万里穿针等何种窗？入什么轨？停哪个点？

　　特邀答主 王翔
　　中国载人航天工程空间站系统总指挥
　　课前预习
　　轨道规律奠定交会基础 航天器为什么这样飞？
　　航天器是沿着轨道飞行的，轨道是有规律的。
　　宇宙天体的轨道规律，就是设计交会对接的基础。
　　轨道规律一 轨道越低，则运行角速度越快
　　空间站飞行在约400km高度的轨道，1.5小时绕地球一圈；同步轨道卫星高度为36000km，1天绕地球一圈；月球在380000km高，一个月绕地球一圈。那么，只要保持飞船的轨道低于空间站，飞船＂自然＂就以更快的角速度追上空间站。追踪过程中，飞船逐渐抬高轨道，则其与空间站的相对速度也随之逐渐减小。当飞船与空间站轨道高度相同时，两者的相对速度为零，对接就可望实现了。
　　交会对接常常被比喻为＂万里穿针＂，其实距离并不与难度成正比，追踪距离远甚至也不一定多耗燃料，关键在于精准控制飞行过程中的高度差和飞船逐次升轨的时机，需要精确测定两飞行器的轨道，实时获知两飞行器相对位置与速度，精准计算与执行轨道控制。这些才是难点所在。
　　v甲=v乙 ω甲<ω乙
　　轨道规律二 圆轨道上的飞行器做近似匀速圆周运动
　　匀速圆周运动不仅有利于地面的跟踪和观测，而且结合轨道规律一可知，两个飞行器在同高度的圆轨道飞行时，其相对速度会持续保持为零。这就让我们能够为交会对接设置轨道停泊点。
　　v甲=v乙=v丙=v丁
　　轨道规律三 同一轨道面内的变轨机动比改变轨道面节省能量
　　航天器以大约7km/s的速度在轨道中高速飞行，由于速度具有方向性（即速度的矢量特性），若要有限地改变其方向，需要与现有速度同量级的速度增量方可实现。而在万有引力规律下轨道半径与速度的平方成反比，如果原方向不变，相对较小的速度增量就能在同一轨道面内获得显著的高度变化。以400km轨道为例，若要将倾角改变30 ，所需速度增量约4km/s；而同一轨道面内只需约0.3km/s的速度增量，就能将轨道从400km提升到1000km。为了充分利用这一规律，在筹划交会对接时，从起飞到对接的全过程都应尽可能地让飞船与空间站飞行于同一轨道面内。
　　轨道面内变轨机动所需能量<改变轨道面所需能量
　　轨道规律四 轨道面不同，轨道相互交叉的飞行器在相会时无法获得相同的速度
　　同样因为速度的矢量特性，在轨道的交叉点上，两个飞行器可以同时到达同一位置，但此时它们的速度方向不同，相对速度无法保持为零。不仅如此，如果只观察垂直于轨道面的横向相对速度，在整个轨道周期中，这个交会点的相对速度恰好是最大的。如果一定要让二者在此时刻相对速度为零，则需要消耗较大的能量以改变其中一方的速度方向。为了对接，变速过程必须在极短时间内完成，而这相当于要把相交轨道逐渐增大的接近速度稳定地降下来，控制难度是比较大的，而且一旦控制不好，就会＂自然地＂相撞。因此，如果两飞行器轨道面有偏差，一定要设法修正其中一方（通常是飞船），使二者最终在同一轨道面内相遇，才能为对接创造好的初始条件。
　　轨道交点处，甲、乙速度有夹角
　　课内知识
　　交会第1步
　　火箭升空
　　飞船发射为什么需要＂零窗口＂？
　　发射之前的火箭以及包裹在火箭内部的飞船停留于地表，我们可以想象为地球带着它们一起旋转。从起飞的那一瞬间起，火箭飞船不再随地球运动，脱离地表的直接束缚独立飞入太空。因此，起飞时刻就是飞船进入飞行轨道的起点，这一时刻的精准性决定了火箭是否被地球带着偏离了预期的初始条件。
　　火箭是具备 能力的。但是，起飞时刻的偏差造成的恰好是轨道面的偏差，修正所需能量大。
　　因此，规划交会对接任务时，应通过事先对空间站轨道的精确测定和预测设计出理论发射时刻，然后通过地面与火箭的协同让火箭尽可能在理论时刻起飞。这就是飞船发射＂零宽度时间窗口＂（也称＂点窗口＂或＂零窗口＂）的由来。
　　起飞之后，火箭的控制系统在飞行中还将进一步修正残留的偏差，以保证入轨点的精度。
　　交会第2步
　　入轨与追踪
　　空间站为什么在交会前调整轨道？
　　入轨点，就是将飞船送至与空间站处于同一轨道面且在其后下方的特定点，则后续飞船按照规划好的变轨策略逐次抬升轨道，即可在预定时间内追上空间站。因此，入轨点是对两飞行器相对关系（高度差与位置差）的设计。不同的相对关系需要采取不同的变轨策略进行追踪，某一特定的相对关系也可以有不同的追踪策略——就相同的追踪距离而言，在更低轨道上的飞行时间占比越大，追踪越快，交会总时长越短。
　　方案一
　　既然两个飞行器存在相对关系，空间站可以配合交会进行相应调整。火箭的入轨点范围有限，因而空间站最常见的配合措施是在飞船发射前通过升降高度调整其轨道角速度，使得飞船入轨时二者的相对位置恰好在一个合适的区间，有利于飞船后续的追踪飞行。
　　方案二
　　如果空间站不调整，飞船入轨时，空间站则有可能在其前方0 到360 的任何位置。当然，两个飞行器离得远，飞船可以在低轨道多飞一段时间，只要持续比空间站低，总能追上。
　　两种方案各有利弊。空间站调整，有利于飞船以相对固定的变轨策略进行交会，飞行时间也就相对固定，更有利于飞行程序和天地协同的一致性；空间站不调整，飞船每天都可以发射（只要发射时刻保证同轨道面），任务实施的约束少，但交会时间不确定，1到5天都有可能。因此，载人飞船通常采取前一种方案，空间站适当配合，以保证交会时间不会太长且是确定的；而货运飞船没有交会时间的强约束，多用后一种方案。
　　交会第3步
　　远距离追踪与近距离接近 两个飞行器怎样找到彼此？
　　由远及近，飞船追踪空间站。
　　相距较远时，工程分别对飞船和空间站的轨道进行测定，独立确定各自的轨道，基于此制定变轨策略。其实时轨道可以由地面站进行测定和预测，也可以通过飞行器上的卫星导航数据获得。北斗全球导航的应用，使得精确实时的轨道测定成为可能。
　　距离足够近，两个飞行器能够＂呼应＂彼此了，就能通过飞船上安装的测量设备（雷达、光学测量设备等）以及空间站上相应配置的合作目标（应答机、光学靶标等）获得二者间的相对位置和速度。此时，不需要依赖地面测量的绝对数据，而是基于相对轨道关系进行变轨计算即可。之所以这样选择，是因为越近距离，相对测量的精度越高；轨道的相对关系经线性简化后，能够在保证精度的同时大大减少计算量，可以通过飞船的控制计算机在轨实时自主计算，更提高了处置实时性。
　　交会段最后的约100到200米被称为平移靠拢阶段。
　　此时，虽然两个飞行器仍然独立地按各自的轨道规律飞行，但由于轨道间的偏差已经非常小了，直接根据相对关系对飞船进行类似直线飞行的动作调整已经不再需要消耗太大能量，因此可以、也必须在此区间进行3个方向及3轴姿态的6自由度控制，以确保对接接触时刻飞船和空间站不仅位置和相对速度一致，相对姿态及角速度也吻合。二者对准了，交会对接才能进入下一阶段，也就是＂对接＂的机械装配过程。
　　课外阅读
　　偏差修正 与约束条件 轨道控制难在哪里？
　　从火箭发射入轨到两个飞行器追踪接近，步步有序。而在实际飞行中，每一步都可能产生误差。因此，飞行轨道控制规划需要预留轨道修正的时机，根据实际偏差情况进行实时计算、并决定是否实施修正。而所有阶段的测量和计算误差都会转化为轨控参数的误差并且与变轨执行偏差叠加，体现在轨控后的飞行状态中。
　　因此，飞船 ，工程即以实测轨道规划后续的各次变轨，消除入轨偏差；每次轨控之后重新测定轨，再以当前状态更新规划后续的变轨策略和参数，在完成既有追踪任务的同时消除上一次变轨产生的新偏差。
　　＂人不能两次踏进同一条河流。＂古希腊哲学家的这句话，表达了宇宙万物的运动变化。从这个意义上来说，以交会对接为代表的航天任务在每一阶段所面对的，都是又一次全新的任务。
　　轨道控制在按照以上原则进行规划、以保证最终的对接精度之外，还要少消耗 。因此，变轨道高度尽可能在远地点、近地点实施，利用霍曼转移实现能量最优；变轨道面尽可能在轨道交点处实施，通过最高效的控制节省燃料。
　　对轨控过程的实施影响较大的约束条件包括两类。一类是技术条件，比如航天工程早期测定轨能力的不足。另一类是人为规定的安全性措施，比如交会末段和对接过程要在测控可见的弧段内进行，以利于及时处置故障、保证安全。约束条件因任务实施条件和能力而异，也随着技术进步和自主控制可靠性的提高而解除。
　　综上所述，航天器交会是典型的约束条件下多目标规划问题。
　　交会需要停泊点 航天器为什么＂走走停停＂？
　　空间站沿圆轨道飞行。飞船追踪过程中，若通过变轨达到空间站后方同轨道高度的圆轨道上，则两飞行器相对距离和速度保持不变，飞船相对于空间站来说就＂停泊＂了。这样的停泊是由轨道规律保证的，即被动安全：只要不做动作，就没有相撞风险。
　　交会对接飞行过程中设置停泊点是必要的，主要用于以下操作或场景：
　　（1）切换相对测量敏感器。
　　飞船从数百公里追踪至对接，很难由一套设备从头测到底。因此，与空间站相对距离不变且安全的停泊点，是进行不同测量距离的设备切换的最佳位置。也就是说，停下来换装备。
　　（2）故障处置。
　　敏感器等典型故障，即可在停泊点等待处置。实际上，有些交会方案将停泊点作为全系统状态检查的点，确认一切正常才放行。也就是说，停下来检查。
　　（3）对接时间调整。
　　轨控执行有误差，则飞行时间与预计也会有偏差，设置停泊点可以＂吃掉＂此前的飞行时间误差，以保证后续步骤按预定时间计划执行。也就是说，停下来纠偏。对于有对接段测控可见等时间约束的交会方案来说，这一调整能力是非常重要的。
　　（4）解决光学敏感器受阳光干扰的问题。
　　通俗地说就是，阳光晃眼时在停泊点等待，太阳转过去了再走。
　　停泊点可以设置在空间站的后方，也可以在其前方。从后向停泊点继续接近空间站，需要略降轨，追近后再升轨、停泊。从前向接近则是先升轨，等待空间站靠近后再降轨停泊，正反向分别重复这一过程，直至进入 阶段。
　　径向交会有利有弊 飞船为什么不从侧面对接空间站？
　　除了利用停泊点从前、后方向接近空间站直至最后对接，飞船也可以从空间站下方，沿地球半径方向向上接近空间站至对接。
　　2021年10月16日，神舟十三号载人飞船成功发射并完成我国首次径向交会对接。
　　径向交会的两个航天器保持在同一轨道面内，从能量消耗及最终的对接条件来说仍然是较为理想的。径向交会让空间站在不改变飞行姿态的情况下，增加了接纳来访飞行器的能力。同时，得益于干净的太空背景，径向交会过程中飞船向上观测空间站条件好。
　　径向交会的难点也是轨道规律带来的。因为飞船始终低于空间站，无法利用轨道角速度特性实现被动停泊，若需停泊就得使用燃料持续控制。此外，径向交会时飞船处于头冲天、尾向地的＂直立＂姿态，地球敏感器、测控天线等适应与地面平行飞行常规姿态的设备布局，需要专门设计或调整。
　　同一轨道面内的前、后、径三个方向是空间站接纳来访飞行器的常用端口，也是目前在轨飞行的天舟二号、天舟三号和神舟十三号在空间站中的对接方向。在前文阐述的轨道规律四中，已经说明了通常不直接进行侧向对接的原因。侧向交会对接两飞行器处于不同轨道面，两个轨道面的交点处相对速度最大，如实施交会对接控制难度大且安全性不佳，因此，舱段需要最终连接至侧向对接口的话，一般是先前、后或径向对接，然后在机械臂或转位机构的辅助下＂搬家＂到侧向。
　　从两天到6.5小时 快速交会是怎样实现的？
　　2021年6月17日，神舟十二号载人飞船与天和核心舱形成组合体，交会对接全程时长从过去我国载人飞船通常需要的两天左右缩短至6.5小时。
　　交会过程快，就是要在尽可能少的飞行圈次内，在很少的几个轨道特征点上完成所需的交会变轨。因此，规划的变轨次数少、轨控之间的间隔短，才能有效缩短交会时间。这又对其他条件提出了要求：
　　（1）火箭入轨精度高。
　　由于需要调整修正的量小，不必规划太多的轨控次数。
　　（2）测定轨实时精确。
　　在北斗全球导航系统的支撑下，此条件已实现。
　　（3）实时轨控规划与计算精准。
　　在北斗提供实时精准测定轨的前提下，要么飞船的船载计算机运算能力足够高，能够自主进行规划和轨控；要么地面注入轨控参数时段宽裕，注入时刻不构成约束。
　　（4）轨控精度足够高。
　　不会产生新的偏差项，且偏差足够小，不超过规划的调整能力。
　　因此，快速交会的实现是由地面、运载火箭、飞行器、导航与中继卫星等等构成的大系统整体能力提升与协同保障的结果。
　　知多D
　　有＂法国范＂的交会对接
　　两个航天器于同一时间、在轨道同一位置、以相同速度和姿态会合并在结构上连为一个整体，被称为交会对接。这是建设中国空间站的关键技术，是实现＂1+1=1＂的前提，也是航天器在轨运行中最复杂的技术之一。它分为交会、对接两个阶段，英文为Rendezvous and Docking（RVD）。
　　Rendezvous源自法语。有国外同行在交流中告诉笔者，他们在日常口语中也会用rendezvous表达跟谁在哪儿会合，但一定是到一个比较远的地方，至少是另一个城市或城市的另一端；去隔壁房间碰个头，算不上rendezvous。由此看来，交会对接就是指航天器不远千万里地会合、然后连接装配在一起。
　　当两个航天器合为一体，交会对接完成。而这一切的帷幕在火箭发射之前已然开启。空间上，交会对接所包含的元素远远超越对接航天器本身；时间上，它是由多个动态步骤依次构建的过程。
　　统筹：周全 来源：新华社