老树开新花的快速对接技术
进步MS-09飞船今年7月10日俄罗斯发射了进步MS-09号货运飞船，进步号飞船成功进行了一次快速交会对接，耗时3小时40分，又一次刷新了时间记录。然而如果我们的目光从2012年进步M-16M号飞船的首次快速交会对接试验向前看，就会赫然发现快速对接技术并不是新鲜事物，它属于典型的老树开新花。源远流长的快速对接
2012年8月1日俄罗斯进步号货运飞船首次进行快速交会对接试验，此后又有两艘进步号货运飞船快速对接成功后，俄罗斯才开始试验联盟号载人飞船的快速交会对接，到现在快速对接已经轻车熟路。航天迷们或许会问：快速对接明明是21世纪的新鲜事物啊，你怎么说老树开新花呢？其实我们视线放远一些，冷战时期美苏对快速对接都并不陌生。
苏联早在20世纪60年代就进行了大量快速交会对接的尝试，现在的3小时40分钟和那时相比还真不算什么。1968年4月15日苏联发射宇宙213号（无人版联盟号）飞船，仅仅46分钟后就和前一天发射的宇宙-212号飞船自动对接成功！无人版飞船不怕死人，这个46分钟的快速交会对接记录无人打破，但载人飞船的快速对接时间记录也比现在的快速对接时间记录短得多。1966年9月12日美国的双子座11号飞船发射后，仅仅过了94分钟就和阿金纳上面级对接成功。
苏联曾试图冲击美国双子座11号的快速对接时间记录，不过联盟3号对接联盟2号飞船失败，联盟4号和5号首次载人飞船对接成功，但用了一天多的时间，而且后来又出现对接失败。苏联载人航天对接技术成熟，已经是礼炮号空间站的时代了。联盟号飞船基本使用快速对接模式和礼炮号空间站交会对接，礼炮号时代的30多次载人发射中除了联盟31号和联盟T13号交会对接时间为大约两天，其他的都在发射后13小时左右对接成功。苏联使用快速对接美国也没有保守落后，天空实验室的三次任务中，除了第一次耗时大约21小时外，后两次发射到对接时间只有约8个小时和8个半小时，很接近现在4圈/6小时的快速对接模式了。
然而，快速交会对接也遇到了拦路虎，其中一个重要挑战就是空间运动病，它是太空失重环境引发的前庭器官功能紊乱症。前庭器官负责感知人体尤其是头部在空间的位置和运动状态，当人体速度变化过快或是振动过于剧烈，就会引起人体不适感，晕船晕车都与此有关，太空失重环境下很容易产生航天运动症，大约1/3到1/2的航天员得过空间运动病，表现出面色苍白、出冷汗、头晕、恶心和呕吐等典型症状，有些还会产生漂浮感和头倒位的错觉。航天员得空间运动症的时间和程度各自不同，最快只需要一个小时就发病，消退一般是两天后，而发作最严重的时候是发射后8~12小时。虽然过几天航天员就适应了失重环境，但发病时他们不能有效地进行工作和操作，这时候你让他怎么手动对接空间站？另外，快速对接对飞船轨道测定和控制精度要求更高，还缩短和减少了飞船的发射窗口，这些因素导致快速对接模式后来失宠了。
联盟飞船与国际空间站对接示意图从冷落到复兴的快速对接
美苏在冷战时期都尝试并长期使用一天左右的快速对接模式，但两者的交会对接还是有很大不同的。苏联交会对接以自动模式为主，而美国主要使用手动对接。具体地说，苏联实现了全程自动对接，航天员可以只当一个乘客；而美国远距离自动接近，近距离和最后的对接是手动方式，需要航天员的参与。
苏联的交会对接系统不受航天运动症的影响，但快速对接模式给测控系统带来更大的压力，苏联在和平号空间站时代开始采用2天左右（50小时）的交会对接飞行模式。美国从航天飞机时代开始，交会对接空间站也是典型的慢速交会对接模式，2011年美国航天飞机彻底退役，但新一代的货运飞船如货运龙式飞船和天鹅座飞船，仍将使用2天左右的慢速对接模式。自2012年以来，时隔26年后俄罗斯再次试验并应用快速对接模式，目前已经成为发射对接的主要方式。美国下一代的载人龙式飞船和星际客机载人飞船，也都将使用自动对接和快速对接模式。
俄美再掀快速对接潮流，中国也没有落后。我国现有的载人飞船使用50小时左右的慢速交会对接模式，但去年发射的天舟一号货运飞船试验了6.5小时的快速交会对接；未来天宫号空间站投入运行后，天舟货运飞船和神舟载人飞船都将使用快速交会对接模式。简而言之，中美俄都采用了自动交会对接技术，未来飞船发射任务将以快速交会对接为主，快速对接模式在沉寂了1/4个世纪后终于迎来了复兴。
联盟号飞船内景，可以看出内部空间非常拥挤
美国双子座11号飞船快速对接模式的复兴绝非偶然，这种螺旋状的发展是现实需求驱动的结果。美苏冷战初期航天员是军人出身，严格训练适应飞船天经地义，后来美国有了宽敞的航天飞机，居住舒适不在乎对接晚一天多的问题。俄罗斯的情况就不一样了，进入21世纪后俄罗斯推出太空旅游服务，商业市场上客户是上帝，但上天对“上帝”可真不友好，联盟号飞船体积很小，返回舱体积只有3.5立方米，这里面塞上3个大活人，再加上设备和运上天的载荷，活动空间只有0.5立方米，这实在是太拥挤了。想想三个人窝在一辆双座车内还要生活两天，这简直是个折磨！受过训练的航天员对此都叫苦不迭，更别说拿出几千万美元的富豪了。
俄罗斯航天专家表示，他们早就开始考虑这个问题，那些商业太空游客的反馈，尤其是安萨里这样的女性太空游客的抱怨，是他们决定重启快速对接飞行模式的重要原因。俄罗斯专家们一致认为，如果能进行快速对接，那就应该去做！联盟号飞船自身空间狭小，但内部空间更大的美国新一代飞船也将选用快速对接模式，这是因为载人飞船的慢速对接模式始终存在一些缺陷：飞船使用单自由度的太阳能电池翼，在飞行过程中飞船会绕轴线进行旋转，保持太阳翼恒定指向太阳，获得充沛的电能供应，这样的机动让航天员很不舒服。快速对接模式飞行时间短，也降低了飞行中遇到意外的可能，尤其是遭遇轨道碎片的话，飞船里的航天员真是入地无门，而进入空间站的航天员随时可以转入救生飞船逃离，提高了载人飞行的安全系数。此外，快速对接模式所需机动次数少，还减少了飞船燃料消耗，变相增加了飞船的可用机动能力。最后，快速对接模式还缩短了从地面到空间站的时间，可以将急需的物资送到空间站，这对运输保存时间短的生物试验材料十分有利，航天员也能借机吃上最新鲜的水果蔬菜了。
总而言之，50小时的慢速对接避免了航天运动症的影响，但现在美俄载人飞船使用自动对接方式，无需担心航天运动症影响对接，航天员长时间呆在密封拥挤的环境中，却是令人难以忍受的，加上快速对接模式的其他优势，俄罗斯重启美国也跟进采用快速对接模式，是合乎情理的选择。
美国的双子座11号飞船发射后，仅仅过了94分钟就和阿金纳上面级对接成功
天舟货运飞船与天宫二号空间实验室对接模拟图快速对接的技术难点
半个世纪前的冷战时期，美苏就尝试和使用了快速对接模式，从技术上说快速对接模式并没有不可逾越的技术障碍，但快速对接仍然对载人航天活动提出了更高的技术要求，这些资源的消耗可能是美苏后来放弃快速对接的重要原因。
快速对接模式对发射窗口要求高得多。以前常用的2-3天交会对接模式中，载人飞船和空间站的初始相位角可达270度，同时即使飞船发射时间略有延迟影响也不大，增强了发射和对接的鲁棒性。快速对接模式正好截然相反，6小时以内的快速对接模式下，初始相位角仅为30度，这对选择发射窗口带来了不小的限制，加上兼顾地面测控支持、轨道调相机动策略等考虑，对发射窗口选择和交会策略设计都带来了更大的挑战。一般地说，针对国际空间站的发射任务，普通慢速对接下每天都有一个发射窗口，而快速对接模式下3天才有一个发射窗口。
快速对接模式对火箭和飞船的可靠性要求也很高。快速对接时间从传统慢速对接的2天以上缩短到6小时甚至更短，由于整个任务时间只有原来的1/8甚至更短，任务的各个时序动作紧密排列，而且不能出现疏漏。简单地说，不仅飞船发射窗口少而窄，而且飞船轨道机动也难以容忍出现故障，比如俄罗斯的进步M-19M号货运飞船，它发射后导航天线出现故障，只好退回传统的慢速对接模式。
快速对接模式更大的挑战在于轨道测控。传统慢速对接模式下，至少需要5次变轨调相，相邻两次变轨时地面测控系统进行变轨前后的轨道测定，一般每次轨道测定需要2~3圈轨道，再制定相应的变轨策略和指令参数。快速对接模式下，调相机动被压缩到2~3圈内，一圈就要进行两次轨道机动，这要求地面测控网具备快速精确定轨能力，利用一圈飞行中的一段轨道快速确定飞船轨道参数，为飞船变轨机动策略提供可靠的保证。
与此同时，快速对接模式还对运载火箭入轨和飞船轨道机动提出了更高的精度要求。如果飞船入轨的相位角散布太大，相位调整窗口会大幅缩水甚至无法实现快速对接，至于轨道机动的精度要求就更好理解了：如果轨道机动控制出现较大偏差，不仅徒耗燃料还要花费更多的燃料进行机动纠正。我国去年天舟一号货运飞船进行了首次快速交会对接试验，专家就表示这堪比针尖对麦芒，需要超远程的精确控制能力。
虽然快速对接技术并非新鲜事物，但为了提高航天员的舒适性，快速对接模式重新得到专家们的青睐。目前除了俄罗斯的进步号货运飞船和联盟号飞船，未来中国的货运和载人飞船，以及美国的载人飞船都将使用快速对接模式，它已经成为载人航天的新潮流。
责任编辑：夏丹