蘇聯(lián)/俄羅斯的空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)

□ 邊廣龍

目前，在世界空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的是俄羅斯和美國。蘇聯(lián)/俄羅斯是世界上進(jìn)行航天器空間交會(huì)對(duì)接最多的國家，其對(duì)接形式也多種多樣，有無人飛船與無人飛船的對(duì)接，有載人飛船、 無人飛船與空間站的對(duì)接，以及空間站模塊艙間的交會(huì)對(duì)接和組裝等。蘇聯(lián)/俄羅斯在航天器的空間交會(huì)對(duì)接中積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，也有不少失敗的教訓(xùn)，很值得借鑒。

首次自動(dòng)對(duì)接

1967年10月30日，蘇聯(lián)先后發(fā)射了兩艘不載人的“聯(lián)盟”號(hào)飛船——“宇宙”186、188，成功進(jìn)行了世界上第一次無人航天器自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。其中宇宙186為追蹤航天器，“宇宙”188為目標(biāo)航天器。它們采用“針”模擬測量系統(tǒng)和無通道的“桿-錐”對(duì)接機(jī)構(gòu)。

1967年10月27日，具有空間機(jī)動(dòng)能力的宇宙-186率先上天，“宇宙”188于10月30日被直接發(fā)射到距“宇宙”186相差24千米的軌道上。此后，先通過地面站的導(dǎo)引指令，“宇宙”186利用主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行交會(huì)機(jī)動(dòng)，并用姿態(tài)控制推力器進(jìn)行軌道調(diào)整，“宇宙”188也同時(shí)用姿態(tài)控制推力器保持與“宇宙”186的相對(duì)指向，這一過程歷時(shí)30分鐘。接著，2艘飛船啟動(dòng)“針”模擬測量系統(tǒng)，用雷達(dá)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測量彼此之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度、相對(duì)角速度、相對(duì)方位角，并逐漸接近，當(dāng)相對(duì)距離為350米、接近速度降到每秒2米時(shí)，進(jìn)入最終逼近階段。在最終逼近階段，“宇宙”188利用姿態(tài)控制推力器保持與“宇宙”186同軸，“宇宙”186伸出可伸縮的對(duì)接探桿，插到“宇宙”188的接納錐中。伸縮桿的頭部與接納錐一接觸，開始對(duì)接合攏。在對(duì)接合攏階段，作為追蹤航天器的“宇宙”186縮回探桿，將2艘飛船拉緊，對(duì)接面上的鎖把2個(gè)對(duì)接面鎖定，對(duì)接環(huán)上的掛鉤使2艘飛船保持20萬千克的接觸壓力，完成對(duì)接，實(shí)現(xiàn)氣密耦合。然后2艘飛船完成電聯(lián)接，進(jìn)行通信。至此，完成交會(huì)對(duì)接的全過程。它們對(duì)接了3.5小時(shí)后開始分離操作：先是脫開探桿與對(duì)接環(huán)的掛鉤，然后對(duì)接環(huán)上的彈簧把2艘飛船彈開。“宇宙”186、188先后于1967年10月31日、11月2日著陸。

至今，蘇聯(lián)/俄羅斯的“聯(lián)盟”系列載人飛船和“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船已成功進(jìn)行了上百次的自動(dòng)對(duì)接，它表明，其自動(dòng)對(duì)接技術(shù)是可靠和先進(jìn)的。

首次手動(dòng)對(duì)接

在載人手動(dòng)對(duì)接技術(shù)方面，美國率先于1966年3月完成了世界上第1次載人手動(dòng)交會(huì)對(duì)接，此后一直保持領(lǐng)先。不過，蘇聯(lián)／俄羅斯也比較重視這一技術(shù)，目的是在自動(dòng)對(duì)接失敗時(shí)采用手動(dòng)對(duì)接來完成任務(wù)。

1969年1月16日，“聯(lián)盟”4、5載人飛船成功進(jìn)行了蘇聯(lián)載人航天器的首次空間交會(huì)對(duì)接。它們?nèi)圆捎谩搬槨蹦M測量系統(tǒng)和無通道的“桿-錐”對(duì)接機(jī)構(gòu)。

1969年1月14日，載1人的“聯(lián)盟”4飛船升空，載3人的“聯(lián)盟”5飛船于1月15發(fā)射，后者飛行5圈后接近聯(lián)盟4。1月16日，通過地面導(dǎo)引使這2艘飛船在軌道上交會(huì)。當(dāng)它們相距幾十千米時(shí)，啟動(dòng)“針”模擬測量系統(tǒng)的交會(huì)雷達(dá)來測量相對(duì)距離和速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋的，從而彼此接近并調(diào)整姿態(tài)。當(dāng)“聯(lián)盟”4、5相距100米以內(nèi)時(shí)進(jìn)入最終逼近階段，作為目標(biāo)航天器的“聯(lián)盟”5通過姿態(tài)敏感器和陀螺測量其姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制，作為追蹤航天器的“聯(lián)盟”4飛船上的航天員沙塔洛夫借助電視攝像機(jī)和光學(xué)瞄準(zhǔn)器通過手動(dòng)控制完成與“聯(lián)盟”5飛船的對(duì)接合攏。對(duì)接后，沙塔洛夫先用手動(dòng)方式為“聯(lián)盟”4、5定向，使飛船太陽電池翼對(duì)太陽定向，然后2艘飛船上的航天員檢查對(duì)接系統(tǒng)的通信線路，接著，航天員通過太空行走互相轉(zhuǎn)移到對(duì)方的飛船。最后，“聯(lián)盟”4、5分離。1969年1月17日，“聯(lián)盟”4載3人著陸，1月18日“聯(lián)盟”-5載1名航天員著陸。

“聯(lián)盟”4、5在軌對(duì)接后，航天員通過出艙轉(zhuǎn)移到對(duì)方飛船內(nèi)

“聯(lián)盟”系列飛船與空間站對(duì)接

“聯(lián)盟”TM17與“和平”號(hào)空間站交會(huì)

與空間站對(duì)接

1971 年4 月19 日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一座空間站——“禮炮”1。其上的對(duì)接機(jī)構(gòu)改為可移開的“桿-錐”式對(duì)接機(jī)構(gòu)，即通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把堵塞在通道內(nèi)的錐形體等裝置自動(dòng)移放在通道旁側(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接后的密封連接并形成航天員來往通道。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，先后用于蘇聯(lián)/俄羅斯各類飛船與各類空間站的對(duì)接。不過，從1986年蘇聯(lián)/俄羅斯發(fā)射“聯(lián)盟”TM載人飛船和“進(jìn)步”M貨運(yùn)飛船與“和平”號(hào)空間站交會(huì)對(duì)接起，開始用較先進(jìn)的“航向”數(shù)字測量系統(tǒng)取代了“針”模擬測量系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，從距離幾十千米的自主段起始點(diǎn)開始，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)的測量。因早期的進(jìn)步號(hào)系列貨運(yùn)飛船使用“針”模擬測量系統(tǒng)，所以“和平”號(hào)上同時(shí)安裝了“航向”和“針”測量系統(tǒng)?！昂较颉睌?shù)字測量系統(tǒng)一直沿用至今。

1986 年2 月20 日，蘇聯(lián)發(fā)射了“和平”號(hào)空間站核心艙，共配置了6個(gè)對(duì)接口。在其后的空間站組裝建造過程中共對(duì)接了5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，交會(huì)對(duì)接仍然在水平軸向進(jìn)行，對(duì)接后通過機(jī)械臂將空間站艙段或飛船移動(dòng)到側(cè)向?qū)涌凇ｏw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飛船在與“和平”號(hào)空間站對(duì)接時(shí)，“航向”系統(tǒng)在距空間站400千米處開始工作，空間站自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)使其大體朝著視線方向，飛船上的雷達(dá)從200千米開始導(dǎo)引飛船自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)空間站；到80千米處時(shí)，“航向”系統(tǒng)的信息僅指示狀態(tài)；從距空間站37千米開始，這一系統(tǒng)引入精確制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制計(jì)算機(jī)。

測量系統(tǒng)

蘇聯(lián)/俄羅斯先后發(fā)展了2代用于空間交會(huì)的測量系統(tǒng)。早期使用“針”模擬測量系統(tǒng)。它采用視線運(yùn)動(dòng)平行控制，主要用交會(huì)雷達(dá)測量相對(duì)距離和速度；測量系統(tǒng)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

1986年，蘇聯(lián)/俄羅斯用“航向”數(shù)字測量系統(tǒng)取代了“針”模擬測量系統(tǒng)，使作用距離增大，并允許飛船從任意方向與空間站對(duì)接?！昂较颉毕到y(tǒng)的主要改進(jìn)是增加了數(shù)字計(jì)算機(jī)，航天員也可借助顯示器和鍵盤進(jìn)行手動(dòng)控制。

俄羅斯曾研制了有人介入的“遠(yuǎn)程對(duì)接控制器”自動(dòng)交會(huì)測量系統(tǒng)，但在1997年4月“進(jìn)步”M33貨運(yùn)飛船與“和平”號(hào)空間站進(jìn)行交會(huì)對(duì)接時(shí)，“遠(yuǎn)程對(duì)接控制器”出現(xiàn)了故障；之后的“進(jìn)步”M34再次使用該系統(tǒng)時(shí)又發(fā)生了碰撞故障。所以，從“進(jìn)步”M35開始，又改用原來的“航向”系統(tǒng)，而沒有再用“遠(yuǎn)程對(duì)接控制器”系統(tǒng)。

“航向”屬于S頻段微波交會(huì)雷達(dá)測量系統(tǒng)，其距離測量采用載波調(diào)幅相位法，徑向速度測量采用連續(xù)波多普勒測速?！奥?lián)盟”TM飛船上裝有微波交會(huì)雷達(dá)系統(tǒng)，包括自動(dòng)導(dǎo)引頭、測距儀和徑向速度測量裝置；空間站上裝有信標(biāo)、應(yīng)答機(jī)和通信設(shè)備以及相應(yīng)的搜索、捕獲定向敏感器。

“航向”系統(tǒng)共有9部天線組成搜索捕獲和跟蹤測量系統(tǒng)，追蹤航天器上有5部，目標(biāo)航天器上有4部。其中6部天線用于搜索捕獲和初定向，余下的3部中有1部用于?？侩A段定向，另2部用于相互跟蹤、相對(duì)運(yùn)動(dòng)測量和?？侩A段定向。用于搜索的天線為螺盤天線，用于跟蹤的為拋物面天線。

1975年，蘇聯(lián)“聯(lián)盟”19飛船與美國“阿波羅”18交會(huì)對(duì)接

俄羅斯艙段對(duì)接到國際空間站上后對(duì)接機(jī)構(gòu)已經(jīng)沒有用處，又由于“桿-錐”式對(duì)接機(jī)構(gòu)占用艙門附近通道，所以需要拆除它們

“禮炮”1與“聯(lián)盟”11對(duì)接示意圖

對(duì)接機(jī)構(gòu)

蘇聯(lián)/俄羅斯航天器的對(duì)接機(jī)構(gòu)以實(shí)用、易操作、高可靠為根本，經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的幾個(gè)階段。

最初采用沒有密封通道的“桿-錐”式對(duì)接機(jī)構(gòu)航天員必須出艙才能進(jìn)入另1艘飛船。從1971年“聯(lián)盟”11飛船與“禮炮”1空間站對(duì)接起，蘇聯(lián)/俄羅斯采用了可移開的桿錐式對(duì)接機(jī)構(gòu)，增加了緩沖器系統(tǒng)。最具創(chuàng)新的改進(jìn)是，它把對(duì)接框上的所有對(duì)接元件（除密封圈外）都做成同樣的形式，這也是后來的異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)的雛形。它通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把堵塞在通道內(nèi)的錐形體等裝置自動(dòng)移放在通道旁側(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接后的密封連接并形成航天員來往的密封通道。

1975年，蘇聯(lián)“聯(lián)盟”19飛船與美國“阿波羅”18飛船進(jìn)行了空間交會(huì)對(duì)接。它們采用新研制的“異體同構(gòu)周邊”式對(duì)接機(jī)構(gòu)，使2個(gè)擬在太空對(duì)接的航天器既可作主動(dòng)方，也能作被動(dòng)方。另外的改進(jìn)是，對(duì)接機(jī)構(gòu)為周邊的，即所有定向和動(dòng)力部件都置于艙口的四周，以保證中央自然形成密封的來往通道。

蘇聯(lián)/俄羅斯“聯(lián)盟”系列載人飛船、“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船及其空間站艙段大多采用“桿-錐”式對(duì)接機(jī)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕；缺點(diǎn)是對(duì)接機(jī)構(gòu)全部安裝在航天器殼體內(nèi)部，對(duì)接后占據(jù)較大內(nèi)部空間，其承載能力也比較低。

對(duì)接故障

至今，蘇聯(lián)/俄羅斯已發(fā)射了上百艘宇宙飛船，發(fā)生了10多次故障。

l969年10月12日、l3日，蘇聯(lián)先后發(fā)射了“聯(lián)盟”7、8飛船。10月15日，“聯(lián)盟”8逼近“聯(lián)盟”7，兩者相距500米，由于飛船的姿態(tài)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，使它們進(jìn)行了多次機(jī)動(dòng)飛行也沒能實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

1971年4月23日，“聯(lián)盟”10飛船升空，4月25日實(shí)現(xiàn)與“禮炮”1空間站對(duì)接，但由于打不開空間站的艙門，使飛船上的航天員無法進(jìn)入空間站，結(jié)果“聯(lián)盟”10只能載著航天員與空間站分離返回地面。

1974年8月26日，“聯(lián)盟”15飛船升空，當(dāng)它與“禮炮”3空間站相距30～50米時(shí)，由于飛船制動(dòng)過快，所以無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接，又因“聯(lián)盟”15采用蓄電池供電，飛行時(shí)間不能超過2.5天，所以手動(dòng)對(duì)接也沒成功，結(jié)果飛船只能返回。

1976年10月14日，“聯(lián)盟”23飛船升空，當(dāng)它與“禮炮”5空間站相距不到100米時(shí)，自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)發(fā)生故障，又由于參加此次飛行的2名航天員都沒有進(jìn)行過手動(dòng)對(duì)接訓(xùn)練，結(jié)果對(duì)接失敗。

1977年10月9日，“聯(lián)盟”25飛船升空，當(dāng)它與“禮炮”6空間站對(duì)接時(shí)，由于飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致對(duì)接失敗。

1979年4月10日，“聯(lián)盟”33飛船升空，它與“禮炮”6空間站交會(huì)后，由于飛船主發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，結(jié)果無法對(duì)接。

1983年4月20日，“聯(lián)盟”T8飛船升空，準(zhǔn)備與“禮炮”7空間站對(duì)接。由于在發(fā)射過程中整流罩與飛船分離時(shí)將飛船的交會(huì)對(duì)接雷達(dá)天線扯掉，結(jié)果無法交會(huì)對(duì)接。

1987年3月31日，“量子”1艙升空，準(zhǔn)備與“和平”號(hào)空間站核心艙對(duì)接。在距“和平”號(hào)200米時(shí)，它不能追蹤到“和平”號(hào)的雷達(dá)信號(hào)，為此，進(jìn)行了第2次嘗試。當(dāng)“量子”1艙與核心艙相距20厘米時(shí)，2個(gè)艙無法再接近。最后，空間站上的航天員出艙發(fā)現(xiàn)對(duì)接面粘連了一塊異物，航天員費(fèi)了7天時(shí)間排除了異物后才成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)接。

1991年3月23日，“進(jìn)步”M7飛船與“和平”號(hào)空間站進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接時(shí)險(xiǎn)些發(fā)生碰撞，原因是此前空間站上的航天員出艙活動(dòng)時(shí)碰撞并弄偏了空間站上一個(gè)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的天線。6月25日，“和平”號(hào)上的兩名航天員出艙活動(dòng)4小時(shí)58分，更換了出故障的雷達(dá)天線。

1994年8月25日，“進(jìn)步”M24飛船升空。由于判定對(duì)接角不正確和自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)雷達(dá)出現(xiàn)故障，飛船2次與“和平”號(hào)空間站對(duì)接失敗。9月3日，航天員通過手動(dòng)控制方式順利實(shí)現(xiàn)對(duì)接，并通過出艙活動(dòng)檢查對(duì)接口。

1994年10月4日，“聯(lián)盟”TM20飛船升空，當(dāng)它與“和平”號(hào)空間站準(zhǔn)備對(duì)接時(shí)，飛船姿態(tài)控制系統(tǒng)故障，導(dǎo)致飛船突然偏航，航天員放棄自動(dòng)對(duì)接，通過手動(dòng)控制完成了交會(huì)對(duì)接。

1997年6月24日，“進(jìn)步”M34飛船脫離“和平”號(hào)空間站對(duì)接口飛離一段距離，25日，該飛船飛回來再次逼近空間站時(shí)，由于制動(dòng)控制部件失靈，飛船沒有及時(shí)對(duì)航天員的指令作出響應(yīng)，因此直接撞到“和平”號(hào)的“晶體”艙上，使“晶體”艙受損。地面控制中心立刻控制住了“進(jìn)步”M34。

2001年11月28日，由于對(duì)接口上存在異物，飛抵國際空間站的“進(jìn)步”M17飛船未能與國際空間站“星辰”號(hào)服務(wù)艙對(duì)接。12月3日，國際空間站上的航天員出艙清除了異物。隨后，“進(jìn)步”M17與“星辰”號(hào)完成對(duì)接。

“和平”號(hào)空間站上安裝的“異體同構(gòu)周邊”式對(duì)接機(jī)構(gòu)用于與美國航天飛機(jī)對(duì)接

“進(jìn)步”M34貨運(yùn)飛船因交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)故障，撞壞“和平”號(hào)“光譜”艙和太陽能電池翼（圖中紅色方框所圈出的部分）

裝有“航向”自動(dòng)交會(huì)測量系統(tǒng)的“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船

近期故障

2010年6月30日，“進(jìn)步”M06M飛船升空，當(dāng)它在7月2日距國際空間站 2千米時(shí)，由于“航向”自動(dòng)交會(huì)測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，使飛船與空間站之間的通信信號(hào)突然丟失，并延續(xù)長達(dá)25分鐘，而且手動(dòng)對(duì)接也沒有成功，結(jié)果對(duì)接失敗。最終，“進(jìn)步”M06M不得不繼續(xù)其軌道飛行并飛過了空間站。此后，專家確定了失敗的原因：貨運(yùn)飛船上“航向”自動(dòng)交會(huì)測量系統(tǒng)的視頻轉(zhuǎn)播器被激活，其信號(hào)對(duì)自身產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致飛船與國際空間站間正常對(duì)接指令鏈中斷，從而觸發(fā)了要求飛船中止對(duì)接的信號(hào)。7月4日，“進(jìn)步”M06M再次與國際空間站交會(huì)，并與“星辰”號(hào)服務(wù)艙順利對(duì)接。

2010年9月24日，“聯(lián)盟”TMA18出現(xiàn)機(jī)械上的故障，導(dǎo)致了軟件故障和錯(cuò)誤信號(hào)，結(jié)果未能按計(jì)劃離開國際空間站返航。原因是由于國際空間站迷你研究艙2上對(duì)接機(jī)構(gòu)中的“艙門蓋鎖定”傳感器出現(xiàn)問題，沒有發(fā)出預(yù)定信號(hào)，導(dǎo)致連接飛船接口處的掛鉤無法打開。在進(jìn)行了“廣泛故障診斷”后，國際空間站上的飛行工程師尤爾赦金在對(duì)接機(jī)構(gòu)中安裝了一條跨接電纜，模擬“艙門蓋鎖定”傳感器，從而繞過了失效的艙門傳感器。之后，莫斯科任務(wù)控制中心成功發(fā)送指令打開了艙體連接掛鉤。9月25日“聯(lián)盟”TMA18成功脫離國際空間站，并安全返回地面。

2010年10月30日，“進(jìn)步”M08M與國際空間站“碼頭”號(hào)對(duì)接艙自動(dòng)對(duì)接失敗，飛行工程師卡列里以手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)接。對(duì)接失敗的原因是由于利用高頻鏈接標(biāo)準(zhǔn)與“碼頭”號(hào)對(duì)接艙聯(lián)系的“航向”交會(huì)控制天線出現(xiàn)問題，導(dǎo)致航向射頻對(duì)接支持系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

蘇聯(lián)/俄羅斯共發(fā)射3代空間站，其間共進(jìn)行上百次的交會(huì)對(duì)接，有10多次失敗，但主要發(fā)生在初期階段。針對(duì)故障原因，蘇聯(lián)/俄羅斯通過改進(jìn)交會(huì)對(duì)接技術(shù)、建立與完善地面試驗(yàn)手段、增加地面仿真試驗(yàn)等手段，使交會(huì)對(duì)接技術(shù)的可靠性和安全性得到不斷提高。