空间交会对接技术详解

空间交会对接技术详解空间交会与对接技术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。广泛用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型空间设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。意义重大空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。只有掌握它们，人类才能自由出入太空，更有效地开发宇宙资源。对于国家来说，还能独立、平等地参加国际合作。在突破并掌握了载人航天的基本技术之后，宇宙飞船的主要用途就是为空间站和月球基地等接送航天员和物资。在航天领域专家常说的一句话是：“造船为建站，建站为应用。”至今发射的宇宙飞船大多是作为空间站的天地往返交通工具和长期停靠在空间站上的救生艇。为了实现宇宙飞船的运输功能，就必须攻克两项关键技术，那就是宇宙飞船与空间站的空间交会技术与对接技术，主要设备是交会测量系统和对接机构。航天器之间的空间交会对接技术很复杂。在国外载人航天活动早期，航天器之间的空间交会对接过程中经常发生故障与事故，即使在1997年，俄罗斯的两个航天器还发生过一次重大的空间交会对接事故——“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞，使“和平”号空间站上的“光谱”号舱被迫关闭，部分氧气泄漏，动力系统也受到影响。通过多年的努力，目前美国和苏联/俄罗斯已完全掌握了在地面支持下的载人交会与对接技术。尤其是苏联/俄罗斯在掌握了空间交会与对接技术以后，先后利用飞船的运输能力发展了几代载人空间站，在空间交会与对接等方面一直占据着技术优势。虽然起步较晚，但欧洲、日本等国家在空间交会与对接研究方面已取得长足进步，特别是某些单项技术和设备，如地面仿真、对接敏感器等，都取得了惊人的进步。日本曾于1998年通过两颗卫星成功进行了无人交会与对接在轨试验，2009年又用首个H2转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接。欧洲也在2008年用首个自动转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接。技术概述在空间交会与对接的两个航天器中，一个称目标航天器，一般是空间站或其他的大型航天器，是准备对接的目标；另一个称追踪航天器，一般是地面发射的宇宙飞船、航天飞机等，是与目标航天器对接的对象。对接对象也可以是太空中失控的或出现故障的航天器。追踪航天器从发射入轨到最后与目标航天器完成刚性连接，整个过程大致可分为地面导引、自动寻的、最后逼近、对接合拢四个阶段。航天器之间在空间进行对接时要先交会，即相互接近，它是一个航天器接近另一个航天器的过程。具体地说，就是在太空飞行中，两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达空间同一位置的过程。美国和苏联/俄罗斯曾使用过三种交会的方法，即相切法、共椭圆法和第一远地点法。它们细说起来一言难尽，但都是利用两个航天器的不同高度和霍曼变轨原理，使追踪航天器以不同的速度移向目标航天器。两个航天器交会后要调整各自的位置，使两个航天器之间逐步达到零距离，最终启动对接机构实现对接，在机械上联成一体，形成更大的航天器复合体。实现交会与对接是由交会与对接系统完成的，它通常包括跟踪测量系统、姿态与轨道控制系统、对接机构机械系统等。两个航天器在太空进行对接时，其初始条件是两者保持对接机构的同轴接近方式和确定的纵向速度，以及在其他线坐标和角坐标上的速度为零。但两个航天器之间的实际相对运动参数总是有偏差。一般情况下，两个航天器之间的相对位置及其平动速度通常是靠主动航天器运动控制系统和两个航天器的定向与稳定系统来维持，前者适用于控制质心的平动运动，后者适用于控制绕质心的转动运动。总之，空间交会与对接过程一般是首先由地面发射追踪航天器，由地面控制，使它按比目标航天器稍微低一点的圆轨道运行；接着，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，并与目标航天器建立通信关系；接着，追踪航天器调整自己与目标航天器的相对距离和姿态，向目标航天器靠近；最后当两个航天器的距离为零时，完成对接合拢操作，结束对接过程。四种类型航天器空间交会对接技术的实施必须由高级控制系统来完成，根据航天员及地面站的参与程度可将控制方式划分为如下四种类型：①遥控操作：追踪航天器的控制不依靠航天员，全部由地面站通过遥测和遥控来实现，此时要求全球设站或者有中继卫星协助。②手动操作：在地面测控站的指导下，航天员在轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断，然后动手操作。这是目前比较成熟的方法。③自动控制：不依靠航天员，由航天器上设备和地面站相结合实现交会与对接。该控制方法也要求全球设站或有中继卫星协助。④自主控制：不依靠航天员与地面站，完全由航天器上设备自主实现交会与对接。从本质上说，上述分类可归结为人工控制方式或自动控制方式。迄今为止，美国较多地应用人工控制方式，而苏联/俄罗斯则主要采用自动控制方式。用人控来完成太空交会与对接的优点是：可以提高交会与对接的成功率；能及时修正交会系统中的错误和排除故障；节省燃料和时间。自控交会与对接的优点是：不需要复杂的生命保障系统，可靠性高，无需考虑人员的安全和救生问题。交会与对接未来的发展趋势是人控和自控相结合，以提高交会与对接的灵活性、可靠性和成功率。测量系统先进的测量系统可以称作是航天器间进行交会与对接时的眼睛。苏联/俄罗斯飞船与空间站对接使用的交会测量系统最早叫“针”，后来增加了数字计算机又改名为“航向”。“航向”测量系统具有可靠性高、作用距离远的特点，尤其是不需要庞大的“和平”号空间站作任何机动和姿态变化，航天员也可借助显示器和键盘进行手动控制。该系统在中远距离采用S频段微波雷达，近距离有激光测距仪、目视光学瞄准器。其S频段微波雷达装在飞船上，包括自动导引头、测距仪和径向速度测量装置；空间站上设有信标、应答机和通信设备等相应的搜索、捕获定向敏感器。“航向”系统共有9部天线组成搜索捕获和跟踪测量系统（追踪航天器上5部，目标航天器上4部），其中6部天线用于搜索捕获和初定向，1部用于停靠阶段定向，2部用于相互跟踪、相对运动测量和停靠阶段定向。用于搜索的天线为螺盘天线，用于跟踪的为抛物面天线。美国“双子星座”飞船与“阿金纳”火箭对接，使用的交会测量系统为L频段非相干脉冲微波交会雷达、目视光学瞄准器。其中雷达作用距离为150米～450千米，目标航天器上安装应答机，由航天员通过光学瞄准器以手控方式进行交会与对接操作。美国“阿波罗”飞船指令舱与登月舱对接,使用的交会测量系统为X频段单脉冲连续波雷达、目视光学瞄准器。“阿波罗”与“联盟”飞船对接也采用这套测量系统。美国航天飞机与空间站对接，使用的交会测量系统是Ku频段脉冲多普勒雷达、目视光学瞄准器。它具有通信、收发功能，作用范围为30米～220千米，但接近与对接仍由手动完成。近年来，激光雷达因具有可固化、重量轻、体积小，以及测量精度高、易于测量相对姿态的优点而倍受青睐。但目前它在国际交会与对接中尚处于试验阶段。而GPS导航定位技术相对成熟，已对空间交会与对接提供了有力的支持。对接机构交会与对接既离不开测量系统，也必须有对接机构，二者缺一不可。按不同的结构和原理，空间对接机构有四种：“环-锥”式机构、“杆-锥”（也叫“栓-锥”）式机构、“异体同构周边”式机构、“抓手-碰撞锁”式机构。“环-锥”式是最早期的对接机构，它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，使它能吸收冲击能量。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。“杆-锥”式是在两个航天器对接面上分别装有栓和锥的对接机构，即一个航天器的对接机构内装有接收锥，另一个航天器上装有对接碰撞杆，在对接时，碰撞杆渐渐指向接收锥内，接收锥将杆头锁定。由于这种对接结构不具备既有主动又有被动的功能，所以不利于实施空间营救。苏联/俄罗斯“联盟”飞船与“礼炮”号空间站、“联盟TM”飞船与“和平”号空间站，美国“阿波罗”登月舱与指令舱等的对接，都曾采用这种对接机构。“异体同构周边”式对接机构可以克服“杆-锥”式机构的缺点，因为它满足了下面两个要求：①对接机构是异体同构，使航天器既可作主动方，也能作被动方，这一点对空间救援特别重要；②对接机构必须是周边的，即所有定向和动力部件都安装于中央舱口的四周，从而保证中央成为来往通道空间。苏联“联盟-19”飞船与美国“阿波罗-18”飞船、航天飞机与“和平”号空间站、航天飞机与国际空间站等对接，都采用这种对接机构。其中，航天飞机与国际空间站的对接虽然仍采用“异体同构周边”对接机构，但增加了先进的综合测量系统，包括GPS导航接收系统、数据跟踪与中继导航与通信接收系统、微波交会雷达系统、激光对接雷达系统、光学对接摄像系统等，此外，还包括航天员显示装置（空间六分仪、望远镜、显示器、荧光屏等）。“抓手-碰撞锁”式是欧洲、日本研制的十字交叉和三点式对接机构。这两种机构实际上性质相同，只是布局上的差别。前者在周边布置四个抓手与撞锁，后者在周边布置三个抓手与撞锁。这两种对接机构都是无密封性能、无通道口的设计，适合与不载人航天器之间的对接，如无人空间平台、空间拖船等。未来展望在未来的空间交会与对接测量技术发展中，微波交会雷达仍将是可靠的远距离测量手段之一，并由L、S、C频段向Ku频段和毫米波频段发展；在最后逼近和对接阶段，光学成像敏感器有更突出的优点，所以也是国际上普遍使用的敏感器；激光雷达的优点是波束窄、分辨率高、体积小、重量轻、精度高，适合于近距离测量，在各国得到广泛重视；GPS差分测量可大大提高测量精度，日本、欧空局都将GPS作为交会对接过程中的辅助测量手段。交会对接在测量方法上已由依靠地面的非自主式测量过渡到不依靠地面的自主式测量；由航天员操作的非自主式对接发展到不依赖于航天员的自动对接。现在，无人航天器也广泛使用交会与对接技术。例如，美国轨道复活公司研制的“轨道延寿飞行器”装有一种“万能”锥型接口装置，它可与寿命终止的通信卫星的远地点发动机对接，构成卫星与推进舱的组合体，然后为组合体提供轨道保持和姿态控制能力，从而延长在轨通信卫星的工作寿命。美国还把自主交会对接技术用于“轨道快车”项目，它可像空中加油机一样为“有病”的卫星治疗、加注推进剂，利用这一技术也可以直接捕获敌方卫星。空间交会对接是两个航天器(宇宙飞船、航天飞机等)在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术，它是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。交会对接过程分4个阶段：地面导引，自动寻的，最后接近和停靠，对接合拢。在导引阶段，追踪航天器在地面控制中心的操纵下，经过若干次变轨机动，进入到追踪航天器上的敏感器能捕获目标航天器的范围(一般为15～100千米)。在自动寻的阶段，追踪航天器根据自身的微波和激光敏感器测得的与目标航天器的相对运动参数，自动引导到目标航天器附近的初始瞄准点(距目标航天器0.5～1千米)，由此开始最后接近和停靠。追踪航天器首先要捕获目标的对接轴，当对接轴线不沿轨道飞行方向时，要求追踪航天器在轨道平面外进行绕飞机动，以进入对接走廊，此时两个航天器之间的距离约100米，相对速度约3～1米/秒。追踪航天器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个航天器的距离、相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼近。在对接合拢前关闭发动机，以0.15～0.18米/秒的停靠速度与目标相撞，最后利用栓一锥或异体同构周边对接装置的抓手、缓冲器、传力机构和锁紧机构使两个航天器在结构上实现硬连接，完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接。交会对接飞行操作，根据航天员介入的程度和智能控制水平可分为手控、遥控和自主3种方式。1965年12月15日，美国“双子星座”6号和7号飞船在航天员参与下，实现了世界上第一次有人空间交会。1968年10月26日，苏联“联盟”2号和3号飞船实现了空间的自动交会。1975年7月17日，美国“阿波罗”号和苏联“联盟”号飞船完成了联合飞行，实现了从两个不同发射场发射的航