美國的空間交會對接技術(shù)

□ 博 引

為了給“阿波羅”登月計劃作技術(shù)準(zhǔn)備，美國研制和發(fā)射了“雙子星座”系列兩艙式飛船，用于突破和掌握太空行走和空間交會對接技術(shù)。1966年3月，美國“雙子星座”8號飛船與由“阿金納”火箭末級改裝的目標(biāo)航天器實現(xiàn)了世界上首次交會對接。1969年7月，美國“阿波羅”指令艙與登月艙實現(xiàn)了首次月球軌道人控交會對接。進入20世紀(jì)80年代，美國投入巨大的人力、物力，研究開發(fā)出世界上第一架航天飛機，為了建造國際空間站，航天飛機在20世紀(jì)90年代安裝了交會對接裝置，并分別與“和平”號空間站和國際空間站多次對接，大大擴大了航天飛機的用途。

世界首次空間交會對接

1966年3月16日，在航天員手控操作下，美國“雙子星座”8號飛船與“阿金納”目標(biāo)航天器完成了世界首次空間交會對接。其交會測量系統(tǒng)采用微波雷達(dá)、電視攝像機，目標(biāo)航天器上還裝有應(yīng)答機。對接操作采用自動、手動兩種方式，此后，“雙子星座”，又成功進行了3次空間交會對接。

“阿波羅”飛船的交會對接

“阿波羅”登月飛船往返月球一次，需在空間進行兩次交會對接。第一次是指令艙在地球軌道分離后調(diào)頭180°，指令艙與登月艙對接；第二次是登月艙由月球返回時與月球軌道上的指令艙對接。

在“阿波羅”飛船的登月過程中，為了保證在缺少地面支持的月球軌道上交會對接的安全性，其指令艙和登月艙都可作為追蹤航天器，都具備一定的自動化能力。通常，交會對接任務(wù)規(guī)劃由地面完成，但是船上系統(tǒng)具有對目標(biāo)定位并自主機動的能力。最終的捕獲和對接則是由航天員完成的。

其交會測量系統(tǒng)采用X頻段交會雷達(dá)，最終采用手動完成。其對接機構(gòu)采用可移開的“桿-錐”式結(jié)構(gòu)。

1969年7月～1972年12月，美國先后發(fā)射了“阿波羅”11號～17號共7艘登月飛船，除“阿波羅”13號發(fā)生意外事故中止登月任務(wù)外，其余6次完全成功。這說明“阿波羅”飛船使用的交會對接技術(shù)是可靠的，且適合多次使用。

“天空實驗室”的交會對接

1973年5月，美國發(fā)射了第一座試驗性空間站——“天空實驗室”，它裝有新研制的“多用途對接艙”,能同時提供2個對接口，其交會測量系統(tǒng)和對接機構(gòu)基本與“阿波羅”飛船所用的相同。

航天飛機的交會對接

航天飛機交會對接測量系統(tǒng)沿用“阿波羅”的成熟硬件，成功多次跟蹤、捕獲失控或出故障的衛(wèi)星，然后將其帶回地面維修或在軌維修，最終重新發(fā)射入軌恢復(fù)工作。1995～1998年，航天飛機成功與俄羅斯“和平”號空間站進行9次交會對接；1998年～2011年，航天飛機成功與國際空間站進行37次交會對接，沒有1次失敗，這充分顯示了美國航天飛機的交會對接技術(shù)十分先進和可靠。

航天飛機的交會對接有許多新的特點。它采用了對接機構(gòu)、機械臂、航天員艙外活動等不同方式實現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲，大大增強了其軌道服務(wù)功能。航天飛機的任務(wù)規(guī)劃仍然由地面完成，機上制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)根據(jù)航天員指令可以自動執(zhí)行許多交會控制功能，包括目標(biāo)定位、相對導(dǎo)航和控制。最終逼近段仍然由航天員操作完成。

美國正在研制的“獵戶座”新一代飛船對交會對接的自動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)包括自動交會制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制算法、自主任務(wù)管理、自動相對導(dǎo)航敏感器技術(shù)、先進捕獲和對接機構(gòu)、機械臂組裝技術(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)進行集成。

“雙子星座”飛船與“阿金納”火箭交會

“阿波羅”號飛船與“天空實驗室”對接

美國航天飛機與俄羅斯“和平”號空間站對接

測量系統(tǒng)

“雙子星座”飛船上使用的交會雷達(dá)是L頻段相干脈沖微波雷達(dá)，它包括4副天線：1副圓柱形天線用于發(fā)射脈沖信號，2副可轉(zhuǎn)動的螺旋形天線用于接收目標(biāo)信號，最后1副天線作為2副可轉(zhuǎn)動天線的參照物。其作用范圍為150米～450千米，可以測出目標(biāo)航天器的方位角、仰角和距離與距離速率。在目標(biāo)航天器上安裝應(yīng)答機，航天員根據(jù)交會雷達(dá)在儀表盤上顯示值和通過光學(xué)瞄準(zhǔn)器目視結(jié)果，以手動方式進行交會對接操作。

“阿波羅”飛船在進行登月艙和指令艙交會對接時，使用的交會雷達(dá)是X頻段單脈沖比幅連續(xù)波雷達(dá)，它能測量登月艙相對于在150千米月球軌道上的指令艙的距離、距離變化率、角度和角度變化率。交會雷達(dá)和應(yīng)答機都用固態(tài)變?nèi)荻O管倍頻器作發(fā)射機，收發(fā)都用連續(xù)波方式。航天員通過光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡以手動方式進行交會對接操作。

美國航天飛機上使用的交會雷達(dá)是Ku頻段多功能雷達(dá)，它還具有通信和導(dǎo)航功能，該雷達(dá)利用脈沖往返時間測量距離，利用載波多普勒頻移測量速度，利用單脈沖比幅測量角度，系統(tǒng)采用合作應(yīng)答方式，作用距離為30米～550千米。在逼近階段再輔以激光測距儀、攝像機等光電設(shè)備，并由航天員根據(jù)顯示屏的顯示結(jié)果和光學(xué)瞄準(zhǔn)器操縱航天器實現(xiàn)對接。

航天飛機與俄羅斯“和平”號空間站的交會時，航天飛機是追蹤航天器，空間站是目標(biāo)航天器。軌道高度為370千米～400千米、傾角51.6°。在它們相距180千米時，采用甚高頻無線電設(shè)備進行聯(lián)系；在65千米～33米時采用交會雷達(dá)進行測量，航天飛機的交會雷達(dá)到目標(biāo)航天器的使用限制距離為33米，距離再近對雷達(dá)來說是盲區(qū)。在對接前，即在距目標(biāo)器800米時改為航天員手動操作。在33米以內(nèi)時采用激光測距儀和光學(xué)攝像機進行測量，拍攝2個航天器的相對姿態(tài)和位置。

國際空間站的交會測量系統(tǒng)包括GPS導(dǎo)航接收系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星導(dǎo)航與通信接收系統(tǒng)、微波交會雷達(dá)系統(tǒng)、激光對接雷達(dá)系統(tǒng)、光學(xué)對接攝像系統(tǒng)等。此外還包括航天員顯示裝置（空間六分儀、望遠(yuǎn)鏡、顯示器、熒光屏等）。

航天飛機上的“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)

對接機構(gòu)

美國“雙子星座”飛船采用“環(huán)-錐”式對接機構(gòu)，尺寸和質(zhì)量均較大。它由一個捕獲環(huán)構(gòu)件和一個對接錐結(jié)構(gòu)組成。捕獲環(huán)（被動部件）裝在“雙子星座”號飛船的通道口上，“阿金納”火箭尾部裝一個大型的對接錐（主動部件）。對接采用自動和手動兩種操作，對接后自然形成航天員通行通道。

“阿波羅”飛船采用“桿-錐”式對接機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，其主動部件裝在指令艙上，被動部件安裝在登月艙上。對接中產(chǎn)生的撞擊由彈簧和氣液緩沖裝置進行緩沖和阻尼。對接時需要航天員花費較多時間、消耗很大體力通過手動實現(xiàn)對接。這種對接機構(gòu)還用于“天空實驗室”。

1975年美國“阿波羅”18號飛船與蘇聯(lián)“聯(lián)盟”19號飛船對接時首先使用了“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)。1995年航天飛機與俄羅斯“和平”號空間站首次對接，采用了改進的“異體同構(gòu)周邊”式，把導(dǎo)向器由外翻式改為內(nèi)翻式，由此可以提高對接剛度和密封性，更適用于大型的航天器。美國航天器對接時都采用手動。

“異體同構(gòu)”是指追蹤航天器和目標(biāo)航天器上的對接機構(gòu)構(gòu)造是一致的（桿-錐式對接機構(gòu)是不一致的），沒有主動、被動之分?！爸苓叀笔侵笝C構(gòu)不設(shè)置在中間，而是設(shè)置在周邊（桿-錐式是設(shè)置在中間），全部對接機構(gòu)設(shè)置在航天器殼體外側(cè)?！爱愺w同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)的優(yōu)點是機構(gòu)不占用航天器內(nèi)部空間，對接后通道暢通，對接連接環(huán)直徑較大，承載能力大，適宜大質(zhì)量航天器間對接。其缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，質(zhì)量較大。對接時，追蹤航天器上的對接機構(gòu)伸出，安裝在周邊的3個板狀導(dǎo)向器完成導(dǎo)向作用，使兩個對接機構(gòu)準(zhǔn)確地接觸，其上的鎖鎖定，對接機構(gòu)回縮，將對接面拉緊，對接面上的鎖將對接面鎖定，完成對接。

試驗美蘇飛船對接用的“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)

航天飛機與國際空間站對接（同時還對接有俄羅斯和歐洲的飛船）

仿真設(shè)備

美國自20世紀(jì)60年代初開始研制交會對接仿真設(shè)備，先后開發(fā)了4種，其中技術(shù)最先進的是航天飛機與空間站實時?？亢腿灾鹘粫臃抡嫫?。

“雙子星座”飛船交會對接仿真器是通過閉路電視產(chǎn)生目標(biāo)航天器的計算機動畫圖像模型的仿真器，共有9個自由度，其中追蹤航天器（“雙子星座”飛船）3個自由度，目標(biāo)航天器（“阿金鈉”火箭）6自由度（三維位置和三軸姿態(tài)角），仿真距離為0～300米。

“阿波羅”飛船交會對接仿真器是一種混合式交會對接仿真器，有6個自由度，其中追蹤航天器上配置的錐型對接機構(gòu)為2自由度，配置在目標(biāo)航天器上的錐型對接機構(gòu)為4自由度。通過液壓驅(qū)動，這種仿真器可對全尺寸對接機構(gòu)進行動力學(xué)仿真?？沈炞C對接機構(gòu)以及該機構(gòu)的手爪在各種條件下張開、閉合、鎖緊功能。

航天飛機實時停靠仿真器是12自由度的交會對接仿真器，其中追蹤航天器為6自由度，目標(biāo)航天器為6自由度，采用“阿波羅”18號和“聯(lián)盟”19號飛船進行交會對接仿真試驗時所使用的對接動力學(xué)仿真設(shè)備，所能承受的最大沖擊力為1350千克。美國用它對手動和自動對接方式進行了大量的仿真試驗，對航天員熟悉與掌握交會對接停靠技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

全自主交會對接仿真器用于滿足交會對接在安全、容錯、可靠性等方面的要求，將新老技術(shù)融為一體，以半物理仿真為核心，完成從最終逼近到對接階段的各種試驗。全自主交會對接仿真器用氣浮臺（3自由度）和臺子上的移動臺車（3自由度）以無線傳輸方式發(fā)射和接收遙操作所需的各種信息，并利用機器人臂模擬目標(biāo)航天器運動，完成從40千米到實現(xiàn)對接的全過程仿真。由于采用GPS接收機、光學(xué)敏感器、動態(tài)目標(biāo)仿真器等，因此使用中即使在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，仍可完成安全?？俊⒔粫拥姆抡?。該仿真器系統(tǒng)不僅能驗證GPS、交會雷達(dá)等新型敏感器以及自主任務(wù)規(guī)劃算法等新技術(shù)，還能連續(xù)地監(jiān)視人在回路中的操作控制技術(shù)。

美國“團結(jié)”號節(jié)點艙1號與航天飛機對接機構(gòu)實現(xiàn)對接

“阿波羅”18號飛船前部安裝的“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)

對接故障

在航天飛機使用以前，美國只發(fā)生過2次交會對接故障：

1966年6月3日，美國發(fā)射了“雙子星座”9號載人飛船。該飛船在與由“阿金納”火箭第3級改裝的目標(biāo)飛行器進行交會對接時，由于“阿金納”彈射罩出現(xiàn)故障，使“阿金納”成半開狀態(tài)，所以對接無法進行。飛船上的航天員斯坦福爾德和塞爾南打算出艙修理，但又因艙外航天服的環(huán)控生保系統(tǒng)不能散熱，頭盔面罩內(nèi)布滿霧氣，無法看清東西，所以沒有獲得成功，對接失敗?！半p子星座”9號于6日返回地面。

“阿波羅”14號飛往月球的過程中，在指令艙與登月艙對接時，由于對接機構(gòu)出現(xiàn)故障，因而多次對接失敗，直到第6次試接后才獲得成功，使得正常情況下只需25分鐘的對接花了近2小時。為了避免同樣的故障再次發(fā)生，后來的航天器上都采取了改進措施，包括在發(fā)射前對容易出問題的對接機構(gòu)進行密封保護、改進對接鎖定裝置和增加模擬測試。

經(jīng)驗借鑒

美國航天器在交會時采用多種測量敏感器：遠(yuǎn)距離用交會雷達(dá)自動進行，近距離采用激光測距儀和攝像機等，而且有航天員參與，從而保證交會對接任務(wù)能夠順利執(zhí)行。這樣既比較安全可靠，又能保證足夠精度，且可實現(xiàn)軟對接。由于在最終逼近階段需航天員采用手動實現(xiàn)交會對接，所以航天員要在地面上進行多次操作培訓(xùn)仿真試驗，有時需要作幾百或上千小時操作仿真實驗。

美國航天器在空間交會對接時采用遠(yuǎn)距離自動、近距離手控的方式，是從實際的技術(shù)把握性、安全可靠性和成本經(jīng)濟性等方面全面考慮的。近距離一般指0.5千米～1千米之間，手動操作主要是控制相對距離和相對靠近速度，而相對姿態(tài)還可以實現(xiàn)自動控制。

美國交會對接飛行程序和操作方案能適應(yīng)多種客觀條件和狀態(tài)改變的需要，例如發(fā)射時間推遲、追蹤器入軌狀態(tài)改變、設(shè)備故障等。

“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)的3個導(dǎo)向器外翻，允許捕獲姿態(tài)偏差范圍可以大一些；導(dǎo)向器內(nèi)翻的好處是直徑特別大，通常直徑在3米～4米以上，可以提高對接剛度，增強對接圈和密封的強度，但要求提高終端姿態(tài)控制精度。

將“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)安裝到航天飛機上