面相近、比空间实验室高度略低且在空间实验室之后飞行的轨道。

根据航天动力学理论,飞船的轨道高度越低,运行周期越短,绕地球飞行的角速度就越大。因此,经过一段时间后,飞船就可以追到距离空间实验室不远的下方,此时通过变轨抬高飞船轨道高度,就可以使飞船进一步接近空间实验室。同时,当二者轨道高度接近时,运行周期也接近了,因此相对速度就变小了。

如果飞船和空间实验室的运行轨道不在同一个平面内,还需在两个平面的交会处进行变轨,使两个轨道共面。当然,考虑到地球大气、地球非球形等因素对轨道面的影响,实际操作中,改变轨道面的变轨位置和变轨冲量方向会略有不同。

具体的变轨控制方案依赖于地面对飞船和空间实验室轨道的测量精度及对飞船的控制精度。假如测量和控制精度很高,飞船只需要少数几次变轨就可以实现交会,就好像高水平的高尔夫运动员,几杆就能把高尔夫球打进洞里一样。

通常,地面导引过程包括46次变轨。每次变轨前,地面测控站首先要对飞船和空间实验室进行精确测轨,知道它们现在和未来的准确位置后,再对飞船发号施令。每次变轨后,地面同样要对飞船和空间实验室进行精确测轨,一方面检验飞船是不是按照地面的指令变轨了,另一方面也是为下一次变轨做准备。这样一环扣一环,每一步都必须将飞船严格控制在预定的范围内,最后才能保障飞船自主导引的正常实施。

 





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