约在天宫：一文教你了解空间交会对接技术发展

当兵的那点事

在神舟十一号即将发射之际，我们有必要回顾空间交会对接技术的发展历史。

一、 交会对接技术概述

什么是交会对接技术
空间交会对接技术是指追踪飞行器与目标飞行器在空间轨道上交会，并在结构上连成一个整体的技术。空间交会对接最有特点、最具难度的技术是对接机构和测量导航控制技术。它有如下三方面的作用：一是可以弥补火箭运载能力不足，完成大型空间站的组装；二是可以实现空间站等飞行器的补给、维修以及应急情况下航天员的救生；三是可以实现飞行器优化重构，组成飞往其他星体的飞行器。
了解“交会”、“对接”的两个概念：
“交会”即两个航天器，在预定的时间，抵达一定的轨道和空间。
“对接”即是两个航天器连接在一起，在空间预定轨道上运行目标飞行器，去追踪飞行器交会对接。
交会对接过程
在交会对接过程中，追踪飞行器的飞行可以分为以下四个阶段：
1 远程导引段
在地面测控的支持下，追踪飞行器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飞行器的范围（一般为15～100千米）。
2 近程导引段
追踪飞行器根据自身的微波和激光敏感器测得的与目标飞行器的相对运动参数，自动引导到目标飞行器附近的初始瞄准点（距目标飞行器0.5～1千米）。
3 最终逼近段
追踪飞行器首先捕获目标飞行器的对接轴，当对接轴线不沿轨道飞行方向时，要求追踪飞行器在轨道平面外进行绕飞机动，以进入对接走廊，此时两个飞行器之间的距离约100米，相对速度约1～3米/秒。
4 对接停靠段
追踪飞行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飞行器的距离、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-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飞行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。

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图1 交会对接任务飞行图

空间交会对接的控制方式
空间交会对接的控制方式可以划分为如下4种方式：（1）遥控操作：追踪飞行器控制不依靠航天员，全部由地面站通过遥测和遥控来实现，这种方式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，由航天员在轨道上对追踪飞行器的姿态和轨道进行观察和判断，然后手动操作完成，这种要求航天员训练有素，但对接成功率很高；（3）自动控制：不依靠航天员，由船载设备和地面站相结合实现交会对接，该控制方式亦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，完全由船上设备自主实现交会对接。中国神舟八号飞船与天宫一号(微博)目标飞行器交会对接采用自动控制方式。
交会对接的对接结构类型
按不同的结构和原理，空间对接机构有四种：
“环-锥”式
“环-锥”式机构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
“杆-锥”式机构（也叫“栓-锥”式结构）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。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
“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）。

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图 2 “异体同构周边”式对接机构

工作过程：当两个航天器接近时，三块导向瓣分别插入对方的导向瓣空隙处。对接框上的锁紧机构使两个航天器保持刚性连接。
“抓手-碰撞锁”式
“抓手-碰撞锁”式机构是欧洲、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。

二、国外发展历史

目前世界上有美国、 俄罗斯、 欧洲和日本研制的飞行器分别完成了与运行在地球轨道上目标飞行器的交会对接。1966 年 3 月 16 日，美国双子星座 8 号飞船与由阿金纳火箭末级改装的对接目标实现了世界上首次交会对接。1967年 10 月，前苏联宇宙 188 号飞船与宇宙 186 号飞船实现了世界上首次无人自动交会对接。 1969 年 7 月，美国阿波罗登月舱与指令服务舱实现了首次月球轨道人控交会对接。欧洲和日本分别于 2008 和 2009年实现了自动转移飞行器 ATV （ Automated Transfer Vehicle）和 H-II 转运飞行器 HTV （ H-II Transfer Vehicle）与国际空间站的交会对接。迄今为止，美国和俄罗斯共计进行了 300 多次交会对接飞行，美、 俄的交会对接技术已经成熟并在空间站和载人登月中发挥了重要作用，两国交会对接技术也具有近距离交会段分别以人控和自控为主的鲜明特色。同时，两国都在不断提升交会对接过程中飞行器的自主能力。
国际重要的航天器交会对接几个第一：
第一次有人空间交会。1965年12月15日，美国“双子星座”6号飞船在航天员的参与下，和“双子星座”7号飞船实现了世界上第一次有人空间交会。
第一次有人空间对接。1966年3月16日，美国“双子星座”8号飞船通过宇航员手动操作，与无人“阿金纳”目标飞行器对接。
第一次自动交会对接。1967年10月30日，苏联“宇宙”188号飞船与“宇宙”186号飞船在太空实现自动对接。
第一次航天飞机与空间站对接。1995年6月29日，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站对接。

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图3 空间交会对接典型事例

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表1 目前世界上具备交会对接能力的航天器

到目前为止，只有美国、俄罗斯和我国掌握完整的交会对接技术。欧洲和日本的 ATV 和 HTV 在交会对接技术方面，分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。ATV 的对接机构由俄罗斯提供，HTV 的对接机构由美国提供，其最后的对接过程是由空间站机械臂控制完成的。二者在飞行任务中均需要美国和俄罗斯的数据中继卫星系统（Tracking and Data RelaySatellite，TDRS）支持。
美国交会对接技术的发展
美国在阿波罗、天空实验室、航天飞机的卫星维修任务、航天飞机与和平号空间站对接任务、国际空间站计划和猎户座飞船计划等载人航天计划中不断研究、 发展、 改进和完善了交会对接技术。
在阿波罗登月计划中，为了发展和验证交会对接等关键技术，美国研制并发射了双子星座号系列飞船。从1964 年到1966年，双子星座号共进行了2次不载人和 10 次载人飞行，验证了多种交会对接方式下的任务规划、航天员人工操作控制、地面跟踪多航天器等技术。
阿波罗飞船的登月舱和指挥服务舱都具备在交会对接中作为主动（追踪）飞行器的能力。为了保证在缺少地面支持的月球轨道上交会对接的安全性，登月舱和指挥服务舱都具备一定的自动化能力。正常情况下，交会对接任务规划由地面完成，但是船上系统具有对目标定位并自主机动的能力。最终的捕获和对接则是由航天员完成的。
天空实验室计划继承了阿波罗交会对接的软硬件技术。1975 年，阿波罗飞船与联盟号飞船实现了美、俄航天器间的交会对接，这一项目应用了新的异体同构周边式对接机构。
航天飞机的交会对接具有许多新的特点。与此前的交会对接任务不同，航天飞机的重要任务之一是为位于不同轨道上的飞行器提供轨道服务，这些任务及其轨道在航天飞机研发设计时可能并没有考虑，有的任务中目标飞行器甚至不能提供相对导航支持。航天飞机采用了对接机构、机械臂、航天员舱外活动等不同方式实现对目标的捕获，大大增强了其轨道服务功能。航天飞机的任务规划仍然由地面完成，机上 GNC 系统根据航天员指令可以自动执行许多交会控制功能，包括目标定位、相对导航和控制。最终逼近段仍然由航天员操作完成。
猎户座飞船的研发对交会对接的自动性和自主性提出了更高要求。目前在研发的关键技术包括自动交会 GNC 算法、自主任务管理、自动相对导航敏感器技术、先进捕获和对接机构、机械臂组装技术。这些技术中许多已经成熟，关键的挑战是要将这些技术进行集成
俄罗斯/前苏联交会对接技术的发展
俄罗斯/前苏联在早期的飞船与飞船交会对接试验、礼炮号系列空间站、 和平号空间站和国际空间站计划中不断研究、发展、改进和完善了交会对接技术。
1967年10月，不载人的宇宙186和宇宙188飞船进行了世界上首次航天器自动交会对接，其后联盟4号和5号飞船实现了前苏联的首次载人交会对接。联盟号飞船近距离交会采用视线制导进行运动控制，包括人控和自动控制两种方式。 若采用人控方式，则航天员借助电视摄像机和光学瞄准器，手动操作轨道和姿态控制执行机构实现对接。自控交会对接时，飞船相对距离和姿态的测量由 Kurs 雷达测量系统完成。
1971 年 4 月 19 日，前苏联发射了世界上第一个空间站——礼炮 1 号，对以前的 “撞杆—接收锥” 结构进行了改进，发展了可移开的 “杆锥” 式对接机构，实现了对接后的密封连接并形成航天员来往通道，
该对接机构需要一定的相对速度才能完成对接锁定。 后续发射的礼炮 6 号和礼炮 7 号空间站，首次在单模块舱段上配置了两个对接口，可同时接纳载人飞船和货运飞船。 Kurs 系统一直延续使用至今，优点是系统简单，从距离几十千米的自主段起始点开始，到对接机构接触的全程均由该系统完成相对位置和姿态的测量。
1986 年 2 月 20 日，前苏联发射了和平号空间站服务舱，共配置了 6 个对接口。在其后的空间站组装建造过程中，交会对接仍然在水平轴向进行，对接后通过机械臂将空间站舱段或飞船移动到侧向对接口。飞船与和平号的交会对接仍然有人控和自控两种方式，对于无人的进步号飞船，人控由和平号上的航天员或地面控制人员进行操作。联盟-TM 载人飞船和进步号货运飞船为和平号空间站成功提供了连续 15 年的运输补给服务。
欧洲和日本交会对接技术的发展
欧洲的交会对接技术研发开始于上世纪 80 年代，为了实现拟议中的 Hermes 航天飞机与国际空间站对接，欧空局开展了自动交会对接技术的研究。Hermes 航天飞机项目取消后，欧空局开始为国际空间站研制用于后勤补给的自动转移飞行器 ATV，自
动交会对接技术的研发也自然过渡到为 ATV 与国际空间站的对接服务。ATV 采用从俄罗斯引进的用于进步号货运飞船的对接机构。
ATV 的GNC系统包括三个IMU组件，两台用来进行绝对和相对导航的GPS接收机，一个用来测量相对位置和姿态信息的交会敏感器 RVS。在远程交会机动阶段（距对接口200m之前），主要采用差分 GPS 数据完成导航控制，在近距离接近段（距对接口200m以内），由于遮挡和多径效应的影响不能采用 GPS，相对测量手段切换到交会敏感器 RVS。交会敏感器固定在 ATV 前端，主动发出 905 μ㎜波长的激光，激光被固定在目标飞行器上的六个反射器反射。在 200m范围内，交会敏感器利用接收到的反射激光信号可以得到距离、距离变化率和方位信息，在最后 40m 得到相对姿态和相对姿态变化率信息。在应用于ATV交会对接前，相对GPS 和交会敏感器 RVS在1996年和1997年三次在航天飞机上进行了飞行搭载测试。ATV 最终于2008年4月发射，并成功与国际空间站对接，首次飞行的 ATV 被命名为凡尔纳飞船。
日本在1997年进行了实验技术卫星7号（ ETS-VII）在轨近距离交会对接演示验证。 目标和追踪飞行器一起发射入轨，在轨分离并相距一定距离后开始进行试验。该演示验证飞行的主要任务有三项：（1）自动空间交会对接飞行试验；（2）空间机器人技术试验；（3）通过数据中继卫星对多星测控。试验验证了从相对接近阶段到对接阶段的自动交会对接技术都是可行的。
HTV 是日本研制的向国际空间站运输货物的不载人飞船，于 2009 年 9 月进行了首飞并成功与国际空间站对接。在经过交会飞行到达国际空间站后，HTV 停泊在距空间站几米的位置，由国际空间站的机械臂捕获后与日本实验舱完成对接，这也是国际空间站第一次采用这种方式与来访航天器对接。HTV 在远距离时采用相对 GPS 导航，近距离时采用交会敏感器 RVS 导航

三、我国交会对接技术的发展

我国是世界上第三个完整掌握交会对接技术的国家。我国在载人航天工程第二步第一阶段的任务中，通过自主研制天宫一号目标飞行器以及神舟八号、 神舟九号、神舟十号载人飞船，于 2011 年 11 月 3 日实现首次交会对接，2012 年 6 月 16 日实现首次载人交会对接,，2013 年 6 月 26 日完成首次载人交会对接应用性飞行任务，3 次飞行任务共在轨完成 8 次交会、 6次对接，覆盖了自动和手动、前向和后向、阳照区和阴影区等多种交会对接模式，系统突破并掌握了交会对接技术。
与俄(苏联)、美相比，我国交会对接起步较晚，技术积累薄弱， 但设计了清晰的发展路线和飞行规划，通过充分做好地面试验，飞行试验一次成功, 飞船状态一次到位。即验证和突破了技术，又研制成功了可用于未来空间站工程的标准载人运输飞船. 技术跨越幅度大。我国在飞行任务中均规划了两次交会对接, 神舟八号的两次交会对接分别验证了在阴影和阳照条件下的自动交会对接技术， 神舟九号的两次交会对接则分别验证了载人自动交会对接技术和人控交会对接技术，飞行试验验证效率高。

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表2 我国与国外航天器的交会对接技术对比  

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图4 各种对接机构的构型

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（从左至右依次为杆-锥式、国外和我国的异体同构对接机构）

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图5 空间交会对接

从表2、图4、图5可看到，我国独立设计的交会对接控制系统采用了自动控制和人工控制相结合，自动控制为主的的模式，提高了系统冗余度和可靠性，6 次对接自动/人控交会控制精度均达到了厘米级，从公开报道数据评估处于国际领先水平。我国独立研制了自成体系的交会测量系统，具有较强的冗余度和抗干扰能力，测量精度达到了国际领先水平。我国独立研制使用的异体同构周边式对接机构实现了两飞行器的密封对接，与国外对接机构技术相当, 达到了国际先进水平。

好运

宁愿选择放弃，不要放弃选择。

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好人一生平安

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我的啦嘿嘿

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我十目一行也还是看不懂啊

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