空間行會對接技術

空間行會對接技術

會交互對接技術的應用該空間站體積大、功能強、運營時間長，是目前發(fā)展太空資源的良好平臺。但猶如一座航天母艦的空間站自身無法進行天地往返,需用宇宙飛船等天地往返運輸器與其交會對接,才能進行人和貨物的接送。利用空間交會對接技術可把宇宙飛船與空間站在結(jié)構(gòu)上連成一個整體,實現(xiàn)“1+1=1”,所以空間交會對接是實現(xiàn)空間站正常運行的先決條件,也是航天大國技術實力的綜合展示,所以必須突破和掌握?？偟膩碇v,空間交會對接技術有如下主要用途:一是為長期運行的空間設施提供人員運輸和物資補給服務;二是使2個航天器在太空相互支持。當2個在軌飛行的航天器上的航天員想相互拜訪、轉(zhuǎn)運物資或為遇到困難一方提供緊急援助時,可通過這2個航天器或分離出來的航天器的交會對接來實現(xiàn);三是在軌組裝大型航天器結(jié)構(gòu);四是進行航天器重構(gòu)以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。如在美國“阿波羅”載人登月飛船飛往月球的過程中,飛船的指令艙和登月艙在地球軌道和月球軌道分別進行了一次交會對接,在地球軌道交會對接解決了降低火箭上升段逃逸質(zhì)量與人員進入登月艙通道之間的矛盾,在月球軌道交會對接實現(xiàn)了將指令艙與登月艙的功能區(qū)分和獨立,大幅度降低了對火箭運載能力的需求。未來的載人登月、登小行星、登火星的乘員艙和登陸艙,有可能分別用乘員運載火箭和貨物運載火箭先后發(fā)射到近地軌道,然后交會對接,一起飛往其它星球,這樣既可降低對火箭運載能力的需求,又安全可靠、經(jīng)濟實用。未來要建立月球基地,載人登小行星和火星。這些任務所需運載能力巨大,通過多次發(fā)射和交會對接技術在近地軌道完成飛行器的組裝,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,這可能是目前技術水平上可工程實現(xiàn)的最佳、甚至唯一途徑。即使在無人航天器之間,交會對接技術也有廣泛的用途。例如,可用于對己方在軌衛(wèi)星進行加注和維修,還可用于捕捉敵方衛(wèi)星?？臻g會交互通道對接不過,在太空進行航天器之間的交會對接的技術很復雜。有人形容它就像在太空中放了一根針,然后在相距幾百千米的地面控制一根線去穿過那個針眼。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2個航天器還發(fā)生一次重大的空間交會對接事故——進步M3-4與和平號空間站相撞,使和平號上光譜號艙被迫關閉,部分氧氣泄漏,動力系統(tǒng)也受到影響。由此可見,航天器之間進行空間交會對接有較大風險,這也是蘇聯(lián)、美國和中國把它放在空間出艙活動之后再去攻克并發(fā)射多次的重要原因。航天器之間在空間進行對接前要先交會,即相互接近,它是通過交會測量系統(tǒng)使一個航天器接近另一個航天器的過程。由于航天器是在三維空間飛行,一個航天器飛向另一個航天器時不能隨意進行,因為它們都必須沿著各自的軌道飛行,所以要精確地測量和計算出雙方的軌道和運行速度,然后通過不斷地調(diào)整軌道,即軌道控制,使2個航天器在同一軌道上運行。另外,2個航天器在對接時要精確地控制它們的朝向,即姿態(tài)控制,使對接面處于相對的位置。對接時要使航天器的對接面朝向?qū)臃较?而且2個航天器的對接面中心軸要在同一條對接軸上,如果錯位就無法對接了。追蹤航天器的工作過程縱觀國外航天器空間交會對接的整個過程,盡管根據(jù)飛行軌道和交會對接的具體要求,各種交會對接的飛行程序會有所不同,但其基本的操作內(nèi)容是相似的,即追蹤飛行器從發(fā)射入軌到最后與目標飛行器完成剛性連接,整個過程大致可分為地面導引、自動尋的、最后逼近、對接合攏四個階段,也可稱為太空四步。地面導引階段。追蹤航天器在地面控制中心的操縱下,經(jīng)過若干次變軌機動,進入到追蹤航天器上的交會測量敏感器能捕獲目標航天器的范圍,一般為100-10千米。自動尋的階段。追蹤航天器通過交會測量系統(tǒng)測得與目標航天器的相對運動參數(shù),自動引導到目標航天器附近的初始瞄準點,距目標航天器0.5-1千米。最終逼近階段。追蹤航天器首先要捕獲目標的對接軸,當對接軸線不沿軌道飛行方向時,要求追蹤航天器在軌道平面外進行繞飛機動,以進入對接走廊,此時兩個航天器之間的距離約100米,相對速度約3-1米/秒。追蹤航天器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統(tǒng)精確測量兩個航天器的距離、相對速度和姿態(tài),同時啟動小發(fā)動機進行機動,使之沿對接走廊向目標最后逼近。對接合攏階段。先關閉發(fā)動機,以0.15-0.18米/秒的?？克俣扰c目標相撞,最后利用栓錐或異體同構(gòu)周邊對接機構(gòu)的抓手、緩沖器、傳力機構(gòu)和鎖緊機構(gòu)使兩個航天器在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)硬連接,完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。換句話說就是,當2個航天器開始接觸時,對接敏感器便發(fā)出接觸信號,此時它們各自的姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)停止工作,對接機構(gòu)上的撞鎖開始動作,然后利用指示撞鎖合攏的開關信號啟動對接后繼階段。對接過程包括對接機構(gòu)鎖緊、密封等,接著由地面檢驗對接是否成功,若成功,則在地面監(jiān)控下完成各種管線(數(shù)據(jù)線、電源線、流體管路)的連接。此外,當2個航天器對接成功并且經(jīng)過一段時間完成了空間任務以后,往往需要分開,所以還有一個脫開和分離過程,它也屬于空間交會對接的技術范疇。撤離過程與對接過程正好相反。在這一過程中,首先是對接機構(gòu)進行解鎖,使2個航天器脫開。然后啟動推進系統(tǒng),產(chǎn)生分離速度。同時啟動2個航天器的姿控和軌控系統(tǒng),保證追蹤航天器按預定要求撤離。簡言之,撤離過程與交會對接過程正好相反,實現(xiàn)“1-1=2”兩個設備1.近場空間下的膜壓2個航天器要想在太空交會,主要依靠航天器上交會測量設備,它是航天器之間進行交會靠攏的“眼睛”。在2個航天器空間交會中常用的交會測量設備主要有4種:一是微波雷達,其測量范圍從相對距離100千米—100米;二是激光雷達,其測量范圍從相對距離15千米—10米;三是光學成像敏感器,其測量范圍從相對距離100米—3米;四是對接敏感器,其測量范圍從相對距離10米—0米。所以,2個航天器之間為中長距離時使用微波雷達、激光雷達、GPS差分接收機;2個航天器之間為短距離使用光學成像敏感器和對接敏感器。由此不難看出,交會測量設備的精度、作用距離和視場范圍,決定了交會對接的自主程度和技術水平。遠場交會測量設備一般作用距離為幾十或上百公里到百米量級,可測量目標飛行器相對追蹤飛行器的位置和速度,用于自動尋的和最終逼近階段;近場交會測量設備一般作用距離為幾百米到對接,不僅能測量目標飛行器相對追蹤飛行器的位置和速度,還需測量航天器之間的相對姿態(tài),用于最終逼近和對接合攏階段。另外,交會測量設備在每個飛行階段都應有冗余備份。2.桿-錐式對接2個航天器要想在太空對接,主要依靠航天器上對接機構(gòu),它是航天器之間進行合二為一的“紐帶”,具有關節(jié)的作用。載人航天器上目前主要使用2種對接機構(gòu):桿-錐式對接機構(gòu)和異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)。桿-錐式對接機構(gòu)由“桿”和“錐”兩部分構(gòu)成,前者為主動,裝在追蹤飛行器上,“錐”為被動,裝在目標飛行器上。對接時桿插入錐內(nèi),然后錐將桿鎖定,接著拉緊兩個航天器,最終鎖定兩個對接面完成對接。目前,俄羅斯“聯(lián)盟”系列載人飛船、“進步”系列貨運飛船與空間站的對接均采用桿-錐式對接機構(gòu)。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量較輕;缺點是對接機構(gòu)全部安裝在航天器殼體內(nèi)部,對接后占據(jù)較大內(nèi)部空間,其承載能力也比較較低。異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)中的“異體同構(gòu)”是指追蹤飛行器和目標飛行器上的對接機構(gòu)采用同樣結(jié)構(gòu),沒有主動、被動之分;“周邊式”是指機構(gòu)不設置在中間,而是設置在周邊。目前,航天飛機與空間站之間以及空間站哥艙段之間的對接均采用異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)。其優(yōu)點是對接后通道暢通,因?qū)舆B接環(huán)直徑較大承載能力大,適宜大質(zhì)量航天器間對接,缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜,質(zhì)量較大。對接時,追蹤飛行器上的對接機構(gòu)伸出裝在周邊的三個板狀導向器,使兩個對接機構(gòu)準確地接觸,鎖定后對接機構(gòu)回縮,使對接面拉緊,最終鎖定兩個對接面完成對接。地面試驗和自動控制相結(jié)合美俄的交會對接技術已經(jīng)成熟并在空間站和載人登月中發(fā)揮了重要作用,兩國交會對接技術也具有近距離交會段分別以人控和自控為主的鮮明特色。同時,兩國都在不斷提升交會對接過程中飛行器的自主能力。航天器的空間交會對接控制方法主要手動控制、自動控制兩種。未來的發(fā)展趨勢是人工控制和自動控制相結(jié)合,以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。進行充分的地面試驗是成功的關鍵;系統(tǒng)具有一定的故障冗余能力是提高可靠性的基礎;航天員進行嚴格的訓練是保證完成任務的有效措施。為了在空間可靠地完成交會對接操作,必須依賴高度可靠并且有容錯和診斷功能的系統(tǒng),最有效的研制途徑就是地面仿真試驗。在未來的空間交會與對接測量技術發(fā)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頻段和毫米波頻段發(fā)展;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差分測量可大大提高測量精度。在最后逼近和對接合攏階段,光學成像敏感器有更突出的優(yōu)點,所以也是國際普遍使用的敏感器。交會對接在測量方法上已由依靠地面的非自主式測量過渡到不依靠地面的自主式測量;由航天員操作的非自主式對接發(fā)展到不依賴于航天員的自動對接。與歷史上的“第一次”相結(jié)合第一次有空間會和世界上第一次有空間會1965年12月15日,美國“雙子星座”6號和7號飛船在航天員參與下,實現(xiàn)了世界上第一次有人空間交會。這兩艘飛船在不同軌道上并列飛行,兩艘飛船的間距保持在1.83至3.05米之間,距離地球達312公里。首次確定的航天器1966年3月16日,美國航天員阿姆斯特朗和斯科特乘坐“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?！?/p>