載人航天交會(huì)對(duì)接技術(shù)

周建平

1 引言

2011～2012年，我國(guó)將發(fā)射天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八、九、十號(hào)飛船，開(kāi)展無(wú)人和載人空間交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)，這是我國(guó)載人航天工程三步走發(fā)展戰(zhàn)略中的一個(gè)重要階段，這一階段任務(wù)的順利完成，將為我國(guó)載人航天的未來(lái)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是為長(zhǎng)期運(yùn)行的空間設(shè)施提供物資補(bǔ)給和人員運(yùn)輸服務(wù)。例如，除早期試驗(yàn)階段外，俄羅斯聯(lián)盟號(hào)載人飛船和進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的全部飛行任務(wù)，以及美國(guó)航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站及國(guó)際空間站對(duì)接的主要任務(wù)都是如此。二是為大型空間設(shè)施的建造和運(yùn)行服務(wù)，如和平號(hào)空間站的6艙段構(gòu)型就是由交會(huì)對(duì)接直接在軌組裝完成的，而國(guó)際空間站的建造既利用了交會(huì)對(duì)接直接組裝艙段，又利用了航天飛機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)輸能力和航天員的操作完成了包括桁架、太陽(yáng)電池帆板和艙段的組裝，而航天飛機(jī)對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修則是由交會(huì)對(duì)接技術(shù)支撐的在軌維修服務(wù)活動(dòng)的典范事例。沒(méi)有交會(huì)對(duì)接技術(shù)，這些復(fù)雜空間設(shè)施的建造和可靠運(yùn)行是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。三是進(jìn)行空間飛行器重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，例如在阿波羅登月任務(wù)中，在地球軌道和月球軌道要分別進(jìn)行一次交會(huì)對(duì)接，地球軌道交會(huì)對(duì)接解決了降低火箭上升段逃逸質(zhì)量與人員進(jìn)入登月飛行器通道之間的矛盾，月球軌道交會(huì)對(duì)接實(shí)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(dú)立，大幅降低了對(duì)火箭運(yùn)載能力的需求。

交會(huì)對(duì)接技術(shù)的另一個(gè)重大潛在應(yīng)用領(lǐng)域是載人登月和深空探測(cè)任務(wù)。這些任務(wù)所需運(yùn)載能力巨大，通過(guò)多次發(fā)射和交會(huì)對(duì)接技術(shù)在近地軌道完成飛行器的組裝，是降低對(duì)單發(fā)運(yùn)載火箭能力需求的有效途徑，特別是對(duì)于諸如火星及其以遠(yuǎn)的載人任務(wù)而言，這可能是目前技術(shù)水平上可工程實(shí)現(xiàn)的最佳、甚至唯一途徑。

因此，交會(huì)對(duì)接技術(shù)是發(fā)展航天技術(shù)、增強(qiáng)人類(lèi)探索和開(kāi)發(fā)太空資源能力的一項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)。它與載人天地往返、出艙活動(dòng)并稱(chēng)載人航天的三大基本技術(shù)。本文綜述了國(guó)際交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展歷程和技術(shù)特點(diǎn)，分析了我國(guó)實(shí)施空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)我國(guó)開(kāi)展交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)面臨的挑戰(zhàn)和解決途徑進(jìn)行了分析。

2 交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展

2.1 概貌

目前世界上有美國(guó)、俄羅斯、歐洲和日本研制的飛行器分別完成了與運(yùn)行在地球軌道上目標(biāo)飛行器的交會(huì)對(duì)接。1966年3月16日，美國(guó)雙子星座8號(hào)飛船與由阿金納火箭末級(jí)改裝的對(duì)接目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了世界上首次交會(huì)對(duì)接，其中，最后的近距離交會(huì)對(duì)接是由航天員人工控制完成的，稱(chēng)為人控交會(huì)對(duì)接。1967年10月，前蘇聯(lián)宇宙188號(hào)飛船與宇宙186號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了世界上首次無(wú)人自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。1969年7月，美國(guó)阿波羅登月艙與指令服務(wù)艙實(shí)現(xiàn)了首次月球軌道人控交會(huì)對(duì)接。歐洲和日本分別于2008和2009年實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器ATV（Automated Transfer Vehicle）和 H-II轉(zhuǎn)運(yùn)飛行器 HTV（H-II Transfer Vehicle）與國(guó)際空間站的交會(huì)對(duì)接。迄今為止，美國(guó)和俄羅斯共計(jì)進(jìn)行了300多次交會(huì)對(duì)接飛行，美、俄的交會(huì)對(duì)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(guó)交會(huì)對(duì)接技術(shù)也具有近距離交會(huì)段分別以人控和自控為主的鮮明特色。同時(shí)，兩國(guó)都在不斷提升交會(huì)對(duì)接過(guò)程中飛行器的自主能力[1-9]。

表1 目前世界上具備交會(huì)對(duì)接能力的航天器

到目前為止，只有美國(guó)和俄羅斯掌握完整的交會(huì)對(duì)接技術(shù)。歐洲和日本的ATV和HTV在交會(huì)對(duì)接技術(shù)方面，分別得到了美國(guó)或俄羅斯的技術(shù)支持。ATV的對(duì)接機(jī)構(gòu)由俄羅斯提供，HTV的對(duì)接機(jī)構(gòu)由美國(guó)提供，其最后的對(duì)接過(guò)程是由空間站機(jī)械臂控制完成的。二者在飛行任務(wù)中均需要美國(guó)和俄羅斯的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（Tracking and Data Relay Satellite，TDRS）支持。

2.2 美國(guó)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展

美國(guó)在阿波羅、天空實(shí)驗(yàn)室、航天飛機(jī)的衛(wèi)星維修任務(wù)、航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站對(duì)接任務(wù)、國(guó)際空間站計(jì)劃和獵戶座飛船計(jì)劃等載人航天計(jì)劃中不斷研究、發(fā)展、改進(jìn)和完善了交會(huì)對(duì)接技術(shù)。

在阿波羅登月計(jì)劃中，為了發(fā)展和驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)，美國(guó)研制并發(fā)射了雙子星座號(hào)系列飛船。從1964年到1966年，雙子星座號(hào)共進(jìn)行了2次不載人和10次載人飛行，驗(yàn)證了多種交會(huì)對(duì)接方式下的任務(wù)規(guī)劃、航天員人工操作控制、地面跟蹤多航天器等技術(shù)[9]。

阿波羅飛船的登月艙和指揮服務(wù)艙都具備在交會(huì)對(duì)接中作為主動(dòng)（追蹤）飛行器的能力。為了保證在缺少地面支持的月球軌道上交會(huì)對(duì)接的安全性，登月艙和指揮服務(wù)艙都具備一定的自動(dòng)化能力。正常情況下，交會(huì)對(duì)接任務(wù)規(guī)劃由地面完成，但是船上系統(tǒng)具有對(duì)目標(biāo)定位并自主機(jī)動(dòng)的能力。最終的捕獲和對(duì)接則是由航天員完成的。

天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃繼承了阿波羅交會(huì)對(duì)接的軟硬件技術(shù)。1975年，阿波羅飛船與聯(lián)盟號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了美、俄航天器間的交會(huì)對(duì)接，這一項(xiàng)目應(yīng)用了新的異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)。

航天飛機(jī)的交會(huì)對(duì)接具有許多新的特點(diǎn)。與此前的交會(huì)對(duì)接任務(wù)不同，航天飛機(jī)的重要任務(wù)之一是為位于不同軌道上的飛行器提供軌道服務(wù)，這些任務(wù)及其軌道在航天飛機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)可能并沒(méi)有考慮，有的任務(wù)中目標(biāo)飛行器甚至不能提供相對(duì)導(dǎo)航支持。航天飛機(jī)采用了對(duì)接機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、航天員艙外活動(dòng)等不同方式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲，大大增強(qiáng)了其軌道服務(wù)功能。航天飛機(jī)的任務(wù)規(guī)劃仍然由地面完成，機(jī)上GNC系統(tǒng)根據(jù)航天員指令可以自動(dòng)執(zhí)行許多交會(huì)控制功能，包括目標(biāo)定位、相對(duì)導(dǎo)航和控制。最終逼近段仍然由航天員操作完成。

獵戶座飛船的研發(fā)對(duì)交會(huì)對(duì)接的自動(dòng)性和自主性提出了更高要求。目前在研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括自動(dòng)交會(huì)GNC算法、自主任務(wù)管理、自動(dòng)相對(duì)導(dǎo)航敏感器技術(shù)、先進(jìn)捕獲和對(duì)接機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂組裝技術(shù)。這些技術(shù)中許多已經(jīng)成熟，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要將這些技術(shù)進(jìn)行集成[2]。

2.3 俄羅斯/前蘇聯(lián)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展

俄羅斯/前蘇聯(lián)在早期的飛船與飛船交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)、禮炮號(hào)系列空間站、和平號(hào)空間站和國(guó)際空間站計(jì)劃中不斷研究、發(fā)展、改進(jìn)和完善了交會(huì)對(duì)接技術(shù)。

1967年10月，不載人的宇宙186和宇宙188飛船進(jìn)行了世界上首次航天器自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，其后聯(lián)盟4號(hào)和5號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了前蘇聯(lián)的首次載人交會(huì)對(duì)接。聯(lián)盟號(hào)飛船近距離交會(huì)采用視線制導(dǎo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，包括人控和自動(dòng)控制兩種方式。若采用人控方式，則航天員借助電視攝像機(jī)和光學(xué)瞄準(zhǔn)器，手動(dòng)操作軌道和姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。自控交會(huì)對(duì)接時(shí)，飛船相對(duì)距離和姿態(tài)的測(cè)量由Kurs雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)完成。

1971年4月19日，前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一個(gè)空間站——禮炮1號(hào)，對(duì)以前的“撞桿—接收錐”結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，發(fā)展了可移開(kāi)的“桿錐”式對(duì)接機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接后的密封連接并形成航天員來(lái)往通道，該對(duì)接機(jī)構(gòu)需要一定的相對(duì)速度才能完成對(duì)接鎖定。后續(xù)發(fā)射的禮炮6號(hào)和禮炮7號(hào)空間站，首次在單模塊艙段上配置了兩個(gè)對(duì)接口，可同時(shí)接納載人飛船和貨運(yùn)飛船。Kurs系統(tǒng)一直延續(xù)使用至今，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，從距離幾十千米的自主段起始點(diǎn)開(kāi)始，到對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸的全程均由該系統(tǒng)完成相對(duì)位置和姿態(tài)的測(cè)量。

1986年2月20日，前蘇聯(lián)發(fā)射了和平號(hào)空間站服務(wù)艙，共配置了6個(gè)對(duì)接口。在其后的空間站組裝建造過(guò)程中，交會(huì)對(duì)接仍然在水平軸向進(jìn)行，對(duì)接后通過(guò)機(jī)械臂將空間站艙段或飛船移動(dòng)到側(cè)向?qū)涌?。飛船與和平號(hào)的交會(huì)對(duì)接仍然有人控和自控兩種方式，對(duì)于無(wú)人的進(jìn)步號(hào)飛船，人控由和平號(hào)上的航天員或地面控制人員進(jìn)行操作。聯(lián)盟-TM載人飛船和進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船為和平號(hào)空間站成功提供了連續(xù)15年的運(yùn)輸補(bǔ)給服務(wù)。

2.4 歐洲和日本交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展

歐洲的交會(huì)對(duì)接技術(shù)研發(fā)開(kāi)始于上世紀(jì)80年代，為了實(shí)現(xiàn)擬議中的Hermes航天飛機(jī)與國(guó)際空間站對(duì)接，歐空局開(kāi)展了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的研究。Hermes航天飛機(jī)項(xiàng)目取消后，歐空局開(kāi)始為國(guó)際空間站研制用于后勤補(bǔ)給的自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器ATV，自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)的研發(fā)也自然過(guò)渡到為ATV與國(guó)際空間站的對(duì)接服務(wù)。

ATV采用從俄羅斯引進(jìn)的用于進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的對(duì)接機(jī)構(gòu)。ATV的GNC系統(tǒng)包括三個(gè)IMU組件，兩臺(tái)用來(lái)進(jìn)行絕對(duì)和相對(duì)導(dǎo)航的GPS接收機(jī)，一個(gè)用來(lái)測(cè)量相對(duì)位置和姿態(tài)信息的交會(huì)敏感器RVS。在遠(yuǎn)程交會(huì)機(jī)動(dòng)階段（距對(duì)接口200m之前），主要采用差分GPS數(shù)據(jù)完成導(dǎo)航控制，在近距離接近段（距對(duì)接口200m以內(nèi)），由于遮擋和多徑效應(yīng)的影響不能采用GPS，相對(duì)測(cè)量手段切換到交會(huì)敏感器RVS。交會(huì)敏感器固定在ATV前端，主動(dòng)發(fā)出905 μ㎜波長(zhǎng)的激光，激光被固定在目標(biāo)飛行器上的六個(gè)反射器反射。在200m范圍內(nèi)，交會(huì)敏感器利用接收到的反射激光信號(hào)可以得到距離、距離變化率和方位信息，在最后40m得到相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)姿態(tài)變化率信息。在應(yīng)用于ATV交會(huì)對(duì)接前，相對(duì)GPS和交會(huì)敏感器RVS在1996年和1997年三次在航天飛機(jī)上進(jìn)行了飛行搭載測(cè)試。ATV最終于2008年4月發(fā)射，并成功與國(guó)際空間站對(duì)接，首次飛行的ATV被命名為凡爾納飛船。

日本在1997年進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)技術(shù)衛(wèi)星7號(hào)（ETS-VII）在軌近距離交會(huì)對(duì)接演示驗(yàn)證。目標(biāo)和追蹤飛行器一起發(fā)射入軌，在軌分離并相距一定距離后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。該演示驗(yàn)證飛行的主要任務(wù)有三項(xiàng)：①自動(dòng)空間交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)；②空間機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)；③通過(guò)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星對(duì)多星測(cè)控。試驗(yàn)驗(yàn)證了從相對(duì)接近階段到對(duì)接階段的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)都是可行的[8]。

HTV是日本研制的向國(guó)際空間站運(yùn)輸貨物的不載人飛船，于2009年9月進(jìn)行了首飛并成功與國(guó)際空間站對(duì)接。在經(jīng)過(guò)交會(huì)飛行到達(dá)國(guó)際空間站后，HTV停泊在距空間站幾米的位置，由國(guó)際空間站的機(jī)械臂捕獲后與日本實(shí)驗(yàn)艙完成對(duì)接，這也是國(guó)際空間站第一次采用這種方式與來(lái)訪航天器對(duì)接。HTV在遠(yuǎn)距離時(shí)采用相對(duì)GPS導(dǎo)航，近距離時(shí)采用交會(huì)敏感器RVS導(dǎo)航。

3 交會(huì)對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)國(guó)外交會(huì)對(duì)接的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)現(xiàn)有的航天技術(shù)儲(chǔ)備，我國(guó)的交會(huì)對(duì)接技術(shù)研發(fā)中需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.1 總體技術(shù)[10]

交會(huì)對(duì)接任務(wù)總體技術(shù)涉及工程的各個(gè)方面，包括運(yùn)載火箭、目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器方案，及其發(fā)射入軌、變軌調(diào)相、交會(huì)對(duì)接軌道設(shè)計(jì)、測(cè)控網(wǎng)布局和飛行控制、故障對(duì)策等。在空間站運(yùn)行階段，還涉及與空間站人員輪換和物資補(bǔ)給密切相關(guān)的任務(wù)規(guī)劃。

各國(guó)交會(huì)對(duì)接飛行階段均劃分為遠(yuǎn)距離和近距離導(dǎo)引兩個(gè)階段，前者的飛行控制由地面飛行控制中心根據(jù)飛行控制方案及測(cè)定軌和軌道預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)施，后者則由飛船自動(dòng)控制，或由飛船或目標(biāo)飛行器上的航天員人工控制實(shí)施。美國(guó)和俄羅斯上世紀(jì)六、七十年代進(jìn)行交會(huì)對(duì)接時(shí)，主要以地面站為主進(jìn)行測(cè)控，并采用數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星作為輔助手段，而歐洲和日本進(jìn)行首次交會(huì)對(duì)接時(shí)均采用測(cè)控覆蓋率和精度更高的GPS加數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的天基測(cè)控網(wǎng)進(jìn)行測(cè)控。

在近距離接近段，美國(guó)和前蘇聯(lián)分別采用了人控為主和自控為主的方案。人控具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是僅適用于載人航天器（當(dāng)然，現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展也使得人控能夠通過(guò)遙操作實(shí)現(xiàn)），自控系統(tǒng)可以適用載人和不載人航天器，可以規(guī)避人員操作失誤的風(fēng)險(xiǎn)，但系統(tǒng)更復(fù)雜。為提高可靠性，聯(lián)盟和進(jìn)步系列飛船均采用了自控為主、手控備份的交會(huì)控制系統(tǒng)，并且備份系統(tǒng)在數(shù)次飛行任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。從任務(wù)需求和可靠性考慮，同時(shí)具備人控和自控交會(huì)對(duì)接功能是最有利的。

對(duì)接過(guò)程有兩種實(shí)現(xiàn)途徑。一種是對(duì)接機(jī)構(gòu)，典型的如“錐-桿”和“周邊”式對(duì)接機(jī)構(gòu)，這類(lèi)機(jī)構(gòu)均由主、被動(dòng)兩部分組成，作為被動(dòng)的一端安裝在目標(biāo)飛行器上，而主動(dòng)的一端則安裝在追蹤飛行器上，兩飛行器進(jìn)入對(duì)接走廊后利用其相對(duì)接近速度實(shí)現(xiàn)捕獲，然后由對(duì)接機(jī)構(gòu)完成鎖緊等操作。另一種是利用機(jī)械臂完成捕獲并送到指定對(duì)接口完成對(duì)接鎖定操作。

3.2 自主相對(duì)測(cè)量技術(shù)[11]

相對(duì)測(cè)量敏感器要求精度高、作用距離和視場(chǎng)范圍大，在一定程度上決定了交會(huì)對(duì)接自主程度和技術(shù)水平。

交會(huì)對(duì)接相對(duì)測(cè)量敏感器通常分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)敏感器兩類(lèi)。遠(yuǎn)場(chǎng)敏感器一般作用距離為幾十或上百公里到百米量級(jí)，用于交會(huì)對(duì)接尋的段和接近段。近場(chǎng)敏感器一般作用距離為幾百米到對(duì)接，用于交會(huì)對(duì)接的近距離接近段和平移靠攏段。遠(yuǎn)場(chǎng)敏感器通常只要求測(cè)量目標(biāo)飛行器相對(duì)追蹤飛行器的位置和速度，而近場(chǎng)敏感器還要求測(cè)量二者的相對(duì)姿態(tài)。

美國(guó)航天飛機(jī)和俄羅斯聯(lián)盟飛船的相對(duì)測(cè)量技術(shù)是上世紀(jì)七、八十年代形成的。航天飛機(jī)采用了交會(huì)雷達(dá)、乘員光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡COAS和軌跡控制敏感器TCS相結(jié)合的方案。聯(lián)盟飛船則采用了Kurs微波雷達(dá)系統(tǒng)，技術(shù)較為成熟。歐洲ATV和日本HTV采用了相對(duì)GPS和交會(huì)敏感器RVS相結(jié)合的方案，具有測(cè)量精度高、設(shè)備種類(lèi)少、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

交會(huì)對(duì)接測(cè)量設(shè)備是交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功的關(guān)鍵，在每個(gè)飛行階段都應(yīng)有冗余備份，并且能適應(yīng)空間環(huán)境的要求。

3.3 制導(dǎo)導(dǎo)航和控制技術(shù)

追蹤飛行器制導(dǎo)導(dǎo)航控制技術(shù)除相對(duì)運(yùn)動(dòng)測(cè)量敏感器、由多種發(fā)動(dòng)機(jī)組合構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵設(shè)備外，另一關(guān)鍵問(wèn)題是在綜合考慮燃料、效能和安全性的條件下設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠、容差容錯(cuò)能力強(qiáng)、自主功能強(qiáng)、優(yōu)化高效的控制方法。

自主與人工控制是載人航天交會(huì)對(duì)接控制中均應(yīng)具有的手段。正常情況下，使用自動(dòng)交會(huì)控制方式具有更加精確的優(yōu)點(diǎn)，尤其當(dāng)技術(shù)經(jīng)過(guò)充分試驗(yàn)驗(yàn)證趨于成熟后。另外，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，追蹤飛行器自主交會(huì)飛行也只有自動(dòng)控制手段才是可行的。但是，自動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，保證設(shè)備可靠工作難度更大。人工控制系統(tǒng)相對(duì)而言要簡(jiǎn)單得多，設(shè)計(jì)航天員人工控制作為第二種控制手段[3]從而使近距離交會(huì)控制具有系統(tǒng)冗余是十分必要的。一方面，自動(dòng)系統(tǒng)不需要航天員的操作，正常情況下可以避免交會(huì)對(duì)接給航天員帶來(lái)過(guò)重操作負(fù)擔(dān)。另一方面，故障情況下，航天員可以從監(jiān)視狀態(tài)迅速介入交會(huì)操作，從而提高任務(wù)的成功率，降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)[12]

對(duì)接機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器捕獲和剛性密封連接的主要技術(shù)途徑之一，與依靠機(jī)械臂完成捕獲和密封連接相比，前者更為簡(jiǎn)單。對(duì)接機(jī)構(gòu)是一套十分復(fù)雜、精細(xì)的機(jī)電設(shè)備，具有捕獲、鎖緊、密封、分離功能。對(duì)接完成并開(kāi)啟艙門(mén)后，形成追蹤和目標(biāo)飛行器間供人員和貨物通行的通道。此外，對(duì)接機(jī)構(gòu)上還配置了氣、液、電對(duì)接接口，能夠?yàn)槟繕?biāo)飛行器補(bǔ)給推進(jìn)劑和氣體，并實(shí)現(xiàn)供電和信息并網(wǎng)。

3.5 地面測(cè)量與控制技術(shù)[13]

交會(huì)對(duì)接飛行中，地面要同時(shí)對(duì)兩個(gè)飛行器進(jìn)行測(cè)控，并在兩到三天內(nèi)完成對(duì)追蹤飛行器的4～5次精確軌道控制和預(yù)報(bào)。由于每次機(jī)動(dòng)前的測(cè)控弧段相對(duì)更短，精度和實(shí)時(shí)性要求更高，這些都對(duì)地面測(cè)控提出了更高要求。

交會(huì)對(duì)接還要求地面飛控中心對(duì)交會(huì)對(duì)接的關(guān)鍵事件進(jìn)行監(jiān)視。進(jìn)入尋的段后，追蹤飛行器轉(zhuǎn)入自主控制，地面要對(duì)交會(huì)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)視，并在必要時(shí)進(jìn)行干預(yù)。

完全依靠陸?；鶞y(cè)控網(wǎng)難以全面滿足覆蓋率和可靠性要求，利用中繼衛(wèi)星的高覆蓋能力較好地解決了這一問(wèn)題。

3.6 交會(huì)對(duì)接仿真試驗(yàn)技術(shù)[6]

航天器飛行試驗(yàn)成本巨大，研發(fā)過(guò)程主要依靠地面試驗(yàn)?zāi)M飛行環(huán)境和狀態(tài)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。仿真試驗(yàn)是一種十分有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試方法，在交會(huì)對(duì)接研制中被廣泛運(yùn)用。

美國(guó)和俄羅斯在發(fā)展交會(huì)對(duì)接技術(shù)中，均十分重視仿真技術(shù)的應(yīng)用。例如，在航天飛機(jī)與和平號(hào)空間站的交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，在地面對(duì)航天員進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)500h以上的地面仿真操作培訓(xùn)。歐洲建立了歐洲逼近操作仿真器EPOS，日本建立了交會(huì)對(duì)接操作測(cè)試系統(tǒng)RDOTS。這些仿真系統(tǒng)都為交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。

4 我國(guó)實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)對(duì)接面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)策略

與單一的航天器研發(fā)和飛行任務(wù)相比較，交會(huì)對(duì)接任務(wù)要研制追蹤和目標(biāo)兩種任務(wù)不同但又密切相關(guān)的飛行器，并控制其在軌道上完成交會(huì)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)航天員對(duì)目標(biāo)飛行器的訪問(wèn)。這是我國(guó)載人航天工程繼突破載人飛船天地往返技術(shù)和航天員空間出艙技術(shù)后，面臨的又一重大挑戰(zhàn)。

我國(guó)載人航天工程交會(huì)對(duì)接任務(wù)包括工程八大系統(tǒng)：航天員系統(tǒng)、空間應(yīng)用系統(tǒng)、載人飛船系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控通信系統(tǒng)、著陸場(chǎng)系統(tǒng)和空間實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。交會(huì)對(duì)接任務(wù)的完成，需要八大系統(tǒng)密切配合和協(xié)同，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器在空間的交會(huì)對(duì)接，對(duì)各大系統(tǒng)都提出了更高要求。例如，運(yùn)載火箭要滿足升交點(diǎn)赤徑、軌道傾角、軌道高度和周期等嚴(yán)苛的入軌精度要求；載人飛船和目標(biāo)飛行器要具有適應(yīng)空間嚴(yán)酷環(huán)境的高精度相對(duì)測(cè)量能力以及自動(dòng)和人控交會(huì)對(duì)接能力；發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)要確?！傲愦翱凇卑l(fā)射；測(cè)控通信系統(tǒng)要具備對(duì)兩個(gè)航天器同時(shí)測(cè)控的能力并完成遠(yuǎn)距離階段的交會(huì)導(dǎo)引等等。這些要求均超出了載人航天工程第一步任務(wù)對(duì)各系統(tǒng)的技術(shù)要求。

4.1 工程總體方案

我國(guó)載人航天交會(huì)對(duì)接任務(wù)總體方案是：以工程第一步任務(wù)研發(fā)的神舟飛船為基礎(chǔ)，增加交會(huì)對(duì)接功能作為追蹤飛行器，并進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，提高可靠性；以神舟飛船技術(shù)為基礎(chǔ)，新研8噸級(jí)目標(biāo)飛行器；以工程第一步任務(wù)研發(fā)的CZ-2F運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)，采取措施進(jìn)一步提高入軌精度并適當(dāng)提高運(yùn)載能力，用于發(fā)射飛船和目標(biāo)飛行器；采用由地面測(cè)控站、海上測(cè)控船和中繼衛(wèi)星組成的陸海天基測(cè)控網(wǎng)完成飛行器全程測(cè)控通信任務(wù)和飛船交會(huì)飛行的遠(yuǎn)距離導(dǎo)引控制任務(wù)；采用飛船船載雷達(dá)和光學(xué)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行相對(duì)位置和姿態(tài)測(cè)量，由飛船自動(dòng)或航天員人控完成近距離交會(huì)飛行控制；采用導(dǎo)向器內(nèi)翻的周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成兩飛行器的捕獲、鎖緊。

載人飛行器按“一度故障工作，二度故障安全”進(jìn)行設(shè)計(jì)，交會(huì)對(duì)接過(guò)程中飛船具備自主故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)功能，故障情況下具有避撞功能。研發(fā)交會(huì)對(duì)接訓(xùn)練仿真器等交會(huì)對(duì)接任務(wù)航天員訓(xùn)練設(shè)施設(shè)備，強(qiáng)化航天員人工控制交會(huì)對(duì)接訓(xùn)練。

我國(guó)空間交會(huì)對(duì)接的主要飛行過(guò)程是：首先，發(fā)射天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器，并在交會(huì)對(duì)接前將其調(diào)整到滿足相位、軌道高度等要求的對(duì)接軌道；然后，發(fā)射神舟飛船作為追蹤飛行器，通過(guò)地面遠(yuǎn)距離導(dǎo)引控制和近距離自主飛行，使飛船與目標(biāo)飛行器在空間實(shí)現(xiàn)軌道交會(huì)，并通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)使二者形成剛性密封連接的飛行組合體；載人飛行時(shí)，航天員打開(kāi)艙門(mén)，進(jìn)入目標(biāo)飛行器，完成兩飛行器之間的貨物轉(zhuǎn)移和交換、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等在軌駐留任務(wù)；最后，飛船與目標(biāo)飛行器分離并離軌返回著陸場(chǎng)，目標(biāo)飛行器繼續(xù)在軌運(yùn)行并等待下一次對(duì)接。

4.2 航天器和運(yùn)載火箭

4.2.1 載人飛船

我國(guó)載人航天第一步任務(wù)研制的神舟飛船具備三人七天自主飛行能力，能夠較好滿足天地往返和空間出艙活動(dòng)需求。在交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，神舟飛船除要增加交會(huì)對(duì)接功能外，還要具備在目標(biāo)飛行器上停靠數(shù)月的能力以適應(yīng)未來(lái)空間站任務(wù)的要求。為了實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，研發(fā)了基于無(wú)線電和光學(xué)的高精度相對(duì)測(cè)量設(shè)備、導(dǎo)向器內(nèi)翻式對(duì)接機(jī)構(gòu)、平移發(fā)動(dòng)機(jī)組以及相應(yīng)的交會(huì)對(duì)接自主測(cè)量、自主和人工控制技術(shù)，并利用新技術(shù)對(duì)電源等分系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)完善，提高了性能、可靠性和在軌工作壽命。

具備交會(huì)對(duì)接功能、并進(jìn)一步提高了性能、可靠性和安全性的神舟飛船，未來(lái)將服務(wù)于我國(guó)空間站。

4.2.2 目標(biāo)飛行器

為了完成交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)，研制了天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器，它的主要任務(wù)，一是作為交會(huì)對(duì)接的目標(biāo)飛行器，與神舟飛船一起共同完成空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)，實(shí)現(xiàn)兩飛行器在軌的剛性密封連接，控制和管理兩飛行器構(gòu)成的組合體的在軌運(yùn)行；載人飛行任務(wù)中，實(shí)現(xiàn)航天員中短期在軌駐留；組合體運(yùn)行任務(wù)完成后，支持飛船安全撤離返回。二是試驗(yàn)和驗(yàn)證空間站工程的部分關(guān)鍵技術(shù)。

在8噸級(jí)飛船技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)目標(biāo)飛行器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)而不是如美、俄那樣在交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)階段主要以飛船作為交會(huì)對(duì)接目標(biāo)，主要是考慮到：首先，一個(gè)目標(biāo)飛行器可以支持多次交會(huì)對(duì)接而且其單發(fā)產(chǎn)品成本與飛船相當(dāng)，也就是說(shuō)，在目標(biāo)飛行器壽命期內(nèi)，進(jìn)行N次交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)僅需N+1次發(fā)射，而利用飛船作為目標(biāo)飛行器則需要2N次發(fā)射，因此可以降低飛行試驗(yàn)消耗；其次，可以增加航天員中短期駐留、在軌維修和空間科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)等項(xiàng)目，驗(yàn)證部分空間站關(guān)鍵技術(shù)。因此，以目標(biāo)飛行器為對(duì)接目標(biāo)可以顯著提高飛行試驗(yàn)效益，降低成本。麻雀雖小、五臟俱全，具備以上功能的目標(biāo)飛行器已經(jīng)具備空間實(shí)驗(yàn)室的功能，以及空間站的主要功能（性能上還是有重大差別）。

目標(biāo)飛行器將可直接用作空間實(shí)驗(yàn)室，完成進(jìn)一步的空間站技術(shù)驗(yàn)證。

4.2.3 運(yùn)載火箭

運(yùn)載火箭的主要改進(jìn)是提高入軌精度，以保證升交點(diǎn)赤徑、軌道傾角和周期、近地點(diǎn)高度、入軌時(shí)間等軌道根數(shù)滿足飛船系統(tǒng)要求。提高入軌精度可降低飛船交會(huì)對(duì)接過(guò)程中修正軌道偏差的推進(jìn)劑消耗。為此，運(yùn)載火箭需要提高慣性測(cè)量系統(tǒng)和制導(dǎo)導(dǎo)航控制算法的精度。運(yùn)載火箭助推器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加了推進(jìn)劑的加注量，提高了運(yùn)載能力。

此外，交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)期間相對(duì)較高的發(fā)射密度對(duì)運(yùn)載火箭和航天器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試能力亦提出了更高的要求。

4.3 航天員

載人航天交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，需要航天員進(jìn)行大量狀態(tài)監(jiān)視和關(guān)鍵指令操作，在故障情況下還需要航天員人控操作完成交會(huì)對(duì)接。對(duì)接完成后，航天員要打開(kāi)艙門(mén)，進(jìn)入目標(biāo)飛行器，完成駐留任務(wù)，其間將進(jìn)行有效載荷實(shí)驗(yàn)，艙內(nèi)維修試驗(yàn)，航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)等。這些項(xiàng)目是未來(lái)空間站階段實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期載人飛行、充分發(fā)揮人的作用的重要基礎(chǔ)。交會(huì)對(duì)接人工控制是載人航天交會(huì)對(duì)接控制技術(shù)的兩大主流方向之一，在地面建立高可信人工控制試驗(yàn)和訓(xùn)練設(shè)施并對(duì)航天員進(jìn)行充分訓(xùn)練是保證任務(wù)成功、降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的重要措施。交會(huì)對(duì)接還對(duì)航天員處理緊急情況下的操作和判斷能力提出了更高要求。

確保航天員完成交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)的關(guān)鍵是進(jìn)行充分的地面訓(xùn)練。一是科學(xué)的訓(xùn)練方案和方法，二是良好的訓(xùn)練環(huán)境和條件。為此，在改進(jìn)完善已有訓(xùn)練設(shè)施的基礎(chǔ)上，研制了交會(huì)對(duì)接航天員訓(xùn)練仿真器、組合體訓(xùn)練仿真器等大型訓(xùn)練設(shè)施設(shè)備。

4.4 測(cè)量與控制

為滿足載人航天交會(huì)對(duì)接任務(wù)對(duì)測(cè)控提出的高精度、高覆蓋率和高實(shí)時(shí)性要求，在載人航天工程第一步任務(wù)期間建立的統(tǒng)一S波段陸?；鶞y(cè)控通信網(wǎng)基礎(chǔ)上，利用我國(guó)新建立、并在神舟七號(hào)首次試應(yīng)用成功的天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，構(gòu)成保障我國(guó)交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)任務(wù)的陸海天基測(cè)控網(wǎng)。包括一顆中繼衛(wèi)星在內(nèi)的陸海天基測(cè)控網(wǎng)對(duì)飛船和目標(biāo)飛行器的測(cè)控覆蓋率約為50%，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有關(guān)鍵飛控事件和飛行弧段的覆蓋，大多數(shù)情況下，天基和陸?；鶞y(cè)控通信網(wǎng)對(duì)關(guān)鍵飛控事件可互為備份，較好地解決了陸?；鶞y(cè)控通信網(wǎng)測(cè)控覆蓋率低的問(wèn)題，提高了測(cè)定軌和軌道預(yù)報(bào)的精度和飛行控制的可靠性，增強(qiáng)了故障情況下地面飛行控制人員對(duì)飛行器的干預(yù)能力和干預(yù)的實(shí)時(shí)性，提高了任務(wù)中航天員的安全性。

4.5 試驗(yàn)與仿真

依靠充分的地面試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性是交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)前必須完成的重要研制程序，試驗(yàn)和仿真中要求盡量模擬飛行環(huán)境條件、邊界條件和極限條件，保證試驗(yàn)和仿真方法的正確性。

在載人航天交會(huì)對(duì)接任務(wù)研制過(guò)程中，僅在交會(huì)和對(duì)接動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)和人工控制方面就研制了9自由度半實(shí)物控制仿真系統(tǒng)、6自由度對(duì)接動(dòng)力學(xué)半實(shí)物仿真系統(tǒng)等一大批可以模擬空間環(huán)境和運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)設(shè)備。

我們還提出了工程大系統(tǒng)仿真的概念并構(gòu)建了實(shí)用的仿真系統(tǒng)，其目的是按交會(huì)對(duì)接任務(wù)飛行時(shí)序關(guān)系，用仿真系統(tǒng)將工程各大系統(tǒng)聯(lián)系在一起，飛行控制人員作為仿真系統(tǒng)的有機(jī)構(gòu)成部分直接參與其中，對(duì)正常和故障飛行狀態(tài)進(jìn)行全面仿真試驗(yàn)，綜合檢驗(yàn)各大系統(tǒng)飛行程序的正確性、正常和故障情況下飛控策略的實(shí)施能力以及各系統(tǒng)間接口的協(xié)調(diào)性。

5 展望

交會(huì)對(duì)接技術(shù)是建設(shè)我國(guó)載人空間站、確保載人航天工程可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)基石之一。交會(huì)對(duì)接技術(shù)涉及系統(tǒng)眾多、技術(shù)復(fù)雜，要求載人航天工程各系統(tǒng)在若干技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和突破。同時(shí)，交會(huì)對(duì)接技術(shù)的突破也將帶動(dòng)我國(guó)航天技術(shù)的整體進(jìn)步，增強(qiáng)中國(guó)航天的整體實(shí)力。

目前，我國(guó)載人航天交會(huì)對(duì)接任務(wù)正按計(jì)劃進(jìn)行準(zhǔn)備工作。已經(jīng)完成了方案和初樣階段的研制工作，正在進(jìn)行飛行產(chǎn)品的試驗(yàn)和測(cè)試，發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控通信和著陸場(chǎng)系統(tǒng)即將完成設(shè)備的改造和研制。按計(jì)劃將于2011年下半年發(fā)射天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)飛船，實(shí)施我國(guó)首次無(wú)人空間交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)。之后，還將在2012年陸續(xù)發(fā)射神舟九號(hào)和十號(hào)飛船，實(shí)施載人或無(wú)人空間交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)。通過(guò)三次交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)，我們將全面驗(yàn)證自動(dòng)和人控交會(huì)對(duì)接技術(shù)，考核神舟載人飛船、天宮目標(biāo)飛行器和CZ-2F運(yùn)載火箭等工程八大系統(tǒng)的功能和性能，驗(yàn)證工程總體方案和各系統(tǒng)方案的正確性和系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性，突破和基本掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)。此后，我們還將在空間實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)一步驗(yàn)證和完善交會(huì)對(duì)接技術(shù)。

2010年9月，中央批準(zhǔn)實(shí)施載人空間站工程，這是我國(guó)載人航天發(fā)展的又一重大機(jī)遇和里程碑，交會(huì)對(duì)接技術(shù)也將由此進(jìn)入實(shí)用階段。我們將腳踏實(shí)地，刻苦攻關(guān)，突破和全面掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)，為我國(guó)空間站工程的順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。 ◇

［1］Zimpfer D，Kachmar P，Tuohy S.Autonomous Rendezvous，Capture and In-Space Assembly:Past，Present and Future.AIAA 2005-2523

［2］ Goodman J L，Brazzel J P，Chart D A.Challenges of Orion Rendezvous Development.AIAA 2007-6682

［3］ GellerD K.A BriefStudyofGround Controlled Orbital Rendezvous:When is Autonomy Required?AIAA 2006-6298

［4］Machula M，Sandhoo G S.Rendezvous and Docking for Space Exploration.AIAA 2005-2716

［5］Fehse，W..Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft［M］.London:Cambridge University Press，2003

［6］Evans J.，Pinon III E..The History and Future of Space Simulations［A］.AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit，16-19 August 2004，Providence，Rhode Island，AIAA 2004-5151

［7］Goodman J.L..History of Space Shuttle Rendezvous and Proximity Operations ［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，2006，43（5）:944-959

［8］ Kawano I..et.al.Automated Rendezvous Docking System of Engineering Test Satellite VII.Advances in the Astronautical Sciences，1997，96

［9］Parten R.P.，Mayer J.P..Development of the Gemini Operational Rendezvous Plan ［J］.Journal of Spacecraft and Rockets，1968，5（9）:1023-1026

［10］唐國(guó)金，羅亞中，張進(jìn).空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)規(guī)劃［M］.北京：科學(xué)出版社，2008

［11］林來(lái)興.四十年空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展.航天器工程，2007，16（4）:70-77

［12］王志勇.交會(huì)對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.國(guó)防科技大學(xué)，2000

［13］于志堅(jiān).交會(huì)對(duì)接地面測(cè)量控制系統(tǒng)研究［D］.國(guó)防科技大學(xué)，2004

［14］王華.交會(huì)對(duì)接的控制與軌跡安全［D］.國(guó)防科技大學(xué)，2007

［15］王旭東，潘科炎，李新峰.當(dāng)前航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制的幾個(gè)問(wèn)題［J］.航天控制，1999，（2）:1-5，11