“神九”“天宫”交会对接过程扫描

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2012年6月，“神舟九号”飞船与“天宫一号”在太空进行了交会对接。这次交会对接的过程与2011年11月“神舟八号”飞船与“天宫一号”交会对接过程基本相似，只是这一次除了先进行一次自控对接，进一步掌握自控对接方式外，还进行了一次手控对接，利用载人的优势实验和掌握手控对接方式。

发射时机很重要

在发射“神舟九号”前，“天宫一号”要在2012年6月初降轨进入对接轨道，等待“神舟九号”到来。2012年6月中旬，在发射“神舟九号”的前一日（6月15日），在北京航天飞行控制中心的精确控制下，“天宫一号”要偏航180°，建立倒飞姿态，为实施首次载人空间交会对接做好准备。

此后的第二天，我国用“长征—2F遥九”运载火箭在零窗口把作为追踪飞行器的“神舟九号”载人飞船精确送入近地点200千米、远地点330千米、倾角42°的运行轨道，与“天宫一号”的距离为10000千米左右。

为了满足“神舟九号”精确入轨的要求，发射“神舟九号”的“长征—2F遥九”运载火箭又进行了数十项技术状态更改，进一步提高了可靠性和安全性。它扩展了软件功能，更新了导航系统，以实现精确入轨，因为精确入轨能省去调姿、变轨消耗的推进剂，为航天器后续在轨运行提供更好的条件；用多媒体设备记录了火箭生产的全过程，照相6954张，摄像161段；在肉眼无法实别的部位增加了内窥镜检查，为火箭做好“全身体检”；还提升了舒适性，让航天员上天时身体更舒服。

在制导方式方面，由于发射“神舟九号”比“天宫一号”的入轨精度要求更高，因此，采用了迭代制导的方式：发射“天宫一号”时，火箭仅采用固定摄动制导方式，让火箭按照标准弹道飞行。发射“神舟九号”，火箭则采用“摄动+迭代”组合制导。迭代制导是一种比固定摄动制导更为先进的制导方式。摄动制导需要为火箭飞行指定路线，而迭代制导只要为火箭指定目标即可，它在火箭沿着轨道飞向预定目标时，通过实时迭代计算的方式不断修正轨道逼近目标，从而确保实现最高的轨道精度。

交会对接任务要求“神舟九号”在零窗口发射。所谓“零窗口发射”是指在预先计算好的发射时间，分秒不差地将火箭点火升空，不允许有任何延误与变更。“神舟九号”发射的零窗口是根据发射前几小时“天宫一号”的轨道参数来确定的，目的是将“神舟九号”发射到与“天宫一号”共面的轨道上，也就是要求火箭确保入轨时的升交点经度和轨道倾角精度准确无误。由于地球自转和升交点西移，为使“神舟九号”与“天宫一号”的轨道共面，“神舟九号”必须在“天宫一号”轨道面经过发射点后的某一时刻准时点火起飞，误差小于1秒，以实现零窗口发射，否则就需要消耗很多的推进剂来修正两者之间的轨道面偏差。实现零窗口发射与发射场系统也有密切关系。

“天宫一号”的轨道参数主要有轨道周期、轨道高度、倾角、近地点俯角、升交点赤经、偏心率六项。北京航天飞行测控中心要通过测算“天宫一号”最新在轨轨道参数，确定“神舟九号”飞船的零窗口发射时刻。随后，对运载火箭系统参数进行精确的设置。

“神舟六号”、“神舟七号”的发射都是采用手动点火，而“神舟八号”、“神舟九号”的发射采用自动点火。这种变化的主要原因有两个：一是以前点火设备的可靠性不是很高，而现在点火设备的可靠性提高了；二是人手有1秒～3秒的反应时间，所以要实现零窗口准时发射，就必须采用自动发射。其实，从发射“天宫一号”开始就采用自动点火了，手动点火作为补发备保。虽然“天宫一号”的发射有窗口的宽度，即时间的宽度，但还是瞄准了前沿来实施，也做到了准时发射。如果由于某种原因，不能按时在零窗口发射，就必须再等2天，因为“天宫一号”的轨道回归周期是2天。

“太空接吻”大写意

这次空间交会对接过程分为远距离导引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段、再度对接和分离撤离六个阶段来实施。其中第一次对接采用自控方式，第二次对接采用手控方式。

（1）远距离导引段

根据“神舟八号”的经验，“神舟九号”入轨后，将在测控通信系统的导引下，进行大约五次变轨，大约需要2天时间：1、在飞行第5圈时，将把“神舟九号”的近地点抬高到约260千米；2、在飞行第13圈时，“神舟九号”接受数据指令，调整轨道倾角，与“天宫一号”进入同一轨道面；3、在飞行第16圈时，将把“神舟九号”的远地点抬高到约330千米；4、在飞行第19圈时，将把“神舟九号”近地点抬高到约330千米，进一步圆化轨道；5、在飞行第24圈时，“神舟九号”轨道进行组合修正，从初始轨道转移到与“天宫一号”共面的330千米的近圆轨道。在“神舟九号”飞行第28圈时，它位于“天宫一号”后下方约52千米处，这时“神舟九号”可准确地利用所携带的测量装置捕获“天宫一号”，与其建立稳定的空空通信链路，转入自主控制段。

（2）自主控制段

自主控制段又细分为三个阶段，即从52千米到5千米的寻的段，从5千米到140米的接近段，从140米到对接机构接触的平移靠拢段。其中寻的段飞行时间约70分钟，接近段飞行时间约62分钟，平移靠拢段飞行时间约10分钟30秒。但在实际飞行中有可能缩短。

从相距52千米到对接，为了保证每一步准确对接，降低风险，中间设置了4个停泊点，它们分别是5千米、400米、140米和30米。这既是为了切换敏感器和控制模式，进行例行“体检”，把轨道调整到理想位置，也是控制上的可靠性备份措施，合格方能“放行”。一旦出现问题，“神舟九号”可以通过地面控制撤离到上一个停泊点等待故障处置。因此，停泊点就像轮船入港前的锚地，走一段停一停，如果在某一阶段出了问题，可以退回上一停泊点，解决后继续按原计划前进，向“天宫一号”慢慢靠近。这样既可避免走得太快发生碰撞，也提供了处置突发故障的时间。

停泊点的选择与两个因素相关。一是与测量敏感器的使用和测量精度有关，距离越近，对使用的敏感器精度要求越高。要转换敏感器就需要设置停泊点，若在移动过程中转换就会复杂很多。二是与控制方法和控制精度有关。如果控制精度比较差，停泊点就比较远；如果控制精度高，停泊点可以选择更近一些。停泊中的短暂歇息既有助于轨道调整至理想位置，也是控制上的备份措施。

相比之下，由于空间技术更加成熟，执行类似的任务时，俄罗斯现在已经不设置这样复杂的过程，美国在对接时虽然也有停泊过程，但没有这么多环节。我国刚刚开始掌握和实施空间交会对接技术，为了更加稳妥，确保两个飞行器的安全，设置几个停泊点是有必要的。

在这四个停泊点中，5千米停泊点最重要。对于“神舟九号”和“天宫一号”来说，它是一个相对安全的距离。其次是30米停泊点，就像临门一脚，多个发动机同时工作，把“神舟九号”和“天宫一号”拉过来，接合到一起，技术含量最高。

从相距52千米直至交会对接，作用距离较远的微波雷达率先工作；进入20千米后，精度较高的激光雷达开始工作；进入100米时，使用更加精确的CCD光学敏感器和乘员光学瞄准器。这些设备完全由我国自主研制。

（3）对接段

通过位置精度控制和交会测量设备状态确认，“神舟九号”和“天宫一号”将完成捕获、缓冲、拉近和鎖紧四个过程，“神舟九号”对接口上的4只插座与“天宫一号”对接口上4只电连接器对接上后实现刚性连接。此后自主交会用的激光雷达、微波雷达、空空通信机等相关设备关机。

实际上这一过程很复杂。当“神舟九号”和“天宫一号”相距仅几十厘米时，它们的速度、位置、姿态、偏差等11个参数满足对接的初始条件后，“神舟九号”在惯性作用下继续前进，与“天宫一号”轻轻相触。当感应装置感受到接触，飞船尾部的四台发动机随即点火，“捕获”后旋即关机，紧接着相继展开缓冲、校正、拉近、拉紧、鎖死等一系列动作，有上千个齿轮和轴承同步动作，从而将二者组成刚性连接的组合体。在这个过程中，既要防止“牵不上手”，又要防止“追尾事故”，“神舟九号”和“天宫一号”的相对速度需控制在0.2米/秒。“神舟九号”的前进速度比“天宫一号”略高，在交会对接时，它比“天宫一号”的飞行速度略快了0.2米/秒。具体过程分为相撞、捕获、缓冲、校正、拉近、拉紧、密封和刚性连接八个步骤。

（4）组合体飞行段

“神舟九号”和“天宫一号”对接后，由“天宫一号”负责组合体飞行控制，“神舟九号”处于停靠状态。但如果出现故障，“神舟九号”则可以立即进行“替补”。组合体内部环境的统一控制是未来载人空间站运行的重要技术。因为有人参与，这次将对大气环境进行验证，所以两个飞行器之间的通道是否畅通至关重要。要通过自动控制系统接通“神舟九号”和“天宫一号”的电气液路通道，进行信息和能源并网。

航天员进入“天宫一号”前，需对对接装置、“天宫一号”内的环境等进行检测，尤其是要对对接机构进行密封性检漏，并使组合体内的气体平衡。只有在“天宫一号”内部环境满足载人要求的情况下，“神舟九号”的航天员方可打开舱门，进入到“天宫一号”内生活和工作。由于航天员是第一次进入“天宫一号”，而“天宫一号”已在轨运行约9个月，虽然目前工作状态良好，但舱内环境保持得怎样，还需经过测验方能知晓。在太空恶劣环境中，对接机构和舱门的质量非常关键。如果对接机构密封性不严，打开舱门后会漏气；如果舱门质量出现问题，轻则打不开舱门，重则关不上或关不紧舱门，那样就麻烦了，国外曾出现过这种事故。

组合体飞行几小时后还要进行180°大转身，“神舟九号”转到前面，因为处于停靠状态，发动机不再工作，这样节省能源，完全靠“天宫一号”在身后“发号施令”。

此后，进行组合体飞行和控制试验，难度也很大。第一，两个航天器对接后变成一个质量和体积都非常大的刚性结构，这在姿态和轨道控制上有很大难度。第二，对接后“神舟九号”处于停靠状态，飞船上的一些对于组合体飞行不必要的设备都处于关机和休眠状态，只有保证自身平台运转和保证热控需要的设备在运行。

（5）再度对接段

“神舟九号”和“天宫一号”组合体飞行6天左右，所有航天员要从“天宫一号”回到“神舟九号”内，准备进行首次手控交会对接试验。其主要过程为：组合体对接机构解鎖，两个飞行器分离，“神舟九号”飞船撤离至与“天宫一号”相距400米处停泊，然后“神舟九号”飞船在航天员的手动控制下与“天宫一号”进行第二次交会对接，再次构成组合体。其目的是掌握手控对接技术，再次验证交会对接技术及对接机构等部件工作的可靠性与稳定性，进一步考核对接机构的重复使用性能。这样可以增加空间试验的子样，以获得最大的效益。

在“神舟九号”飞船与“天宫一号”相距400米后，“神舟九号”上的航天员通过电视图像以及实时传输的数据，了解两个航天器的距离、高度、轴线差别等参数，准确判断两个航天器的相对速度和相对姿态，然后通过手柄不断精细修正、控制飞船的前进速度和姿态，让两个航天器一点点逼近，使飞船上的乘员光学瞄准器的“十字刻度线”对准目标飞行器的“十字靶标”和“靶标地盘中心”，当三者重合且对接机构接触后，飞船仪表发出对接捕获信号，就标志着对接成功。

实际上这是我国航天器第一次进行手动对接。此前，“神舟”飞船手动控制系统是自动控制系统的备份，由于自“神舟五号”以来，我国历次载人航天任务中自动系统都运行良好，故而手动系统从未启用过。这次任务会对其进行全面验证。

（6）分离撤离段

再次对接4天后，“神舟九号”和“天宫一号”组合体要一分为二，然后“神舟九号”缓缓转身180°，与“天宫一号”行驶方向一致，同时加速飞行，撤离至与“天宫一号”相距5千米以外的安全距离，交会对接任务结束。“神舟九号”飞船返回舱将安全返回内蒙古主着陆场。

两个飞行器的分离与对接一样重要，一旦无法分离，未来载人航天器上的航天员就可能面临巨大风险。自动分离一旦出现故障，可进行手动分离，将两个对接机构掰开。此外，在技术上还可以采用火工品将对接机构炸开，实行强行分离。

对接机构上有12把结构鎖，每把鎖的拉力都是数吨级。为保证分离的实现，采取了四重备份。“神舟九号”鎖钩自动解鎖失效时，由“天宫一号”鎖钩解鎖。如果仍然不行，就先用火工品炸断“神舟九号”鎖钩。仍然无效时，最后的选择就是把“天宫一号”的鎖钩炸毁。万一发生这种情况，“天宫一号”的对接机构就将永远失效，无法在将来迎接“神舟十号”飞船。

“神舟九号”撤离返回后，地面控制对“天宫一号”进行二次轨道机动，将其从343千米的对接轨道抬升到约370千米的自主飞行长期管理轨道，等待下一次交会对接。370千米这个高度，是根据2013年发射“神舟十号”的发射窗口计算得出的，届时“天宫一号”将通过自然衰减把轨道高度降到约343千米。

（责任编辑：吴蕴豪）