对于大器厚成中国空间站的交会对接丨太空站以及刚性连接相关的题，你们想知道那些呢？下面让小编带你们了解一下。
两艘航天器同时、在轨道上同一位置、以相同速度和姿态并在结构上连接成一个整体的相遇称为交会对接。这是我国空间站建设的关键技术，是实现“1+1=1”的前提，也是航天器在轨最复杂的技术之一。分为交会和对接两个阶段，英文称为RendezvousandDocking。
约会源自法语。一些外国同事在交流中告诉笔者，他们在日常英语口语中也用rendezvous来表达想在哪里见谁，但一定是去一个比较远的地方，至少是另一个城市或者城市的另一端；在隔壁房间见面大小，不是真正的约会。从这个角度来看，交会对接意味着航天器行驶数千英里相遇，然后连接和组装在一起。
当两艘航天器合二为一时，交会对接就完成了。而这一切的帷幕在火箭发射之前就已经拉开。在太空中，交会对接所涉及的因素远远超出了对接航天器本身。随着时间的推移，它是一个由多个动态步骤依次构建的过程。
天宫即将竣工，结果源于起点，起点通向终点；新工具大有可为，一招可移千事，整体规划就会好。交会对接为航天系统工程提供了有力的解释。
展示中国空间站建设的动画。
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1.轨道规则为交会奠定基础
宇宙飞船为什么要这样飞行？
航天器沿着轨道飞行，轨道是规则的。宇宙天体的轨道规则是设计交会对接的基础。
轨道规则一轨道越低，运行角速度越快。空间站在高度约400公里的轨道上飞行，15小时绕地一圈；地同步轨道卫星高度36000公里，绕地一日；月的高度为38万公里，绕地一周为一个月。那么，只要保持航天器的轨道低于空间站，航天器就会“自然”地以更快的角速度追上空间站。在跟踪过程中，航天器逐渐升高轨道，其与空间站的相对速度也逐渐减小。当航天器与空间站的轨道高度相同时，两者相对速度为零，有望实现对接。
交会对接常常被比喻为“穿针引线千里之外”。事实上，距离与难度并不成正比。更长的跟踪距离甚至可能不会消耗更多的燃料。关键在于精确控制飞行过程中的高度差和航天器连续轨道增加的时机。需要精确测量两架飞行器的轨道，实时了解两架飞行器的相对位置和速度，并精确计算和执行轨道控制。这些都是困难所在。
轨道定律2圆形轨道上的飞行器作近似匀速圆周运动。匀速圆周运动不仅有利于地面跟踪和观测，而且结合轨道定律可以看出，当两架飞机在同一高度的圆周轨道上飞行时，它们的相对速度将继续保持为零。这使我们能够建立用于交会和对接的轨道系泊装置。
轨道规则三同一轨道平面内的变轨机动通过改变轨道平面来节省能量。航天器以约7公里/秒的速度在轨道上高速飞行。由于速度是有方向性的，如果想要以有限的方式改变方向，就需要与现有速度相同大小的速度增量。根据万有引力定律，轨道半径与速度的平方成反比。如果原始方向保持不变，相对较小的速度增量就可以在同一轨道平面内实现显着的高度变化。以400公里轨道为例，倾斜角度改变30，所需速度增量约为4km/s；而在同一轨道平面内，只需增加约03公里/秒的速度增量，即可将轨道从400公里增加到1000公里。为了充分利用这一规则，在规划交会对接时，航天器和空间站从起飞到对接应尽可能在同一轨道平面内飞行。
轨道规则4不同轨道面且轨道相交的飞行器相遇时不能获得相同的速度。也由于速度的矢量特性，在轨道交叉点，两架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，如果我们只观察垂直于轨道平面的横向相对速度，这个交叉点的相对速度恰好是整个轨道周期内最大的。如果此时两者的相对速度必须为零，则需要消耗大量的能量来改变其中之一的速度方向。为了对接，变速过程必须在很短的时间内完成，这相当于不断降低相交轨道逐渐增加的接近速度。控制难度比较大，一旦控制不好，就会“自然”发生碰撞。因此，如果两架飞行器的轨道平面出现偏差，就必须设法修正其中一架，使两者最终在同一轨道平面相遇，从而为对接创造良好的初始条件。
轨道平面相交的两架飞机之间相对速度关系的图示。
2、交会旅程的起点火箭升空
为什么航天器发射需要“零窗口”？
发射前的火箭和包裹在火箭内的航天器停留在表面，我们可以想象地随它们一起旋转。从起飞那一刻起，火箭飞船就不再随地移动，而是不受地表面的直接约束，独立飞入太空。因此，起飞时刻是航天器进入飞行轨道的起点。这个时刻的准确性决定了火箭是否被地带走而偏离了预期的初始条件。
火箭有能力纠正偏差。然而，起飞时间的偏差恰恰造成了轨道平面的偏差，修正需要大量的能量。因此，在规划交会对接任务时，应通过提前精确测量和预测空间站轨道来设计理论发射时间，然后通过地面与火箭的配合，使火箭在指定时间起飞。尽可能多的理论时间。这就是航天器发射“零宽度时间窗”的由来。起飞后，火箭控制系统将进一步修正飞行过程中剩余的偏差，以保证入轨点的准确性。
2021年10月16日，长征二号F运载火箭发射升空，将神舟十三号载人飞船送入太空。
3、交会第二步入轨与跟踪
为什么空间站在交会前要调整轨道？
入轨点是将航天器送至与空间站同一轨道平面上及其后方和下方的特定点。然后后续的航天器将按照计划的变轨策略逐步升轨，并能在预定的时间内赶上空间站。因此，入轨点就是两架飞行器相对关系的设计。不同的相对关系需要不同的变轨策略进行跟踪，特定的相对关系也可以有不同的跟踪策略。——相同跟踪距离下，低轨道飞行时间比例越大，跟踪速度越快，总交会时间越短。
由于两架飞机具有相对关系，空间站可以结合交会做出相应的调整。火箭入轨点的范围有限，因此空间站最常见的配合措施是通过发射前升高和降低高度来调整航天器的轨道角速度，使两者在发射时的相对位置一致。航天器进入轨道正好处于合适的范围内，有利于航天器的后续运行。跟踪飞行。如果空间站不调整，当航天器进入轨道时，空间站可能位于其前方0到360的任何位置。当然，如果两艘飞船相距较远，飞船可以在低轨道飞行一段时间。只要继续低于空间站，就总能追上。
两种选择都有优点和缺点。空间站的调整有利于航天器以相对固定的变轨策略进行交会，飞行时间相对固定，更有利于飞行程序的一致性和天地协调；如果空间站不调整，航天器每天都可以发射，任务执行的较少。但集合时间不确定，可能需要1到5天。因此，载人航天器通常采用前一种方案，空间站适当配合，保证交会时间不过长且确定；而货运飞船对交会时间没有很强的，常常采用后一种方案。
神舟十三号径向交会对接示意图。
4、交会第三步远距离跟踪、近距离接近
两架飞机如何找到对方？
飞船从远到近，跟踪空间站。
当距离较远时，该项目分别测量航天器和空间站的轨道，独立确定各自的轨道，并据此制定变轨策略。其实时轨道可以通过地面站测量和预测，也可以从飞机上的卫星导航数据获得。北斗全导航的应用，使准确、实时的定轨成为可能。
当距离足够近时，两艘航天器可以相互“回应”，通过航天器上安装的测量设备和空间站上相应的合作目标，可以获得两者之间的相对位置和速度。这时就不需要依赖地面测量的绝对数据，而是可以根据相对轨道关系计算出轨道变化。如此选择的原因是距离越近，相对测量的精度越高；将轨道的相对关系进行线性简化后，在保证精度的情况下可以大大减少计算量。它可以由在轨航天器的控制计算机实时独立计算。它进一步提高了实时处理能力。
交叉口的最后100到200米称为平移接近阶段。此时，虽然两架飞机仍然按照各自的轨道规则独立飞行，但由于轨道之间的偏差很小，因此不再需要消耗太多的能量来根据轨道进行类似直线飞行的调整。相对关系。因此，在这个区间内可以而且必须进行3个方向、3轴姿态的6自由度控制，不仅保证航天器与空间站在对接接触瞬间的位置和相对速度一致，但相对姿态和角速度也是一致的。当两者对准后，交会对接就可以进入下一个阶段，这就是“对接”的机械装配过程。
神舟八号与天宫一号近距离接近示意图。
5偏差修正与约束
赛道控制有什么难的？
从火箭发射入轨到两艘飞船跟踪接近，每一步都井然有序。实际飞行中，每一步都可能出现错误。因此，飞行轨道控制规划需要预留轨道修正的机会，根据实际偏差进行实时计算，并决定是否实施修正。各阶段的测量和计算误差将转换为轨道控制参数误差，并与变轨执行偏差叠加并反映在轨道控制后的飞行状态中。
因此，当航天器进入轨道时，该项目是根据实测轨道来规划后续的变轨，以消除入轨偏差；每次变轨后重新测量轨道，然后根据当前状态更新和规划后续的变轨策略和参数。完成后还有一个跟踪任务，同时消除上次轨道变化造成的新偏差。
“一个人不能两次踏入同一条河流。”古希腊哲学家的这句话表达了宇宙万物的运动和变化。从这个意义上说，以交会对接为代表的太空任务在每个阶段都面临着全新的任务。
除了按照上述原则进行规划以保证最终的对接精度外，轨道控制还消耗较少的燃料。因此，改变轨道高度尽可能在远地点和近地点实施，利用霍曼转移实现能量优化；改变轨道表面尽可能在轨道交叉点实施，通过最有效的控制来节省燃料。
有两类约束对轨道控制过程的实施影响较大。一是技术条件，比如航天工程初期缺乏定轨能力。另一种是人为规定的安全措施。例如最后阶段的交会对接过程必须在测控可视弧段内进行，以便于及时处理故障，确保安全。因任务执行条件和能力而异，并且随着技术进步和自主控制可靠性的提高而解除。
综上所述，航天器交会是一个典型的约束下的多目标规划题。
神舟八号-天宫一号交会对接轨道控制示意图。
6.集合地点需有停车位
飞船为何会“走走停停”？
空间站在圆形轨道上飞行。航天器在跟踪过程中，如果通过变轨的方式到达空间站后方同一轨道高度的圆形轨道，两飞行器的相对距离和速度将保持不变，航天器就会相对“停泊”空间站。这样的停车是有赛道规律保证的，即被动安全只要不动作，就没有碰撞风险。
交会对接飞行时需要设置停放点，主要用于以下作业或场景
切换相对测量传感器。航天器从数百公里的跟踪到对接，一套设备很难从头到尾测量。因此，与空间站相对距离恒定、安全稳定的停放点是不同测量距离切换设备的位置。即停车并换档。
故障排除。传感器等典型故障可在停车点处理。事实上，有些交会计划是以停车点作为检查整个系统状态的点，确认一切正常后才释放。也就是说，停下来检查一下。
对接时间调整。如果轨道控制执行出现错误，飞行时间也会偏离预期时间。设置停车点可以“吃掉”之前的飞行时间误差，保证后续步骤按照预定的时间计划执行。换句话说，停止并纠正你的错误。这种调整能力对于具有时间（例如对接部分的可见性）的交会解决方案非常重要。
解决光学传感器受阳光干扰的题。通俗地说，就是在太阳耀眼的时候在停泊点等待，等太阳转了再出发。
对接点可以设置在空间站的后面或前面。要从后面的停车点继续接近空间站，需要稍微降低轨道，追上后再升高轨道停车。从前方接近时，先升轨，等待空间站接近后，再降轨停放。前后重复这个过程，直到进入平移接近阶段。
神舟九号-天宫一号手动交会对接中停车点设置。
7.径向相交有优点也有缺点
为什么飞船不从侧面与空间站对接？
除了利用停泊点从前后方向接近空间站直至最终对接外，航天器还可以从空间站下方沿地半径向上接近空间站进行对接。2021年10月16日，神舟十三号载人飞船成功发射，完成我国首次径向交会对接。
径向相遇的两个航天器保持在同一轨道平面，从能耗和最终对接条件来看，这仍然是理想的。径向交会允许空间站在不改变飞行姿态的情况下增加接收来访飞机的能力。同时，得益于洁净的太空背景，飞船在径向交会过程中具备了向上观测空间站的良好条件。
径向相交的困难也是由轨道规则造成的。
本文介绍大器厚成中国空间站的交会对接丨太空站，以及刚性连接对应的相关信息已经解完毕，希望对大家有帮助。
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