大器厚成：中国空间站的交会对接丨太空问答站( 二 ) 两个航天器于同一时间、在轨

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轨道面相交的两飞行器相对速度关系示意。
02
交会旅程的起点：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。
火箭是具备偏差修正能力的。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。

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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。来源：新华社
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交会第二步：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。
【大器厚成：中国空间站的交会对接丨太空问答站】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。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。

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神舟十三号径向交会对接示意图。来源：空间技术研究院
04
交会第三步：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。