【原创文章】回顾美苏六大航天器交会对接

 

【“礼炮-6”号空间站与“联盟T-4”号飞船对接组合体。】

前言:前几天,“联盟”MS-09飞船与国际空间站成功对接。小编在这机会找到一些素材,也简单说说对接那些事,今天说下这方面最经验充足的“老司机”美毛对接那些事。

首先,什么是航天器交会对接

  航天器交会对接是指两个航天器(宇宙飞船、航天飞机等)在太空轨道上交会对接,合并成在结构上连成一体的航天器的过程。1966年3月16日,美国航天员乘坐”双子星座8号”飞船,手动操作交会过程,与无人”阿金纳”目标飞行器对接,实现了两个航天器之间的首次交会对接。1967年10月30日,苏联飞船”宇宙186″与”宇宙188″完成了首次自动交会对接。空间交会对接是载人航天三大基本技术之一,在很多空间活动中都会用到这项技术。例如,可以在近地轨道组装大型空间站,组装飞往月球、火星等外天体的飞行器,可以为空间站运送航天员和物资,可以实现航天器在轨服务、应急救援等。

1 历史上第一次两艘载人飞船空间对接

【苏联航天员沙塔洛夫在示意“联盟”5号与“联盟”4号的对接过程】

  1969年1月16日,载有航天员沙塔洛夫的“联盟”4号飞船与载有航天员沃雷诺夫、叶利谢耶夫和赫鲁诺夫的“联盟”5号对接成功,第一次实现两艘载人飞船在太空对接。共对接了4小时35分钟。对接后,“联盟”5号的两名航天员经过1小时的舱外活动,转移到“联盟”4号上。

【联盟4号这类苏联为实现对接目标时期的主动对接飞船。】

【同上,联盟-5号这类的被动对接飞船。】

【soyuz-4号的返回舱】


2:历史上第一次两个航天器之间的交会对接

  1966年3月16日,美国航天员阿姆斯特朗和斯科特乘坐“双子星座”8号飞船,手动操作交会过程,与无人“阿金纳”目标飞行器对接,实现了两个航天器之间的首次交会对接。

【“阿金纳”目标飞行器】

【“大力神”起飞】

  对接后,飞船猛烈滚动旋转,阿姆斯特朗不得不将飞船与“阿金纳”分开。但飞船仍在滚动,改用手动控制,才使飞船稳定下来。后查明是因人为扳错开关造成姿控系统故障。为确保安全,飞船紧急返回。


3:历史上第一次有人空间交会

1965年12月15日,美国“双子星座”6号和7号飞船在航天员参与下,实现了世界上第一次有人空间交会。这两艘飞船在不同轨道上并列飞行,两艘飞船的间距保持在1.83至 3.05米之间,距离地球达312公里。

 【“双子星座”6号拍摄的7号飞船 】

这次交会是由乘坐“双子星座”6号的小华尔特 P 希拉与汤姆斯 P 斯塔福德与乘坐“双子星座”7号的弗兰克 鲍曼与小詹姆斯 A 路维尔进行的。

【【“双子星座”6号成员组】

 【“双子星座号”7号的运载火箭】

“双子星座号”7号于12月4日在卡纳维拉尔发射后,“双子星座”6号于12月15日上午8时27分发射,此时7号正在其上空飞过。在第一轨道的端点6号点燃一个燃烧18秒的火箭,使它朝7号较高的轨道接近。“双子星座”6号驾驶员希拉在以后的两个圈中重复操作了几次。交会是在第四圈上进行的,这时他们正在太平洋上空。4小时以后,6号降到较低的轨道上,并于12月16日返回地球;7号在轨道上飞行三天后返回地球。

【航母回收返回舱】


4:历史上第一次自动交会对接

  经历了多次失败后,1967年10月30日,苏联发射“宇宙”188号无人飞船。飞行49圈时与“宇宙”186号飞船在太空实现自动对接。对接飞行了3.5小时,船上电视摄像机拍摄了对接过程图像。两艘飞船还于10月31日、11月2日各自分离出一个密封回收舱返回地面。“宇宙”186与“宇宙”188完成了苏联首次自动交会对接。


5:美苏航天器首次交会对接

阿波罗-联盟测试计划(英语:Apollo-Soyuz Test Project (ASTP);俄语:Экспериментальный полёт «Союз-Аполлон» (ЭПСА/EPAS))是历史上第一次由两个国家合作的载人航天任务,由美国和苏联于1975年7月执行 。

【联盟-U火箭载人首秀,直到去年最后一发联盟-U落幕为止,一共发射1200多次】

对于美国来说,阿波罗-联盟测试计划对于美国可以说是最后一次阿波罗任务虽然不是阿波罗计划的一部分,当时使用的还是阿波罗计划产品,也是1981年4月首次航天飞机任务开始前最后一次载人太空任务。对于苏联来说,这次任务是1976年6月联盟21号之前的最后一次太空任务。

【土星-1号从执行了第一次登月任务的1号塔架起飞,这标志着阿波罗时代正式结束】

阿波罗-联盟测试计划(ASTP)中,美国的阿波罗航天器和苏联的联盟航天器在地球轨道中对接。联盟号航天器有正式的任务名:联盟19号,而阿波罗航天器则没有正式的名称,但也在少数场合被称为”阿波罗18号”。

阿波罗-联盟测试计划的想法一定程度上来自于1968年的电影《蓝烟火》(Marooned),在影片中美国的阿波罗团队对一艘苏联宇宙飞船实施了救援。

阿波罗-联盟测试计划使美国国家航空航天局(NASA)在阿波罗计划和天空实验室计划结束后继续进行载人航天任务。由于该计划使用的土星IB号运载火箭以及阿波罗指令/服务舱都是阿波罗计划中遗留下来的多余设备,这次任务也是历史上耗费专项资金最少的一次航天任务。

【美苏双方都在各自轨道舱内工作,“阿波罗”方轨道舱(气闸舱)为单独研制】

联盟19号和阿波罗号飞船同时于1975年7月15日在苏联拜科努尔航天中心和肯尼迪航天中心成功发射,两者发射时间间隔了七个半小时,并于7月17日在太空进行了交会对接。三小时后,两位指令长斯塔福德和列昂诺夫在联盟号的舱门处进行了不同国家的宇航员在太空的第一次握手。根据美国国家航空航天局的计算,这次历史性的握手会在英国海滨城市博格诺里吉斯上空进行,但由于任务的延误,实际握手发生在法国梅斯上空 。

【历史的一刻,在第一次太空行走之后,多次错过登月机会与空间站机会的列昂罗夫终于获得了再次走向太空完成美苏握手的历史任务】

联盟号和阿波罗号连接了四十四小时,其间三位美国宇航员和两位苏联宇航员交换了国旗和礼物(包括后来被栽种的树种),互相交换了签名,参观对方的航天器,合作进行科学实验,一起进餐以及使用对方的语言。

斯塔福德说俄语时明显拖长的发音让列昂诺夫开玩笑说当时有”三种”语言被使用:俄语、英语,和斯塔福德的”奥克拉荷姆斯基语”(“Oklahomski”)。两艘飞船还曾暂时分离。

之后两飞船在互换了位置并再次对接,使联盟号推动整个航天器。联盟号在太空停留了五天,阿波罗停留了九天,苏联的两位宇航员还进行了地球观察实验。两艘宇宙飞船分离之后,阿波罗飞船通过机动创造了一个日食,使联盟号上的宇航员拍摄日冕照片。两艘飞船在告别之前又再次进行了一次对接。

【苏联方面第一次开放对苏联载人航天计划的限制,从公开发射录像到媒体可以实时采访航天员】

从技术角度上以及相互关系上来看,整个任务是一个巨大的成功。另外一个细节是,阿波罗-联盟测试计划是首次携带手持可编程计算器HP-65型的航天任务。计算器是若干导航计算机无法正常工作时的备选工具。幸运的是,计算器没有被使用。

整个任务中唯一一次严重的问题发生在阿波罗号准备返回大气层时;由于一次人为错误,降落过程变得很困难,太空舱里也带有有毒气体。反映控制系统由于疏忽在降落时没有被关闭,使没有燃烧的推进器燃料在调整太空舱气压时被吸入。幸运的是,三位宇航员没有出现严重的问题。阿波罗-联盟测试计划是阿波罗航天器的最后一次飞行任务。任务使用的指令舱目前保存在洛杉矶的加利福尼亚科学中心。

6:航天飞机首次与空间站交会对接

  1995年6月29日,美国航天飞机“亚特兰蒂斯”号顺利地与太空运行的俄罗斯“和平”号空间站对接成功。

  尽管当时俄罗斯在其“联盟”号飞船与空间站方面已积累了70 多次交会对接的实践经验,但是对于美国航天飞机来说, 只有多次与轨道上的卫星进行空间交会的经验,从未与任何航天器进行过对接。并且此次对接涉及两个国家,无论是技术风险, 还是政治风险都是很大的。因此,“亚特兰蒂斯”号航天飞机使用了俄罗斯研制的对接机构。俄制的对接机构经过了数十次空间飞行的考验, 技术上相当成熟, 可靠性也很高。(而且俄罗斯还通过联盟TM-16号原“暴风雪”号航天飞机救援飞船与“和平”号空间站的航天飞机对接舱的对接测试为美制航天飞机对接空间站进行铺路)

【实际测试的唯一一架”联盟“测试机,”联盟“TM-16号在太空中。】

  根据设计计算, “亚特兰蒂斯”号航天飞机与“和平”空间站在对接时的相对速度不得大于0.03米/秒。实际上, 这两个各重100多吨的航天器本身正在轨道上以7678米/秒高速运行。为实现对接,速度控制精度要达到 。为此,在对接过程中尽量利用了轨道动力学原理使航天飞机自然减速, 而不用或少用反作用推力器, 以免喷气羽流污染和平号上的光学镜头等敏感部位。

  在对接过程中, “亚特兰蒂斯”号必须精确保持在以“和平”号(“晶体”舱)对接口中心为顶点的一个想象的圆锥形对接走廊内。当两航天器相距76米时, 锥体直径为21米;当距离为9米时, 锥体直径为1.5米; 到达对接瞬时, 只允许有7.62 厘米的横向偏差。为了保证航天飞机处于锥形对接走廊内, 必须精确控制与空间站的相对速度, 设计要求接近时相对速度不得大于0.06米/秒,而实际上,相对速度控制在了0.03米/秒以下。

  造成对接技术难度大的另一个原因是,允许的对接窗口的时间非常短, 只有两分钟。空间交会对接需要在地面站控制指挥下进行, “亚特兰蒂斯”号与“和平”号对接时, 正处在俄罗斯位于亚洲的一个地面站上空。这个地面站能够跟踪测控两航天器的时间只有2 分钟。除了对两航天器的对接机构中心线的横向偏差要求不大于7.62厘米外, 对两中心线的平行度偏差也要求不大于 。

  “亚特兰蒂斯”号与“和平”号对接的实际操作由机长吉布森负责执行。驾驶员C·普列考特则不断通过机载激光测距雷达和计算机运算, 提供航天飞机相对于空间站的瞬时位置、速度和姿态等数据。当“亚特兰蒂斯”号的对接机构与“和平”号的对接机构一旦接触, 航天飞机就自动打开推力器喷气2.7秒, 推动两对接机构压紧并锁定。接着, 航天飞机上的航天员检查对接部分的密封性, 在对各关键部位进行压力检测, 确认两航天器在结构上完全啮合时, 才打开沟通两航天器的通道,让航天飞机上的航天员全部进入空间站。

  为了完成这次历史性的空间对接任务,美国航天员作了大量的准备工作。机长吉布森在地面约翰逊空间飞行中心的交会对接模拟装置上进行过多次模拟操作; 驾驶员进行过1000 小时以上的模拟操作; 所有“亚特兰蒂斯”号上的5名美国机组人员也都在模拟装置上受过500多小时的飞行训练。

【时隔20年,美俄航天员再次通过APAS对接系统进行握手】

还有,美苏双方各自都对空间站进行过极为惊险的对接,就如《太空救援》电影里面对失控“礼炮-7”号的对接,也同样值得纪念,详细参见:【原创文章】哦“原来是这样”!真正的太空救援 。

(资料来源:中国载人航天工程网,新华网,航天大百科网,网络资料,“冬天的一D锅”原创)


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