天舟二号发射为何要等待窗口期?为何要在几小时内快速交会对接?

自4月29日11时,在海南文昌航天发射场,中国空间站天和核心舱由长征五号B遥二运载火箭发射升空,成功进入预定轨道,拉开我国天宫空间站建造的序幕!

两度跳票后天舟二号快速对接天和核心舱

按计划,在5月20日的发射窗口期,将发射货运飞船天舟二号搭载货物与天和核心舱对接,但天舟二号意外在两个窗口期两度跳票。直到天和核心舱成功发射一个月后的5月29日20时55分,连续两次跳票的天舟二号,在第3个发射窗口成功从海南文昌航天发射场由长征七号遥三运载火箭发射入轨!并在入轨8小时后于5月30日清晨5时与轨道上的天和核心舱成功实现快速无人对接!

后勤补给货运飞船——天舟二号

孤独等待一个月后,我国第一个空间站核心舱天和核心舱终于迎来了首个访客——天舟二号货运飞船,在天宫空间站建设之初,它承担重要的首次货物运输工作。此次带去的除了空间站科研与生活所需的各种货物,包括2套出舱用的每件一百多公斤重的航天服,还带去了1.95吨的推进剂,用于空间站上的轨道维持和姿态调整。其余货物的重4.69吨,货物加上推进剂总重6.64吨,而飞船的最大发射重量为13.5吨,也就是说天舟二号的货物重量基本上跟飞船自身一样重!载货比达到50%,这就有点厉害了……

为何两度延期?

那么问题来了,本该在10天前就发射的天舟2号为何两次跳票?据官方解释是:【5月19日晚上21时40分,距离长征七号遥三火箭发射不到3个小时,发射指控大厅中的数据信息显示:“一个压力值参数异常!”】


为了排除这个异常,工作人员多次进入箭体内检查,在首个原定的窗口期(5月20日凌晨1点)前两小时依然没找到问题根源,为了安全起见决定延后发射。在经过仔细排查后,准备次日在第2个窗口期(5月21日凌晨)发射,结果再次加注低温液态燃料后,异常信息再度出现……最终再度延期发射,而第3个窗口期得到了数天后的5月29日。

百小时艰苦检修,天舟二号-天和核心舱成功对接

经过近百小时的严密排查,问题根源终于找到,装配员马上带着配件从北京飞往海南,在塔架上经过18小时的高难度操作,最终完成产品更换,故障彻底排除。5月29日重新加注低温推进剂,晚上20:55,长征七号遥三运载火箭在轰鸣声中顺利发射升空,604秒后箭、船分离,两度延迟的天舟二号成功入轨,并在8小时后的5月30日清晨5:01成功与轨道上的中国空间站天和核心舱快速自主对接!

那么问题来了,这窗口期是怎么回事?

由于天舟二号采用快速对接,与一般对接飞行任务在入轨后数天才实施对接不同,天舟二号要在入轨后几小时内就与在轨飞行的空间站核心舱实现对接,目的是尽可能地缩减飞船在轨等待对接的时间,这使天舟二号在入轨时与空间站核心舱相对位置有极高的精度要求,这就需要严格控制火箭发射入轨的时间,导致火箭发射时间几乎是零窗口,也就是发射时间精度要以秒来计算。

为了减少入轨后进行轨道调整所需要的时间,天舟二号需要选择入轨时直接进入空间站核心舱的轨道面。而对于非赤道飞行的空间站,由于地球的自转,轨道面并不恒定,也就是说它并不是每一圈都会经过同一个地点。而所谓的窗口期就是在适当时间轨道面经过火箭发射点附近而空间站的核心舱又刚好在天上适当的位置,这个窗口是稍纵即逝的,毕竟空间站绕地球一圈也就1个半小时而已。前面说过,这个窗口期原则上是以秒来计算的,天舟二号通过自动调整飞行轨迹把以秒计算的零窗口扩展到以分钟计算的窄窗口,窗口期达到120秒,错过就要等下一个窗口期。

为什么要采用零窗口的快速交会对接?

其实天舟二号只是货运飞船,目前空间站上并没有人,所以运送的时效要求其实并不严格,完全可以采用普通的交会对接方式,这样根本不需要等待数天等这个窗口期,那天舟二号为什么一定要选择这种快速交会对接?

原因是这对将来载人任务非常重要,对于以后空间站上天地往返的载人任务,快速交会对接可以让航天员尽可能缩短在飞船上的时间,载人飞船空间是相对狭小的,使用常规的交会对接方式,航天员需要在这样的密闭环境下生活几天,对航天员来说是个煎熬,也非常的浪费他们的时间。简单说就是宁在地上等,也不在天上等,因此载人任务毫无疑问会选择快速交会对接方式,而这次天舟二号货运飞船就当是一次载人任务的预演。

祈愿

天舟二号的任务非常成功,从发射到对接成功全过程用时8小时多一点,目前对接后的组合体已经展开太阳能帆板绕地飞行,期待后续的载人任务,为中国航天人鼓掌!

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