大器厚成：中国空间站的交会对接丨太空问答站两个航天器于同一时间、在轨

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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RendezvousandDocking（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。
天宫将竣，结果源自开头，起点通往终点；新器有为，牵一发而动千钧，谋全盘而成良局。交会对接为航天这一系统工程作出了有力注解。

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中国空间站建设动画示意。来源：CCTV
上篇：交会
01
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。
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。
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。