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神舟13号即将返回,空间站将无人值守,若有人想闯入该如何防范?

作者:人马座A

神舟十三号的三名航天员翟志刚、王亚平、叶光富,在天宫空间站停留了约6个月。当他们离开空间站返回地面后,直至神舟十四号到来之前,偌大的空间站在此期间将一直处于无人值守状态,这不由得让人想到一个简单又重要的问题:如果有人闯进去怎么办?

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神舟十三号的三名航天员

相信会有不少网友对这个问题嗤之以鼻:空置的房屋有可能进小偷,但空间站可不像地面上的房子那样一动不动,而是在环绕地球的轨道上以每秒7公里以上的高速运动,大约每一个半小时就可以绕地球一圈,想要靠近和进入这个子弹速度还快许多倍的“房子”,比登天还难!

这话当然不差,但是难度虽高却不代表完全做不到。要想进入中国空间站,需要拥有交会对接技术,就如同神舟十三号与空间站对接一样。当然神舟十三号和其它神舟飞船都是“自己人”,但就算是自己人想与空间站对接,并且让航天员进入其中,也不是那么容易的事情。

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神舟十三号与空间站组合体

空间交会对接是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术。要做到成功对接,首先你得知道空间站准确的轨道参数,然后发射一个飞船,经过复杂的变轨操作,才能实现对接。具体步骤是这样的:

先把飞船发射到比空间站稍微低一点的圆轨道上运行,然后再通过霍曼变轨,使其进入与目标航天器高度基本一致的轨道,并与空间站建立通信关系。之后飞船调整修正自己与空间站的相对距离和姿态,向空间站靠近,直至距离接近到零,双方的对接口完成对接合拢操作,对接就成功了。

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飞船通过霍曼变轨到达空间站的轨道

这几个步骤看起来简单,实际操作时却需要很多的高科技。首先飞船要在地面测控的导引之下不断变轨,直到靠近到距空间站15~100公里范围内,这一阶段被称为远程导引段。在这个距离上,飞船自身的微波和激光敏感器已经能够测量空间站的相对运动参数,进行近程导引。

近程导引可将飞船导引到距空间站0.5~1公里的位置,作为对接的初始瞄准点。接下来,飞船将进入最终逼近阶段,对准空间站的对接轴线,进入对接走廊,并将距离缩短到100米。这时,飞船将利用摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个飞行器的距离、相对速度和姿态,同时启动小推力发动机进行机动,沿对接走廊向目标最后逼近。

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神舟十三号的侧向对接过程

在与空间站接触之前,飞船将关闭发动机,二者以0.15~0.18米/秒的速度相撞,利用对接装置将两者连接为一个整体。

那么假如有这么一艘其它国家的航天器,也想与大陆空间站用同样的流程对接的话,首先它必须要掌握天宫空间站准确的轨道参数,以便能够靠近到空间站附近。要做到这一点需要拥有对空间目标的监视能力,即”空间目标监视系统“。这是一个由雷达、光学和无线电设备构成的空间探测和跟踪系统,可以发现和跟踪空间目标,计算空间目标的相关参数。

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神舟飞船即将对接时的画面

在冷战时期,为了追踪和拦截对方的洲际导弹和侦察卫星,同时保障己方的卫星发射和防御太空碎片,美苏两国都投入了大量人力物力发展空间监视能力。以美国为例,对空间监视能力的追求可谓不遗余力,建立了庞大的地基和天基监视系统,由数量众多的雷达、望远镜和卫星组成。

资料显示,美国的地基空间目标监视系统,最小可以探测到直径大于1cm的空间目标,可精确跟踪、定位对于直径10cm以上的目标。天基监视系统每天能够对空间目标进行超过6万次探测, 能够对直径大于10cm的空间目标进行探测、跟踪、分类,对直径大于30cm的空间目标进行精确探测和跟踪, 并能实时感知深空微小目标。

因此,对于拥有强大空间监视能力的国家来说,掌握大陆空间站的轨道参数并不困难。而且中国载人航天工程办公室已经公开了大陆空间站TLE轨道根数,并且每日更新数据。有了这些参数就可以确定空间站的运行速度和飞行姿态,目的是避免航天器之间发生碰撞。这样一来,掌握大陆空间的行踪就更容易了。

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美国的空间监视卫星

说到这里,估计有人就会问了:既然大陆空间站的轨道很容易被别人掌握,那么别人发射一个飞船,岂不是很容易就能到达空间站的附近,并与之对接呢?并没有那么简单。

这个飞船通过变轨虽然可以达到空间站附近,但大陆同样拥有空间目标监视能力,对于异常接近空间站的飞船,也是不难发现的,此前就发生过实践20号卫星主动躲开美国监视卫星的事件,就从一个侧面体现了我方在这方面的实力。

实践20号卫星重达8吨,是大陆新一代大型地球同步轨道卫星平台,运行在距离地面3.6万公里高的静止轨道上。2021年7月,美国空间监视卫星USA-271改变轨道意图接近实践-20号,然而实践20号却完美展示了太空卫星机动能力,成功躲开了美国卫星不怀好意的靠近,让它扑了个空。

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实践20号卫星

同样的道理,如果有可疑的航天器接近大陆空间站的话,我方必然能够提前察觉,并且开展规避动作。天宫空间站拥有30台姿轨控发动机,其中4台是霍尔推进器,26台是传统发动机,具备实施紧急机动的能力。

例如在2021年,美国太空探索技术公司(SpaceX)发射的星链卫星先后两次接近中国空间站,大陆空间站出于安全考虑,于2021年7月1日和2021年10月21日实施了紧急避碰机动,当时中国航天员正在空间站内执行任务。

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大陆空间站的发动机

这样一来,由于大陆空间站具备机动能力,并不是完全被动,假如有不怀好意的飞船意图接近或对接,空间站完全可以开启发动机避开,使对方无法逼近到足够近的距离,也无法对准对接口轴线。

除了机动规避之外,大陆空间站还配备了强大的机械臂,承载力高达25吨,还能在舱体外爬行。机械臂可以实施舱外状态监视,还可捕获来访的悬停航天器。如果有可疑飞船靠近空间站的话,机械臂可以抵近查看其性质,甚至还可以抓取和推离。

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机械臂捕获悬停航天器

看到这里就能知道,其它国家的飞船想要与大陆空间站强行对接是很难做到的。退一万步说,就算空间站没有规避,就停在那里一动不动等着对接,由于大陆的对接口设计具备独特性,与美俄等国都不兼容,对方如不能完全复制一个大陆标准的对接装置,就无法实现成功对接。

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神舟十号与天宫一号对接

对接装置有许多种,最早期的是“环-锥”式,由内截顶圆锥和外截顶圆锥组成。内截顶圆锥安装在一系列缓冲器上,能吸收冲击能量。这种结构曾用于美国的“双子星座”飞船与“阿金纳”火箭以及美国“双子星座”飞船之间的对接等。

后来又出现了”杆-锥“式对接口,俄罗斯的联盟号飞船与空间站对接使用的是“杆-锥”式对接口,即一个航天器装有对接碰撞杆,另一个航天器上装有接收锥,在对接时,碰撞杆渐渐指向接收锥内,接收锥将杆头锁定。

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俄式“杆-锥”对接装置

杆-锥式至今仍被俄罗斯飞船使用,不过它的缺点是不具备既能主动又能被动的功能,所以不利于实施空间营救,为了克服这个缺点,出现了”异体同构周边“对接装置。所谓异体同构是说两边的对接机构的结构形式相同,航天器既可作为主动方,也可作为被动方,在空间救援时更加方便。

而它的另一个特点是所有定向和动力部件都安装于中央舱口的四周,从而保证中央区域成为来往通道的空间。美国的航天飞机和载人龙飞船与国际空间站对接,还有大陆的神舟飞船与天宫空间站对接,使用的都是异体同构周边式对接装置,而且口径都是800mm。

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航天飞机使用的异体同构周边式对接装置

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大陆飞船也使用异体同构周边式对接装置

既然美国和大陆的对接口尺寸和类型都一样,为啥还说不能兼容呢?因为执行的标准不一样,内部结构也有很多不同之处。如果真想对接,除非双方都按同一个标准来设计对接装置。让我们再退一万步,假如有一个试图入侵空间站的飞船,不仅成功逼近到了极近的距离,而且还拥有完全匹配的对接口,是否就能完成对接并且侵入空间站呢?

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美国的龙飞船与国际空间站对接

答案是依然不行,因为这位不速之客还将遇到一个大难关:开舱门。如果不是要出舱活动的话,空间站的舱门正常时会处在密封锁闭的状态,否则就会漏气。若要打开舱门,首先要调节两侧的气压,使压力平衡,不然是开不了门的。如果是手动舱门的话,还需要一把形似“大钥匙”的助力手柄。

此前大陆神舟十二、十三号的航天员进入空间站核心舱时,都使用了这把大钥匙,将其插入舱门上的孔再转动,能够降低开门的难度。由此看来,就算入侵者克服重重困难,与空间站成功对接,如果手里没有这把钥匙,同样还是打不开舱门,无法进入空间站内部。

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开舱门需要一把“大钥匙”

当然,这种入侵空间站的情节纯属想象,一般只存在于影视作品中,实际上是不太可能发生的。不过防人之心不可无,通过上面的介绍您就能知道:以大陆空间站的实力,要防范不速之客侵入还是绰绰有余的。

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