空間對接技術(shù)的實現(xiàn)

1、轉(zhuǎn)播到騰訊微博國際空間站與哥倫布號實驗艙對接來源：?國際太空?雜志空間交會對接技術(shù)是指兩個航天器在空間軌道上會合并在結(jié)構(gòu)上連成一個 整體的技術(shù)?？臻g交會對接技術(shù)包括空間交會對接軌道設計技術(shù)、軌道交會控制技術(shù)、對接機構(gòu)設計技術(shù)、空間交會對接測控技術(shù)等。廣泛用于空間站、空間實 驗室、空間通信和遙感平臺等大型空間設施在軌裝配、回收、補給、維修以及空 間救援等領域。目前為止，只有美國和俄羅斯掌握完整的交會對接技術(shù)，歐洲的ATV和日本的HTV在交會對接技術(shù)方面分別得到了美國或俄羅斯的技術(shù)支持。什么是空間交會對接空間的兩個航天器在同一時刻以同樣的速度到達同一個地點的軌道控制過 程及結(jié)果稱做軌道交會。在空間

2、將兩個航天器對接起來形成一個航天器的事件稱 做空間對接。所謂空間交會對接是軌道交會和空間對接的總稱?？臻g交會對接技術(shù)包括空間交會對接軌道設計技術(shù)、軌道交會控制技術(shù)、對 接機構(gòu)設計技術(shù)、空間交會對接測控技術(shù)等。對接過程通常分為4個階段。兩個航天器在完成交會后保持一定的距離，進 入共面的相對飛行階段。在進行下一個步驟之前，兩個航天器都要確定對接姿態(tài)。 當兩個航天器完成了最后的對接準備以后，目標航天器被動方保持原狀態(tài)， 對接航天器主動方那么進行主動靠近。為了保證對接的準確性，航天員或自 動對接系統(tǒng)必須在確保兩個航天器的對接設備處于同一直線上之后，再小心翼翼地進行對接。最初的接觸會觸發(fā)一些小型撞鎖來連

3、接兩個航天器軟對接， 它們能夠起到對接過程中的緩沖作用。 在對接完成后，對接設備將兩個航天器拉 近緊貼在一起，一些能夠進行密封連接的對接系統(tǒng)的對接口進行密封硬對接?？臻g交會對接技術(shù)的作用空間交會對接技術(shù)的作用主要表達在三個方面。 一是為長期運行的空間設施 提供物資補給和人員運輸效勞。例如，除早期試驗階段外，俄羅斯聯(lián)盟號載人飛 船和進步號貨運飛船的全部飛行任務，以及美國航天飛機與和平號空間站及國際 空間站對接的主要任務都是如此。 二是為大型空間設施的建造和運行效勞。 和平號空間站的6艙段構(gòu)型是通過交會對接直接在軌組裝完成的，國際空間站的建造 既利用了交會對接直接組裝艙段，又利用了航天飛機強大的運

4、輸能力和航天員的 操作完成了包括桁架、帆板和艙段的組裝；航天飛機對哈勃望遠鏡的維修那么是由 交會對接技術(shù)支撐的在軌維修效勞活動的典范事例。沒有交會對接技術(shù)，這些復雜的空間設施的建造和可靠運行是無法實現(xiàn)的。三是進行空間飛行器重構(gòu)以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。例如在阿波羅登月任務中，在地球軌道和月球軌道要分別進行一次交 會對接，地球軌道交會對接解決了降低火箭上升段逃逸質(zhì)量與人員進入登月飛行 器通道之間的矛盾，月球軌道交會對接實現(xiàn)了將登月飛行器與返回地球飛行器的 功能區(qū)分和獨立，大幅降低了對火箭運載能力的需求。交會對接技術(shù)的另一個重大潛在應用領域是載人登月和深空探測任務。這些任務所需運載能力巨大，通過屢次發(fā)射和交

5、會對接技術(shù)在近地軌道完成軌道轉(zhuǎn)移 飛行器的組裝，是降低對單發(fā)運載火箭能力需求的有效途徑，特別是對于諸如火星及其以遠的載人任務而言，這可能是目前技術(shù)水平上可工程實現(xiàn)的最正確、甚至唯一途徑。因此，交會對接技術(shù)是開展航天技術(shù)、增強人類探索和開發(fā)太空資源能力的 一項重大關(guān)鍵技術(shù)。它與載人天地往返、出艙活動并稱載人航天的三大根本技術(shù)。交會對接技術(shù)的開展目前世界上有美國、俄羅斯、歐洲和日本研制的飛行器分別完成了與運行在 地球軌道上目標飛行器的交會對接。1966年3月16日，美國雙子星座8號飛 船與由阿金納火箭末級改裝的對接目標實現(xiàn)了世界上首次交會對接，其中，最后的近距離交會對接是由航天員人工控制完成的，稱

6、為人控交會對接。1967年10月，蘇聯(lián)宇宙188號飛船與宇宙186號飛船實現(xiàn)了世界上首次無人自動交會對 接。1969年7月，美國阿波羅登月艙與指令效勞艙實現(xiàn)了首次月球軌道人控交 會對接。歐洲和日本分別于2022和2022年實現(xiàn)了自動轉(zhuǎn)移飛行器 ATVAutomated Transfer Vehicle和 H-ll 轉(zhuǎn)運飛行器 HTVH-ll Transfer Vehicle 與國際空間站的交會對接。迄今為止，美國和俄羅斯共計進行了300屢次交會對接飛行，美、俄的交會對接技術(shù)已經(jīng)成熟并在空間站和載人登月中發(fā)揮了重要 作用，兩國交會對接技術(shù)也具有近距離交會段分別以人控和自控為主的各自鮮明 特色。同

7、時，兩國都在不斷提升交會對接過程中飛行器的自主能力。目前為止，只有美國和俄羅斯掌握完整的交會對接技術(shù)。歐洲和日本的ATV和HTV在交會對接技術(shù)方面分別得到了美國或俄羅斯的技術(shù)支持。ATV的對接機構(gòu)由俄羅斯提供，HTV的對接機構(gòu)由美國提供，其最后的對接過程是由空間 站機械臂控制完成的。二者在飛行任務中均需要美國和俄羅斯的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)Tracking and Data Relay Satellite , TDRS 丨支持。局部引自周建平：載人航天交會對接技術(shù)，載?載人航天?，2022年2月過去發(fā)生過的屢次交會對接故障，給我們留下了深刻的反思和經(jīng)驗教訓，如 何保障交會對接的成功實施，需注意以下幾

8、方面：進行充分的地面試驗是交會對接成功的關(guān)鍵在已發(fā)生過的交會對接故障與事故中，相當局部是交會對接系統(tǒng)故障造成 的，例如自動交會對接系統(tǒng)失靈、對接機構(gòu)故障等。特別是在早期的飛行中，故 障率非常高，例如聯(lián)盟-3、8、10飛船等都出現(xiàn)過對接故障。從19601990年 蘇聯(lián)載人航天飛行中，共發(fā)生影響飛行任務的重大故障33次，其中空間交會對接故障8次，占總數(shù)的24.2 %?？臻g交會對接發(fā)生故障與事故的原因除了對空 間環(huán)境認識缺乏和交會對接技術(shù)不成熟之外，就是空間交會對接系統(tǒng)缺乏有效的 地面試驗，不能對系統(tǒng)進行充分的考核。為了吸取失敗的教訓，蘇聯(lián)在改進交會 對接系統(tǒng)的同時，也在不斷地建立與完善地面試驗手段

9、。例如，為了準備1975年聯(lián)盟-19飛船與阿波羅-18飛船的交會對接，蘇聯(lián)研制了大型懸掛式對接機構(gòu) 試驗設備；在參觀了美國的對接機構(gòu)實驗室后，又于1989年建成了對接機構(gòu)的六自由度綜合試驗臺，從而擁有了先進的地面試驗手段。系統(tǒng)具有一定的處理故障冗余能力是提高交會對接可靠性的根底航天器的空間交會對接過程涉及載人航天的各大系統(tǒng)，特別是飛船。蘇聯(lián)為 增加有效載荷的重量，自聯(lián)盟-12飛船開始，取消了其上裝有的太陽能電池陣。 雖然依靠蓄電池可以提供飛船上升和返回必需的電能，但是，此時飛船僅可獨立飛行2.5天。一旦發(fā)生意外，就無法挽救。而且，聯(lián)盟號飛船的姿控發(fā)動機和主 發(fā)動機使用不同的推進劑，當姿控發(fā)動機

10、推進劑缺乏時，無法利用主發(fā)動機的剩 余推進劑。例如，聯(lián)盟-15、23和25飛船，在交會對接系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于 自身的電力和姿控發(fā)動機推進劑的限制，地面控制中心沒有時間研究故障排除的 措施，航天員也無法手動控制交會對接，飛船只能返回。而且聯(lián)盟-23飛船還因電力即將耗盡，在明知著陸場有暴風雪的情況下，別無選擇地降落在田吉斯湖里。蘇聯(lián)為后來的 聯(lián)盟T型飛船恢復了安裝太陽能電池陣，以增加飛船自主運 行的時間以應付各種意外的發(fā)生，同時飛船與空間站對接后，飛船的太陽能電池陣還可以向空間站供電。而且，聯(lián)盟T型飛船的主發(fā)動機和姿控發(fā)動機使用了相同的推進劑，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。對航天員進行嚴格的訓練是保證

11、交會對接成功的有效措施航天員的素質(zhì)、技能和經(jīng)驗是非常重要的，要提高其素質(zhì)和技術(shù)必須進行嚴格的訓練。航天員缺乏訓練，就不能應付交會對接出現(xiàn)的突發(fā)事件。以前航天員沒有進行過空間交會對接的訓練，致使交會對接失敗。例如，聯(lián)盟-23飛船的航天員沒有經(jīng)過手動控制交會對接的訓練，造成在空間交會對接過程中出現(xiàn)的故障 無法排除。而航天員經(jīng)過專門的交會對接訓練后， 其狀況就大有改觀。為了與發(fā) 生嚴重故障幾乎被放棄的禮炮-7空間站對接，蘇聯(lián)對聯(lián)盟T-13飛船的航天員進 行了專門訓練，在空間站失控并低速滾動的情況下，實現(xiàn)了飛船與空間站的對接， 并挽救了空間站。1989年，為了排除和平號空間站核心艙和晶體號艙對接故障，

12、 在天-地大系統(tǒng)的密切配合下，也是經(jīng)航天員積極工作才排除異物的。所以，針 對空間交會對接中可能出現(xiàn)的各種故障與事故，對航天員進行嚴格的訓練，提高其心理素質(zhì)和技術(shù)技能是非常重要的。航天器交會對接是指兩個航天器宇宙飛船、航天飛機等在太空軌道上交會 對接，合并成在結(jié)構(gòu)上連成一體的航天器的過程。1966年3月16日，美國航天員乘坐"雙子星座8號"飛船，手動操作交會過程，與無人"阿金納"目標飛行器 對接，實現(xiàn)了兩個航天器之間的首次交會對接。1967年10月30日，蘇聯(lián)飛船"宇宙186"與"宇宙188"完成了首次自動交會對接。

13、空間交會對接是載人航天三 大根本技術(shù)之一，在很多空間活動中都會用到這項技術(shù)。例如，可以在近地軌道組裝大型空間站，組裝飛往月球、火星等外天體的飛行器，可以為空間站運送航 天員和物資，可以實現(xiàn)航天器在軌效勞、應急救援等。D轉(zhuǎn)播到騰訊微博和平空間站上的對接口轉(zhuǎn)播到騰訊微博美國雙子星座'飛船與 阿金納火箭交會美國航天飛機與俄羅斯和平號空間站對接4空間交會與對接技術(shù)概述上空間交會與對接技術(shù)是指兩個航天器在空間軌道上會合并在結(jié)構(gòu)上連成一個整體的技術(shù)。廣泛用于空間站、空間實驗室、空間通信和遙感平臺等大型空間設施在軌裝配、回收、補給、維修以及空間救援等領域。意義重大空間交會與對接是載人航天活動的三大根

14、本技術(shù)之一。所謂三大根本技術(shù)就是載人航天器的成功發(fā)射和航天員平安返回技術(shù)、空間出艙活動技術(shù)和空間交會對接技術(shù)。只有掌握它們，人類才能自由出入太空，更有效地開發(fā)宇宙資源。對 于國家來說，還能獨立、平等地參加國際合作。在突破并掌握了載人航天的根本技術(shù)之后，宇宙飛船的主要用途就是為空間 站和月球基地等接送航天員和物資。在航天領域?qū)＜页Ｕf的一句話是：造船為建站，建站為應用。至今發(fā)射的宇宙飛船大多是作為空間站的天地往返交通工 具和長期?？吭诳臻g站上的救生艇。為了實現(xiàn)宇宙飛船的運輸功能，就必須攻克 兩項關(guān)鍵技術(shù)，那就是宇宙飛船與空間站的空間交會技術(shù)與對接技術(shù)， 主要設備 是交會測量系統(tǒng)和對接機構(gòu)。航天器之

15、間的空間交會對接技術(shù)很復雜。在國外載人航天活動早期，航天器之間的空間交會對接過程中經(jīng)常發(fā)生故障與事故，即使在1997年，俄羅斯的兩個航天器還發(fā)生過一次重大的空間交會對接事故一一進步M3-4飛船與和平 號空間站相撞，使 和平號空間站上的 光譜號艙被迫關(guān)閉，局部氧氣泄漏，動 力系統(tǒng)也受到影響。通過多年的努力，目前美國和蘇聯(lián)/俄羅斯已完全掌握了在地面支持下的載人 交會與對接技術(shù)。尤其是蘇聯(lián)/俄羅斯在掌握了空間交會與對接技術(shù)以后，先后_ 利用飛船的運輸能力開展了幾代載人空間站，在空間交會與對接等方面一直占據(jù) 著技術(shù)優(yōu)勢。雖然起步較晚，但歐洲、日本等國家在空間交會與對接研究方面已取得長足 進步，特別是某

16、些單項技術(shù)和設備，如地面仿真、對接敏感器等，都取得了驚人 的進步。日本曾于1998年通過兩顆衛(wèi)星成功進行了無人交會與對接在軌試驗， 2022年又用首個H2轉(zhuǎn)移飛行器實現(xiàn)了與國際空間站的交會對接。歐洲也在 2022年用首個自動轉(zhuǎn)移飛行器實現(xiàn)了與國際空間站的交會對接。技術(shù)概述在空間交會與對接的兩個航天器中，一個稱目標航天器，一般是空間站或其 他的大型航天器，是準備對接的目標；另一個稱追蹤航天器，一般是地面發(fā)射的 宇宙飛船、航天飛機等，是與目標航天器對接的對象。 對接對象也可以是太空中 失控的或出現(xiàn)故障的航天器。追蹤航天器從發(fā)射入軌到最后與目標航天器完成剛 性連接，整個過程大致可分為地面導引、自動尋

17、的、最后逼近、對接合攏四個階 段。5空間交會與對接技術(shù)概述下四種類型航天器空間交會對接技術(shù)的實施必須由高級控制系統(tǒng)來完成，根據(jù)航天員及地面站的參與程度可將控制方式劃分為如下四種類型：遙控操作：追蹤航天器的控制不依靠航天員，全部由地面站通過遙測和遙控來實現(xiàn)， 此時要求全球設站 或者有中繼衛(wèi)星協(xié)助。手動操作：在地面測控站的指導下，航天員在軌道上對 追蹤航天器的姿態(tài)和軌道進行觀察和判斷， 然后動手操作。這是目前比擬成熟的 方法。自動控制：不依靠航天員，由航天器上設備和地面站相結(jié)合實現(xiàn)交會 與對接。該控制方法也要求全球設站或有中繼衛(wèi)星協(xié)助。自主控制：不依靠航天員與地面站，完全由航天器上設備自主實現(xiàn)交會

18、與對接。從本質(zhì)上說，上述分類可歸結(jié)為人工控制方式或自動控制方式。迄今為止， 美國較多地應用人工控制方式，而蘇聯(lián)/俄羅斯那么主要采用自動控制方式。用人控來完成太空交會與對接的優(yōu)點是：可以提高交會與對接的成功率；能 及時修正交會系統(tǒng)中的錯誤和排除故障；節(jié)省燃料和時間。自控交會與對接的優(yōu) 點是：不需要復雜的生命保障系統(tǒng)，可靠性高，無需考慮人員的平安和救生問題。 交會與對接未來的開展趨勢是人控和自控相結(jié)合，以提高交會與對接的靈活性、 可靠性和成功率。測量系統(tǒng)先進的測量系統(tǒng)可以稱作是航天器間進行交會與對接時的眼睛。蘇聯(lián)/俄羅斯飛船與空間站對接使用的交會測量系統(tǒng)最早叫 針后來增加了 數(shù)字電腦又改名為 航向

19、航向測量系統(tǒng)具有可靠性高、作用距離遠的特點， 尤其是不需要龐大的和平號空間站作任何機動和姿態(tài)變化，航天員也可借助顯 示器和鍵盤進行手動控制。該系統(tǒng)在中遠距離采用 S頻段微波雷達，近距離有 激光測距儀、目視光學瞄準器。其 S頻段微波雷達裝在飛船上，包括自動導引 頭、測距儀和徑向速度測量裝置；空間站上設有信標、應答機和通信設備等相應 的搜索、捕獲定向敏感器。 航向系統(tǒng)共有9部天線組成搜索捕獲和跟蹤測量系 統(tǒng)追蹤航天器上5部，目標航天器上4部，其中6部天線用于搜索捕獲和 初定向，1部用于停靠階段定向，2部用于相互跟蹤、相對運動測量和?？侩A段 定向。用于搜索的天線為螺盤天線，用于跟蹤的為拋物面天線。美

20、國雙子星座'飛船與 阿金納火箭對接，使用的交會測量系統(tǒng)為 L頻段非 相干脈沖微波交會雷達、目視光學瞄準器。其中雷達作用距離為150米450千米，目標航天器上安裝應答機，由航天員通過光學瞄準器以手控方式進行交會與 對接操作。美國 阿波羅'飛船指令艙與登月艙對接，使用的交會測量系統(tǒng)為X頻 段單脈沖連續(xù)波雷達、目視光學瞄準器。阿波羅與聯(lián)盟'飛船對接也采用這套測量系統(tǒng)。美國航天飛機與空間站對接，使用的交會測量系統(tǒng)是Ku頻段脈沖多普勒雷達、目視光學瞄準器。它具有通信、收發(fā)功能，作用范圍為30米220千米，但接近與對接仍由手動完成。近年來，激光雷達因具有可固化、重量輕、體積小，以及

21、測量精度高、易于 測量相對姿態(tài)的優(yōu)點而倍受青睞。但目前它在國際交會與對接中尚處于試驗階 段。而GPS導航定位技術(shù)相對成熟，已對空間交會與對接提供了有力的支持。對接機構(gòu)交會與對接既離不開測量系統(tǒng)，也必須有對接機構(gòu)，二者缺一不可。按不同 的結(jié)構(gòu)和原理，空間對接機構(gòu)有四種：環(huán)-錐式機構(gòu)、桿-錐也叫 栓-錐式機構(gòu)、異體同構(gòu)周邊式機構(gòu)、抓手-碰撞鎖式機構(gòu)。環(huán)-錐式是最早期的對接機構(gòu)，它由內(nèi)截頂圓錐和外截頂圓錐組成。內(nèi)截頂 圓錐安裝在一系列緩沖器上，使它能吸收沖擊能量。這種結(jié)構(gòu)曾用于美國的雙子星座 飛船與 阿金納火箭以及美國 雙子星座'飛船之間的對接等。桿-錐式是在兩個航天器對接面上分別裝有栓和錐

22、的對接機構(gòu)，即一個航天器的對接機構(gòu)內(nèi)裝有接收錐，另一個航天器上裝有對接碰撞桿， 在對接時，碰撞 桿漸漸指向接收錐內(nèi)，接收錐將桿頭鎖定。由于這種對接結(jié)構(gòu)不具備既有主動又 有被動的功能，所以不利于實施空間營救。蘇聯(lián) /俄羅斯聯(lián)盟飛船與禮炮號空 間站、聯(lián)盟TM飛船與和平號空間站，美國阿波羅登月艙與指令艙等的對接， 都曾采用這種對接機構(gòu)。異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)可以克服 桿-錐式機構(gòu)的缺點，因為它滿足了下 面兩個要求：對接機構(gòu)是異體同構(gòu)，使航天器既可作主動方，也能作被動方， 這一點對空間救援特別重要；對接機構(gòu)必須是周邊的，即所有定向和動力部件 都安裝于中央艙口的四周，從而保證中央成為來往通道空間。蘇聯(lián)聯(lián)

23、盟-19飛船與美國 阿波羅-18飛船、航天飛機與 和平號空間站、航天飛機與國際空間站 等對接，都采用這種對接機構(gòu)。其中，航天飛機與國際空間站的對接雖然仍采用 異體同構(gòu)周邊寸接機構(gòu)，但增加了先進的綜合測量系統(tǒng)，包括 GPS導航接收 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)跟蹤與中繼導航與通信接收系統(tǒng)、微波交會雷達系統(tǒng)、激光對接雷達 系統(tǒng)、光學對接攝像系統(tǒng)等，此外，還包括航天員顯示裝置空間六分儀、望遠 鏡、顯示器、熒光屏等。抓手-碰撞鎖式是歐洲、日本研制的十字交叉和三點式對接機構(gòu)。這兩種機 構(gòu)實際上性質(zhì)相同，只是布局上的差異。前者在周邊布置四個抓手與撞鎖，后者 在周邊布置三個抓手與撞鎖。這兩種對接機構(gòu)都是無密封性能、無通道口的設計， 適合與不載人航天器之間的對接，如無人空間平臺、空間拖船等。未來展望在未來的空間交會與對接測量技術(shù)開展中，微波交會雷達仍將是可靠的遠距離測量手段之一，并由L、S、C頻段向Ku頻段和毫米波頻段開展；在最后逼 近和對接階段，光學成像敏感器有更突出的優(yōu)點，所以也是國際上普遍使用的敏 感器；激光雷達的優(yōu)點是波束窄、分辨率高、體積小、重量輕、精度高，適合于 近距離測量，在各國得到廣泛重視；GPS差分測