空間交會(huì)對(duì)接:太空演繹“高難度”

□ 一 林

我國已宣布將于今年下半年擇機(jī)發(fā)射天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)載人飛船，在軌道上進(jìn)行首次空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。這將是我國載人航天發(fā)展史上又一重要里程碑，也是世界載人航天史上的一件大事，勢必引起國人和世人的密切關(guān)注。

空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)吸引人們關(guān)注的重要原因不僅是空間交會(huì)對(duì)接的意義重大，而且更主要的是它是一項(xiàng)用途很廣、難度極高的關(guān)鍵技術(shù)。

空間交會(huì)對(duì)接的用途

空間交會(huì)對(duì)接是指兩個(gè)航天器，例如兩艘飛船或一艘飛船與一個(gè)空間站，在太空中先會(huì)合，再對(duì)接。

空間交會(huì)對(duì)接包括前后銜接的兩項(xiàng)操作：“交會(huì)”是指兩個(gè)航天器在同一時(shí)刻到達(dá)軌道上同一位置，且速度相等，?？吭谝黄?；“對(duì)接”是指兩個(gè)航天器相互碰撞接觸，連接成一個(gè)剛性的整體。

實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)對(duì)接是建造和利用載人空間站，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)載人月球、載人火星等航行，推進(jìn)載人航天事業(yè)持續(xù)發(fā)展不可逾越的一步。

掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)是建造空間實(shí)驗(yàn)室和空間站的先決條件。交會(huì)對(duì)接技術(shù)主要用于以下幾個(gè)方面：

① 運(yùn)送和接返航天員的載人飛船或航天飛機(jī)需要同空間實(shí)驗(yàn)室或空間站實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，以便航天員進(jìn)入或離開空間實(shí)驗(yàn)室或空間站。

② 運(yùn)送給養(yǎng)和物資的貨運(yùn)飛船需要與空間實(shí)驗(yàn)室或空間站交會(huì)對(duì)接，以便向空間實(shí)驗(yàn)室或空間站補(bǔ)充給養(yǎng)和物資。

③ 在緊急情況下，營救航天員的救生飛行器必須與在軌道上遇險(xiǎn)的飛船、空間站或空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。

④ 建造國際空間站等特大型航天器，需要化整為零，將組成航天器的艙段和構(gòu)件，分批送入軌道，在太空中裝配。從地面發(fā)射上天的艙段、構(gòu)件需要與在軌的艙段、構(gòu)件交會(huì)對(duì)接。

空間交會(huì)對(duì)接的難點(diǎn)

兩個(gè)航天器在太空實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接是一項(xiàng)非常復(fù)雜、難度極高的技術(shù)。

難點(diǎn)之一：航天器以極高的速度運(yùn)行，而且需要6自由度控制

美國“雙子星座”飛船與“阿金納”火箭交會(huì)

對(duì)接在國際空間上的航天器

準(zhǔn)備交會(huì)對(duì)接的兩個(gè)航天器都是以極高的速度在太空飛行。如所周知，兩輛時(shí)速為200千米的汽車在高速公路上行駛時(shí)，為保證安全，兩車之間必須保持至少200米的距離，焉敢并駕齊駛，更不用說在行駛中會(huì)合對(duì)接，這樣做豈非玩命！航天器在軌道上運(yùn)行的時(shí)速高達(dá)28000千米，是汽車速度的100多倍，讓這樣兩個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行交會(huì)并對(duì)接起來，是何等的危險(xiǎn)和艱巨！如果說，兩輛汽車在公路交會(huì)需要控制汽車的前后、左右2個(gè)方向的位置和速度，那么，兩個(gè)航天器在軌道上交會(huì)，除需要控制前后、左右外，還要控制上下方向，也就是3自由度控制；如要實(shí)現(xiàn)對(duì)接，還要增加3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的姿態(tài)控制。

難點(diǎn)之二：邊環(huán)繞地球運(yùn)行，邊進(jìn)行交會(huì)

航天器必須在服從環(huán)繞地球運(yùn)行規(guī)律的約束下實(shí)現(xiàn)交會(huì)，即邊環(huán)繞地球，邊縮短距離?，F(xiàn)以兩艘飛船即一艘目標(biāo)船、一艘追蹤船為例說明邊環(huán)繞、邊交會(huì)的過程。目標(biāo)船已經(jīng)在軌道上或者先行送入預(yù)定軌道（為簡單起見，假定為圓軌道）；追蹤船后發(fā)射，首先要用運(yùn)載火箭將它送入與目標(biāo)船相同的軌道，這已經(jīng)不容易。追蹤船即使進(jìn)入了同一軌道，一般情況下也不可能到達(dá)與目標(biāo)船同一個(gè)位置。假定目標(biāo)船在前，追蹤船在后。

追蹤船要追上目標(biāo)船，不能像地面車輛或空中飛機(jī)那樣，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)加速飛去，因?yàn)樽粉櫞坏┘铀?，它就離開原來軌道，進(jìn)入另外一條較高的橢圓軌道。為了縮短距離，追蹤船應(yīng)該減速，使自己進(jìn)入一條比原軌道略低的橢圓軌道，使軌道周期縮短。這樣，兩艘船各自繞地球運(yùn)行的同時(shí)，相互間的距離（技術(shù)上常用“相位差”表示）就會(huì)縮短（相位差縮小），經(jīng)過幾次這樣的調(diào)整（技術(shù)上稱為“調(diào)相”），才能逐步在軌道上到達(dá)同一位置。

追蹤船與目標(biāo)船的交會(huì)對(duì)接一般分成四步：

神舟八號(hào)

第一步：追蹤船在地面測控站的指揮控制下，完成幾次加速或減速，使兩船之間的距離縮短到10千米~100千米。這時(shí)，追蹤船上的交會(huì)雷達(dá)開始跟蹤目標(biāo)船。

第二步：追蹤船靠自己的交會(huì)雷達(dá)測量到目標(biāo)船的距離，按照“邊環(huán)繞，邊接近”的規(guī)律，引導(dǎo)追蹤船靠近目標(biāo)船，使距離縮短到幾百米。

第三步：追蹤船繼續(xù)調(diào)整軌道，使兩船的距離縮短到10米左右，并調(diào)整姿態(tài)，使兩艘船的縱軸平行。

第四步：當(dāng)追蹤船上的接近敏感器測出與目標(biāo)船的距離已縮短到只有幾十厘米，相對(duì)速度小于幾十厘米/秒，兩船的縱軸對(duì)齊時(shí)，發(fā)出對(duì)接信號(hào)，對(duì)接機(jī)構(gòu)上的撞鎖打開，兩船碰撞，對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸、嚙合、鎖定，并完成各種管道、線路的連接。

難點(diǎn)之三：超高精度的測量與控制

載人飛船在實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接時(shí)，可以采取自動(dòng)方式，也可以采取人工手動(dòng)方式。無論是自動(dòng)還是手動(dòng)，追蹤船上都必須裝有超高精度的距離、速度和姿態(tài)的測量和控制系統(tǒng)。以俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)飛船為例，船上裝有名為“航向”的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)，配備有微波雷達(dá)，GPS測距器、激光測距儀、接近敏感器等設(shè)備；僅天線就有8副，分別用于交會(huì)過程不同階段、不同距離的測控。這個(gè)系統(tǒng)在目標(biāo)航天器距離為400千米時(shí)開始工作。微波雷達(dá)從200千米開始引導(dǎo)飛船向目標(biāo)航天器靠攏，到距目標(biāo)37千米時(shí)，轉(zhuǎn)由激光測距儀、接近敏感器進(jìn)行精確測量，并由3臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航和控制。

“航向”交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)在目標(biāo)距離為100千米~75千米范圍內(nèi)時(shí)，距離測量精度為0.5米，速度測量精度為0.02米/秒，角度測量精度0.3°。當(dāng)距離縮小到10米以內(nèi)時(shí)，測距精度為距離的10-2~10-3，測角精度為0.05°。

難點(diǎn)之四：復(fù)雜而精巧的對(duì)接機(jī)構(gòu)

航天器上專門用來與另一航天器對(duì)接的對(duì)接機(jī)構(gòu)是一種非常復(fù)雜而又十分精巧的活動(dòng)機(jī)構(gòu)，由十幾個(gè)活動(dòng)部件組成。一次對(duì)接過程要完成十幾個(gè)動(dòng)作。理論和實(shí)踐都證明：在太空高真空、超低溫、微重力的條件下，機(jī)械活動(dòng)部件最容易出故障，航天器上的活動(dòng)部件和機(jī)構(gòu)一向是航天設(shè)計(jì)師特別關(guān)注的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

神舟八號(hào)和天宮一號(hào)空中交會(huì)示意圖

停泊在空間站上的日本H-2飛船

目前使用的最先進(jìn)的對(duì)接機(jī)構(gòu)是由構(gòu)造完全相同的兩半組成，追蹤航天器和目標(biāo)航天器上各裝一半，稱為“異體同構(gòu)”。所有的定向、引導(dǎo)、抓獲、伸展、收縮、阻尼，鎖定、解鎖、分離等十幾種活動(dòng)和動(dòng)力部件，都必須置于四周，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形對(duì)接框，所以這種機(jī)構(gòu)稱為“異體同構(gòu)周邊”對(duì)接機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)中央形成一個(gè)直徑1米大小的通道，以便兩航天器對(duì)接后，航天員及其他物體可以通過。對(duì)接后的通道必須密封，以保證載人航天器座艙的大氣無泄漏。對(duì)接機(jī)構(gòu)既要使兩航天器牢固鎖定，連接成一個(gè)剛性整體，又要在分離時(shí)，能方便地解鎖、脫開，并能多次完成對(duì)接、分離的功能。

兩航天器每一次交會(huì)對(duì)接需要經(jīng)過多次加速或減速，調(diào)整姿態(tài)，歷經(jīng)數(shù)小時(shí)，甚至十幾小時(shí)。有時(shí)一次對(duì)接不上，則需要調(diào)整軌道，再次對(duì)接，甚至多次對(duì)接嘗試。由于每次對(duì)接都要消耗推進(jìn)劑，載人航天器攜帶的推進(jìn)劑有限，必須保證最后一次對(duì)接嘗試，無論成功失敗，追蹤航天器應(yīng)留有足夠的推進(jìn)劑，以便航天器能分離、減速、脫軌、調(diào)整姿態(tài)和返回地面。若最后一次仍對(duì)接不成，則對(duì)接失敗，追蹤航天器就不得不返回地面。不過，迄今為止，這種完全失敗的情況是極少的。絕大多數(shù)情況都一次成功，只有很少幾次是經(jīng)過2次或多次嘗試才對(duì)接成功的。

地面仿真試驗(yàn)

對(duì)接了多個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的和平號(hào)空間站

美國的阿波羅飛船與蘇聯(lián)的聯(lián)盟號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)在軌交會(huì)對(duì)接

兩航天器在空間交會(huì)對(duì)接是復(fù)雜的航天動(dòng)力學(xué)與航天控制技術(shù)。為了盡快掌握這項(xiàng)技術(shù)，保證在太空的交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)?zāi)苋〉贸晒?，需要預(yù)先在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)包括建立兩個(gè)航天器動(dòng)力學(xué)與控制的數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行交會(huì)對(duì)接的數(shù)學(xué)仿真；實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件成熟時(shí)，可用有6自由度或12自由度的航天器實(shí)物模型和對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)物進(jìn)行碰撞對(duì)接試驗(yàn)。目標(biāo)航天器模型固定不動(dòng)，追蹤航天器模型運(yùn)動(dòng)，有6個(gè)自由度；若兩個(gè)航天器模型都運(yùn)動(dòng)，則共有12個(gè)自由度。自由度越多，控制越復(fù)雜，試驗(yàn)難度也越大。

空間交會(huì)對(duì)接的發(fā)展

歐洲“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與國際空間站進(jìn)行對(duì)接

最先掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的是美國。1966年3月，美國的雙子星座8號(hào)載人飛船與“阿金納”目標(biāo)航天器，在航天員手動(dòng)操作下，完成世界上首次（手動(dòng)）交會(huì)對(duì)接，為“阿波羅”登月飛船在飛行過程中的2次對(duì)接奠定基礎(chǔ)。第一次是在環(huán)地軌道上，“阿波羅”飛船的指令艙-服務(wù)艙與登月艙分離，調(diào)頭180°后，再次與登月艙對(duì)接；第二次是登月艙從月面返回到環(huán)月軌道上，與指令艙-服務(wù)艙實(shí)現(xiàn)交會(huì)并對(duì)接。

1967年10月，蘇聯(lián)“宇宙186”和“宇宙188”兩艘無人飛船在軌道上完成了世界上第一次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。1969年1月，“聯(lián)盟4號(hào)”和“聯(lián)盟5號(hào)”二艘飛船成功地進(jìn)行了手動(dòng)空間交會(huì)對(duì)接。從1971年發(fā)射成功第一個(gè)空間站“禮炮1號(hào)”以來，蘇聯(lián)/俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)載人飛船與禮炮1號(hào)~7號(hào)、和平號(hào)空間站進(jìn)行了近百次兼有自動(dòng)和手動(dòng)的交會(huì)對(duì)接；進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站進(jìn)行了約90次的無人自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。載人飛船和貨運(yùn)飛船交會(huì)對(duì)接的成功率均達(dá)到95%以上。

1975年7月，美國的阿波羅飛船與蘇聯(lián)的聯(lián)盟號(hào)飛船在太空實(shí)現(xiàn)了交會(huì)對(duì)接，兩國航天員在太空握手。在當(dāng)年的冷戰(zhàn)時(shí)代，美、蘇兩個(gè)超級(jí)大國“太空握手”，一時(shí)引起轟動(dòng)，被認(rèn)為是世界局勢出現(xiàn)緩和的征兆，是政治上的重大突破。同時(shí)，這也是技術(shù)上的新突破。兩國的飛船在結(jié)構(gòu)上、艙內(nèi)氣壓體制上均不相同。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)接，研制了一種雙方均能使用的、也就是前文所述的“異體同構(gòu)周邊”對(duì)接機(jī)構(gòu)，對(duì)接機(jī)構(gòu)中間的密封通道，作為兩飛船之間的過渡段，它的一端連接使用1/3大氣壓純氧大氣的“阿波羅”，另一端連接一個(gè)大氣壓氮氧混合大氣的“聯(lián)盟號(hào)”。

自九十年代末以來，俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)載人飛船和進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船，以其高度成熟的空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，為“國際空間站”進(jìn)行了數(shù)十次送接航天員，補(bǔ)充給養(yǎng)、物資，帶走垃圾廢物，尤其是在航天飛機(jī)失事停飛期間，為維持“國際空間站”的建造和應(yīng)用，避免工程中斷，發(fā)揮了無可取代的作用。

美國自1970年起致力于發(fā)展和使用航天飛機(jī)。自放棄“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站后，一直沒有進(jìn)行過空間對(duì)接的活動(dòng)。為了檢查、維修或回收軌道上的故障航天器，用航天飛機(jī)與衛(wèi)星進(jìn)行過多次交會(huì)，但沒有對(duì)接過。與俄羅斯相比，對(duì)接經(jīng)驗(yàn)不足。

空間交會(huì)對(duì)接是建造“國際空間站”的必由之路?！皣H空間站”由幾十個(gè)艙段和桁架、太陽電池陣、可移動(dòng)機(jī)械臂等大型構(gòu)件組成。這些艙段和大型構(gòu)件，由于尺寸大，重量重，只有用航天飛機(jī)才能將它們運(yùn)送到軌道上，與在軌的艙段、大型構(gòu)件或半成品空間站交會(huì)對(duì)接。為取得兩航天器對(duì)接的經(jīng)驗(yàn)，美國在“國際空間站”開工建造之前，從1995年到1998年間，用航天飛機(jī)與俄羅斯和平號(hào)空間站先后進(jìn)行了9次交會(huì)對(duì)接演練，掌握了對(duì)接技術(shù)。此后，在“國際空間站”建造的十多年間，順利地完成了與“國際空間站”的全部交會(huì)對(duì)接任務(wù)，為“國際空間站”建造立下了不朽的功勛。

歐洲空間局先后發(fā)射了兩個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”——凡爾納號(hào)和開普勒號(hào)，實(shí)現(xiàn)了與“國際空間站”交會(huì)對(duì)接，為后者運(yùn)去物資給養(yǎng)；日本較早在1998年成功進(jìn)行了無人航天器的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，現(xiàn)已發(fā)射過2艘H-2轉(zhuǎn)移飛行器，也實(shí)現(xiàn)了與“國際空間站”交會(huì)對(duì)接，為空間站運(yùn)送物資及進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)。

禮炮7號(hào)空間站與聯(lián)盟號(hào)飛船對(duì)接后在軌飛行

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)是空間站建設(shè)的基礎(chǔ)

我國目前正在執(zhí)行載人航天工程第二期的任務(wù)，最終目的是建立短期有人照料、長期自主飛行的空間實(shí)驗(yàn)室，開展一定規(guī)模的空間應(yīng)用。我國載人航天工程第三期的目標(biāo)是建造長期性載人空間站，開展較大規(guī)模的空間應(yīng)用。為此，需要用載人飛船和貨運(yùn)飛船作天地之間的運(yùn)輸器，為空間實(shí)驗(yàn)室和空間站運(yùn)送和接回航天員，補(bǔ)充各種物資和給養(yǎng)。即將進(jìn)行的天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)載人飛船的空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，就是為了掌握這項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。我國已順利地完成了載人航天工程第一期全部和第二期第一步的建設(shè)任務(wù)，取得了從“神舟一號(hào)”到“神舟七號(hào)”飛船多種狀態(tài)下的飛行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)成果。我國的首次空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)將為空間實(shí)驗(yàn)室和空間站的建造和應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)，也將為未來開展載人月球、火星航行等創(chuàng)造條件。

美國和蘇聯(lián)兩國工程人員正在對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試

國際空間站與哥倫布號(hào)實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接