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答:飛船通常以什麼樣的軌道抵達並對接空間站?


國家空間科學中心空少問答小課堂第期答:飛船通常以什麼樣的軌道抵達並對接空間站?空少正解上期我們講到,月日-日,SX公司的載人「龍」飛船(英文...

- 2019年3月11日12時58分
- 科學文摘 / 國家空間科學中心

國家空間科學中心

空少問答

小課堂

第108期


答:飛船通常以什麼樣的軌道抵達並對接空間站?

空少正解

上期我們講到,3月2日-3日,Space X公司的載人「龍」飛船(英文為Dragon 2)發射,並成功與國際空間站對接,這意味著商業航天領域的又一個進步。如果一切順利,這將是美國在2011年結束太空梭計劃以後首次使用本國設計製造的太空飛行器執行載人航天計劃。此前,NASA不得不將載人發射任務外包給俄羅斯。

上次我們也講到,其實,火箭發射飛船比我們想像的還要快,不到10分鐘內就能將飛船送入太空(100公里以上的高度);但通常來說,飛船與國際空間站(約400公里高)會合需要數小時甚至數天的時間;例如這次龍飛船2號從發射到對接就花費了27個小時,而那些速度快的,比如近些年一直用的俄羅斯聯盟號飛船,通常在進入太空後要再花費約6個小時來實現對接。

龍二號飛船發射瞬間(來源:SpaceX推特)


仔細想想有點奇怪,越往高處,地球引力越小,同時飛船已經在火箭的加速之下達到很高的速度了,應該不消多久就能到達空間站的位置。但空間站比我們想像的還難「抓住」,國際空間站的速度每小時約27000公里(17000英里)。即使我們計算精準的讓飛船在同時到達空間站的位置,也要讓它在此時快速變成每小時約27000公里的軌道速度來保持相對靜止,這不是火箭加速一兩下就能簡單實現的。

那麼,飛船通常以什麼樣的軌道抵達並對接空間站呢?

首先,飛船進入太空後,先發射水平火箭,讓飛船速度轉為平行於地面,在較低的高度進入環繞地球飛行的軌道,如下圖動圖所示。由於它所處的軌道較低,此時飛船的飛行速度是比空間站更快的。

飛船第一次轉為圓軌道(來源:https://static.businessinsider.com/image/55198b9869bedd5d608c035c/image.gif?_ga=2.134251059.334468730.1552041032-438925892.1551764723)

接下來,飛船利用「霍曼轉移」(Hohmann

Transfer),使用兩次火箭點火加速,從較低的圓軌道轉移到較高的圓軌道。如動圖所示,第一次點火,使得飛船速度高於在這個高度進行圓軌道飛行的速度,就變成以此處為近地點的橢圓軌道,也就是說它飛到地球另一側時高度更高(但速度變慢,比在那個更高高度圓軌道飛行的速度慢),在那裡在進行第二次點火,讓飛船的速度達到在那個高度圓軌道飛行的速度,就能留在第二個圓形軌道上。這點很多朋友並不陌生,我們發射地球同步軌道衛星等較高軌道衛星時都是用的這種方法。這次軌道仍然比空間站低。

飛船第一次「霍曼轉移」(來源:https://static.businessinsider.com/image/55198be469bedd58608c035b/image.gif?_ga=2.188664042.334468730.1552041032-438925892.1551764723)

在實際操作中,事情不像我們在這裡畫圖這麼輕鬆。廣袤宇宙中的飛行是「差之釐毫,謬以千里」的。由於飛船要準備下一次的變軌,這一次霍曼轉移最後的圓軌道的高度、飛船與空間站的相對位置等都要比較精確,所以此時航天員會根據實際情況(按地面指示)進行「修正點火」(correction burns)。最後要求的軌道是飛船每86分鐘完成一次繞地球的軌道,比國際空間站快4分鐘。

飛船進行「修正點火」(來源:https://static.businessinsider.com/image/55198cc669bedd86658c0359/image.gif?_ga=2.225390168.334468730.1552041032-438925892.1551764723)

在完成了準備之後,飛船進行第二次霍曼轉移,和上邊的原理相同。這次就讓飛船飛到和國際空間站同樣高(約400公里)的圓形軌道了,但是飛船的位置在空間站前邊一點。


飛船第二次「霍曼轉移」,飛到空間站前邊(來源:https://static.businessinsider.com/image/55198d4769bedd19658c0359/image.gif_ga=2.122088649.334468730.1552041032-438925892.1551764723)

最後,飛船在軌道上做一個U型轉彎,啟動發動機減速,讓空間站從後邊追上飛船,飛船不斷調整速度,實現安全的對接。這就是通常採用的飛船對接空間站的過程。

留言區·精選

@ 東方白

坎巴拉中的經驗:先加速到橢圓,最高點再加速成一個圓,與空間站軌道重疊,前提是等待發射窗口@ 天明玩過坎巴拉太空計劃(宰人計劃)的都知道,飛船與空間站對接其實是一個追趕的過程,對接前飛船會數次加速 變軌,最後在一段軌道上飛船軌道和空間站軌道完全的重合,再慢慢加速趕上空間站,最後平行飛行,慢慢靠攏 對接成功@

Benjamin霍曼轉移軌道

感謝大家的支持,我們下期再見!


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