月軌交會對接是如何實現的?


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月軌交會對接是如何實現的?

作者丨飛蠓

一般人不知道的是,月球軌道交會對接其實是阿波羅計劃和嫦娥5號任務的最核心的一步。月面著陸和起飛當然也很重要,但這些環節體現不出阿波羅計劃和嫦娥五號任務的特色和精髓,因此怎麼強調“月軌交會對接”的重要性都不過分。

那麼月軌交會對接技術是不是像一些質疑家們所說的那樣“沒有衛星電腦組合控制,即使是現在人類也無法實現月球軌道靠人工駕駛兩個航天器進行對接”“50年前美國沒有月軌無人對接技術,卻能靠宇航員駕駛實現月軌對接,信這個的人腦子裡裝的肯定是豆腐腦”?

當然不是,例如有網友就很機智的諷刺道:“沒有發明自動駕駛技術前,人類無法開車”。

這位質疑家無言以對,只好東拉西扯:“(那你們)說說在沒有衛星電腦精準導航的條件下,兩個航天器如何靠純人工在月球軌道上對接?”

首先要指出的是,無論是阿波羅飛船和嫦娥5號,在月軌上都用不了衛星導航,因為無論是GPS還是北斗,它們發出的導航信號都只適用於地球附近,這些信號傳播到月球軌道距離上已經非常微弱了,因此根本沒法用它們來定位導航。事實上對月軌上的飛行器的定軌測量和計算都是依賴地面上的深空測控網來實現的,精度可以達到幾十米。這個精度用來指揮對接是遠遠不夠的,但可以用來指揮航天器進行空間交會。

下面我就說一下這個月軌交會對接是怎麼在“沒有衛星導航”的情況下實現的。首先需要介紹一點軌道力學基礎。

有三個原理需要牢牢記住:

①高軌道上物體的運動週期比低軌道上的物體運動週期更長,線速度也更慢(開普勒第三定律)。

因此飛行器A追趕飛行器B的方法就是當A的軌道高度高於B時,可以先讓B跑到自己的前面,然後用反向點火的方式,降低自己的軌道高度並加速,從而追上B;而當A的軌道高度低於B時,則可以讓自己跑到B的前面,然後點火,抬高自己的軌道高度並減速,從而與B相遇。

②從一個軌道轉移到另一個軌道時的最佳轉移方式是霍曼轉移軌道,即第一次點火把自己送到一個以原軌道高度為近點以目標軌道高度為遠點的大橢圓軌道,到達遠點後再點一次火,把自己送入目標軌道。

③從一個軌道面變軌到另一個軌道面的最高效方式是在兩個軌道面的交點處點火。力學計算表明,軌道面變軌是非常消耗推進劑的。因此,攜帶推進劑較少的航天器應該盡量避免調整自己的軌道面。

從這些原理可以知道,所謂交會對接,無非就是兩個航天器在合適的時間進行發動機點火,改變它們的軌道,令它們能夠在同一時間以相同的速度出現在空間中的同一個位置。因此可以按照點火的時刻把整個交會對接過程劃分成幾個階段。

①在阿波羅飛船中攜帶推進劑較多的是指令/勤務艙,在嫦娥5號中則是軌返組合體,因此月軌交會對接的第一步是指令/勤務艙或軌返組合體主動變軌,把自己的軌道面改成便於上升級/上升器交會的軌道面。在阿波羅飛船上,點火操作是指令艙駕駛員按照地面指令設置並交給飛船上的計算機執行的。

飛船和探測器在距離地面38萬千米左右的地方飛行,由於信號傳輸需要時間,因此有人質疑阿波羅計劃執行時地面怎麼能夠控制飛船上的火箭點火時間,畢竟飛船每秒鐘就會跑出幾千米遠,等地面的點火指令到達,飛船偏離髮指令時的位置已經很遠了。解決這個問題的辦法非常簡單(而且嫦娥各次任務也是類似的執行機制):在指令裡指定火箭發動機執行指令的時刻,給飛船留出執行指令的時間。

具體講就是地面先根據飛船/探測器當前的運動狀態,計算接下來某個時刻(T0)它的位置、速度和姿態,然後算出在T0時刻它需要執行的點火數據(發動機工作時間、噴口方向等),然後在T0時刻之前幾分鐘或者十幾分鐘時把點火數據提前發送到飛船/探測器上,飛船上的宇航員把數據輸入導航計算機(探測器則是直接注入點火指令),這樣T0時刻一到,計算機就自動操控火箭發動機執行相應的命令了。

從上述介紹可以看出,地面對火箭的控制並不是實時生效的,因此它只能引導兩個航天器在月球軌道交會,而無法引導它們對接,軌道對接工作只能依賴飛船/探測器上的宇航員或導航計算機自主完成。

在阿波羅時代,飛船上的計算機能力很弱,還不足以實現自主交會對接,因此必須靠宇航員人工操作來完成交會對接過程。質疑家質疑阿波羅計劃沒有先試驗無人交會對接就試驗人工交會對接,違反了他們心目中的“科學規律”。這當然是荒謬的,實際上無人交會對接技術難度要遠遠高於人工交會對接,美國人要是在那個時候先搞無人交會對接才是腦子進了水。

②阿波羅計劃中指令艙變軌之後就是地面控制中心根據指令艙的軌道參數,計算出登月艙上升級的發射窗口時間,並把發射需要的數據報給登月艙上升級內的宇航員,由他們輸入導航計算機。當預定的點火時刻來臨時,計算機控制上升級點火起飛,把宇航員和月面採樣樣品帶入一個近月點17千米左右,遠月點84千米左右的繞月橢圓軌道。

③在遠月點處,上升級會再次點火(CSI點火),把他們的軌道圓化,必要時進行CDH點火使上升級始終位於比指令/勤務艙低28千米的軌道上。

?登月艙起飛後繞月第一圈

當然,這些是理論上的規劃值,實際上飛船的軌道往往會與理論軌道有一定的偏差,例如阿波羅11號登月艙“鷹”號的上升級進入的初始軌道是近月點17.6千米、遠月點87.6千米的橢圓軌道,圓化之後是85千米X92.5千米,而當時指令艙“哥倫比亞”號的軌道是104.8千米X 115.8千米,二者相距169.1千米。此時,“鷹”號正好繞月飛行一周。

?登月艙起飛後繞月第二圈

④接下來的40分鐘內,地面會進一步跟踪併計算上升級進入轉移軌道的點火數據,這些參數同樣是由宇航員輸入導航計算機並由導航計算機自動控制發動機。在預定時刻計算機操控發動機實施所謂TPI點火,把上升級送入轉移軌道,這個軌道的理論遠月點略高於指令/勤務艙的軌道高度,上升級從這個點開始繞月飛行大約130°。

在這個轉移過程中,從上升級上看指令/勤務艙,理論計算表明它相對於恆星背景的位置應該是固定的,因此上升級上的宇航員在交會的最後階段(大約相距1.3千米開始,此時相對速度約9.5米/秒)可以通過目視觀測來確定自己的飛行軌蹟有多大的偏差,並操縱RCS發動機反复點火進行修正,最終進入指令勤務艙的軌道並使自己與指令/勤務艙精確地靠在一起,從而完成交會工作。

柯林斯在交會對接最後階段用相機拍到的畫面

從上面的簡單介紹中可以看出,整個交會過程中最重要的就是TPI點火,即登月艙上升級開始從84千米圓軌道上升到112千米圓軌道的那個時刻。 TPI點火時刻通常是在登月艙位於月球背對地球的那一面時,此時與地面的通信是中斷的,因此在此之後宇航員們必須密切配合,依靠他們的交會雷達、六分儀等電子和光學設備定期測量彼此之間的相對距離、接近速率以及接近角度,並利用RCS發動機進行修正。

此外NASA還考慮到一旦船載制導系統(PGNS和AGS)都失靈的情況下宇航員應該有一個應急方案,因此事先計算並準備好一組圖表,當飛船上的製導系統都出現故障的情況下,宇航員可以利用光學儀器、雷達和計時器測量彼此距離、距離變化率、角度和時間,然後在圖表上畫出一條曲線,與理論計算出的曲線進行比較,從而導出可用的TPI點火方案,最終可以安全地與指令勤務艙交會。為此宇航員們在從地面上出發前都進行了相關的大量訓練。當然,這種極端情況從來沒有出現過。

公開資料顯示,嫦娥5號的月軌交會對接過程與阿波羅較為相似,重要的差別是,嫦娥5號利用攜帶推進劑較多的軌返組合體主動實施最後的軌道機動,這相當於阿波羅計劃中的救援模式(指令艙實施變軌與登月艙上升級對接);另外一個重要差別是嫦娥5號的兩個航天器的交會軌道高度是距月面200千米左右,比阿波羅計劃中的交會軌道高度高了差不多100千米。

新華社發布的交會對接最終逼近階段畫面

地面首先引導上升器進入15千米X180千米的繞月橢圓軌道,然後圓化其軌道,並引導兩器進入相互能夠探測的距離(約100千米) ,此時兩器上安裝的高精度微波雷達(主機在軌返組合體上,應答機在上升器上)開始工作,提供彼此的距離、方位、相對速度等數據,並進行雙向空空通信。兩器根據雷達提供信號調整飛行姿態,通過近程導引(把彼此距離縮至1000米,在這個過程中開始使用激光雷達)、最終逼近(距離縮至100米)兩個階段,最終使軌道器上的對接機構捕獲、鎖定上升器。

新華社發布的兩器成功捕獲畫面

公開資料也顯示,嫦娥5號的這些軌道控制方案是在嫦娥5號T1再入返回飛行試驗器服務艙2015年年初的模擬試驗基礎上形成和完善的。

之所以說嫦娥5號的技術難度和水平比阿波羅飛船高,就是因為這些複雜的軌道控制操作大部分是由軌返組合體和上升器利用微波雷達、激光雷達和器上負責制導的計算機自主完成的,無需地面乾預和參與,尤其是對接的時候,兩器位置相對誤差控製到不到5厘米,顯示出中國在人工智能和雷達技術方面的巨大優勢。

中國突破了月球軌道無人交會對接技術難關之後,未來的火星無人採樣返回任務已經沒有大的技術障礙了。