神舟十三号对接有多难?7.68km/s下对准80cm对接口,堪比万里穿针

神舟十三号成功发射啦!
我国航天员翟志刚、王亚平和叶光富3名航天员搭乘着神舟十三号飞船 , 前往我国空间站 , 而他们3位也是我国空间站第二批住客 , 预计将会在我国空间站生活和工作长达6个月 。
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此次神舟十三号和空间站采用了一项高难度的“交会对接”技术:径向对接 , 在此之前 , 还未有任何航天器在太空中实现过这项技术 。 这项技术虽然难度很高 , 但对于空间站未来的建设起到了至关重要的作用 。 那么问题来了 , 径向对接技术到底是什么?它具体有什么用处呢?
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径向对接
神舟十三号前往空间站后 , 需要和空间站交会对接 , 航天员才可以进入到空间站当中 。 因此 , 在这个过程中 , 飞船与空间站的空间对接技术就非常重要 , 一般有三种方式 , 它们分别是:V向对接、径向对接、Z向对接 。
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要了解这个问题 , 我们首先要从飞船的飞行原理说起 。 这里其实用到的是牛顿万有引力的知识 , 我们就用牛顿曾经采用过的思想实验“牛顿大炮”来讲述 。 我们都知道 , 地面虽然看起来是纯平的 , 但是如果从足够大的尺度来看 , 地面其实是“弯曲”的 , 而且是向下弯曲 , 这是因为地球本身是个球体 。 如果这时候我们手上拿一颗炮弹 , 然后放手 , 炮弹垂直落到地面上 , 这是因为地球自身有个向下的引力作用 。
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如果用大炮来打炮弹 , 那么此时就会呈现一个抛物线 , 这是因为炮弹具有了一定的初速度 。 如果我们让炮弹的速度变快 , 那么就能够打跑一个水平距离更远的炮弹 。
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如果我们能够继续加快炮弹的初速度 , 使得炮弹向下的下坠程度恰好和地面向下弯曲的程度是一样的 , 那此时的炮弹就不会掉下去 , 而是持续绕着地球转 。 这个初速度对应的就是第一宇宙速度 , 它的数值是7.9公里/秒 。
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所以 , 运载火箭都要把飞船加速到第一宇宙速度 , 甚至更快的水平 , 如此才能够升空 。
不过 , 同样是绕着地球转 , 不同的轨道高度 , 飞船的速度是不同的 。 飞船前往空间站进行交会对接 , 就会有许多不同的情况 。 最常见的是V向对接 , 说白了就是两个航天器处于同一个轨道高度 , 一个在前一个在后 , 然后后面的这个追上前面的 , 实现对接 。
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对应到飞船和空间站就是 , 空间站绕着轨道转 , 飞船逐渐飞到空间站的轨道上 , 然后追上空间站 , 和空间站交会对接 。 整个过程一般需要6个小时 , 飞船全程要飞20万公里的路程 。 要知道 , 空间是三维的 , 有上下左右前后六个维度 , 这个技术只需要保证在前后方向上速度几乎一致时对接即可 , 这好比就是一个“追及问题” 。 因此 , 技术上要相对简单一些 , 也最常用 。 神舟十二号在发射时 , 也采用了这个技术 。
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Z向对接和V向对接不同的是 , 飞船和空间站不是头尾相接 , 而是飞船追上空间站后 , 飞到空间站的左右两侧来进行交会对接 。
不过 , 这次神舟十三号使用的是:径向对接 。 径向对接说白了径向对接是一个在上面 , 一个在下面 , 然后上下方向上逐渐交会对接 , 那这个技术难在哪里呢?
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和V向对接不同 , 飞船并不会直接飞到和空间站一样的轨道高度上 。 飞船的轨道高度要低于空间站的轨道 , 然后逐渐飞到空间站下方 , 然后和空间站保持相对静止的运动状态 , 在这样的情况下 , 逐渐上升和空间站进行对接 。 这听起来好像不太难?
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实际上 , 要实现这个技术非常难 。 要知道 , 空间站是在高速运动 , 空间站最新的速度数据是7.68千米/秒 , 神舟十三号飞到空间站下方后 , 要与它保持相对静止是很难的 , 因为轨道不同 , 所需要保持的速度就是不同的 。 这就好比是两个人在弯道上赛跑 , 还要一直保持在同一个水平线上 , 要知道两个人跑步的速度大概只有在10米/秒的量级 , 而两个航天器的速度要比人跑步快700多倍 , 还要保持相对静止就非常难了 。