中國首次交會對接任務(wù)的技術(shù)成就和展望

尚志

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

國際載人航天目前正處于轉(zhuǎn)變時期，縱觀國際載人航天的發(fā)展歷程，我國載人航天工程按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略進行實施。第一步為“以載人飛船起步，發(fā)射幾艘無人試驗飛船和一艘有人飛船”解決天地往返的運輸工具問題；第二步為“研制和發(fā)射空間實驗室，盡早建成完整配套的空間站工程大系統(tǒng)，實現(xiàn)一定規(guī)模的空間應(yīng)用”；第三步為“建造長期有人照料的大型空間站”。本著“自主創(chuàng)新、重點跨越、支持發(fā)展、引領(lǐng)未來”的指導(dǎo)思想，認(rèn)真總結(jié)國際載人航天發(fā)展的經(jīng)驗，結(jié)合我國政治、經(jīng)濟、國防及科學(xué)技術(shù)等各個方面對載人航天長遠任務(wù)需求，順應(yīng)世界載人航天發(fā)展的趨勢，探索出一條符合我國國情、目標(biāo)長遠、可持續(xù)發(fā)展的道路。

2004年12月中央批準(zhǔn)啟動我國載人航天第二步任務(wù)，并明確第二步任務(wù)重點放在載人航天器交會對接和航天員空間活動等重大技術(shù)突破上。神舟七號飛船出艙活動已經(jīng)突破和基本掌握了航天員空間活動技術(shù)。天宮一號目標(biāo)飛行器將分別與神舟八號、神舟九號和神舟十號3艘載人飛船執(zhí)行無人或載人交會對接任務(wù)，以突破航天器交會對接技術(shù)。

2011年11月，神舟八號載人飛船和天宮一號目標(biāo)飛行器完成了交會對接、組合體飛行并分離后安全返回地面，標(biāo)志著我國首次交會對接任務(wù)圓滿完成。

本文系統(tǒng)介紹了天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號載人飛船的研制歷程、主要技術(shù)成就、與國外技術(shù)的比較、任務(wù)意義和后續(xù)發(fā)展展望。

2 主要研制歷程及交會對接任務(wù)過程概況

天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號載人飛船的研制歷時6年多時間，先后經(jīng)歷了方案設(shè)計、初樣研制和正樣研制階段，完成了規(guī)定的700余項試驗。

2.1 主要研制歷程

以下分別介紹天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號載人飛船的主要研制歷程。

1）天宮一號目標(biāo)飛行器主要研制歷程

2006年12月，完成了方案設(shè)計，轉(zhuǎn)入初樣研制階段；

2009年5月，完成了初樣結(jié)構(gòu)/熱控器的總裝和大型試驗；

2009年7月，完成了初樣電性器總裝、電性能測試、電磁兼容性（EMC）測試和磁試驗；

2009年12月，完成了初樣研制，轉(zhuǎn)入正樣研制階段；

2011年5月，完成了正樣器總裝、電測、大型試驗、軟件落焊及回歸測試；

2011年6月，通過了正樣出廠評審；

2011年9月，完成了發(fā)射場任務(wù)，由長征-2F火箭運載升空；

2011年10月，完成了在軌測試；

2011年11月，完成了降軌調(diào)相、轉(zhuǎn)倒飛以及交會對接前設(shè)置，在343km 高度軌道等候交會對接。

2）神舟八號載人飛船主要研制歷程

2006年12月，完成了方案設(shè)計，轉(zhuǎn)入初樣研制階段；

2008年12月，完成了初樣結(jié)構(gòu)/熱控船的總裝和大型試驗；

2009年9月，完成了初樣電性船總裝、電性能測試、EMC測試和磁試驗；

2010年4月，完成了初樣研制，轉(zhuǎn)入正樣研制階段；

2011年6月，完成了正樣船總裝、電測、大型試驗、軟件落焊及回歸測試；

2011年8月，通過了正樣出廠評審；

2011年11月，完成了發(fā)射場任務(wù)，由長征-2F火箭運載升空，變軌后進入343km 高度軌道。

2.2 交會對接任務(wù)過程概況

神舟八號載人飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器的空間交會對接任務(wù)飛行過程需經(jīng)歷5個階段：（1）遠距離導(dǎo)引段，兩航天器都入軌后，通過地面測控站的引導(dǎo)，建立穩(wěn)定的通信鏈路，自主導(dǎo)航；（2）自主控制段，經(jīng)過尋的、接近和平移靠攏3個過程，神舟八號載人飛船自主導(dǎo)航至與天宮一號目標(biāo)飛行器接觸；（3）對接段，從對接機構(gòu)接觸開始，完成捕獲、緩沖、拉近和鎖緊4個過程，最終實現(xiàn)兩航天器剛性連接，形成組合體；（4）組合體飛行段，由天宮一號目標(biāo)飛行器負(fù)責(zé)組合體飛行控制，神舟八號載人飛船處于?？繝顟B(tài)，擇機進行并完成第二次交會對接試驗；（5）分離撤離段，兩航天器再次分離，神舟八號載人飛船撤離到安全距離，交會對接試驗完成。

整個交會對接過程需保證接合平穩(wěn)，避免因劇烈搖晃而影響兩在軌航天器的姿態(tài)。

3 我國首次交會對接任務(wù)取得的主要技術(shù)成就

我國自20世紀(jì)90年代，開始進行載人航天器空間段設(shè)計技術(shù)的論證，并對交會對接總體技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，先后完成了飛船與目標(biāo)飛行器交會對接方案設(shè)計、飛船和目標(biāo)飛行器構(gòu)成的載人航天器空間段系統(tǒng)的交會對接飛行方案設(shè)計，并攻克了空間交會對接技術(shù)、組合體控制與管理技術(shù)、低軌長壽命載人航天器設(shè)計技術(shù)和載人航天器組批研制技術(shù)。

3.1 載人航天器空間段設(shè)計技術(shù)

交會對接飛行任務(wù)需要天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號、神舟九號、神舟十號載人飛船通過4次發(fā)射在軌組合飛行來完成，這也是區(qū)別于以往載人航天飛行任務(wù)和衛(wèi)星飛行任務(wù)的重要方面，需要從載人航天器空間段層面來開展設(shè)計。

載人航天器空間段設(shè)計，負(fù)責(zé)組織分析工程總體下達的交會對接任務(wù)的技術(shù)要求；“空間段”飛行任務(wù)分析和方案設(shè)計；研究目標(biāo)飛行器和載人飛船間聯(lián)合飛行或運營管理技術(shù)；協(xié)調(diào)兩航天器指標(biāo)和接口；確定聯(lián)合試驗、仿真和測試項目。

3.2 空間交會對接技術(shù)

目標(biāo)飛行器在飛船發(fā)射前1天進入交會對接軌道，等待飛船進行交會對接；在飛船入軌后，由飛船完成遠程導(dǎo)引控制；飛船和目標(biāo)飛行器相對距離小于100km 后，利用空空通信和交會測量設(shè)備進行自主控制實現(xiàn)船器空間交會，最后通過兩航天器前端配置的主被動對接機構(gòu)完成對接。

1）遠距離導(dǎo)引技術(shù)[1]

載人飛船的遠距離導(dǎo)引段從收到“船箭分離”信號起，至轉(zhuǎn)入自主控制點止，通過軌道機動提高飛船軌道高度，調(diào)整兩航天器的相位差，縮短相對距離；同時消除入軌誤差造成的兩航天器軌道面偏差，最終使載人飛船軌道終端條件滿足轉(zhuǎn)入自主控制的條件。

2）兩航天器間的相對測量與通信技術(shù)

載人飛船配置了多種交會測量設(shè)備，用于交會自主控制過程的相對測量。包括微波雷達、激光雷達、CCD 光學(xué)成像敏感器和電視攝像機。

載人飛船與目標(biāo)航天器交會對接和組合體飛行中，有空空通信無線信息傳輸和對接總線有線信息傳輸兩條鏈路，分別用于兩航天器對接前后信息通信。

3）兩航天器對接與分離技術(shù)

載人飛船與目標(biāo)飛行器采用導(dǎo)向板內(nèi)翻的異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)，載人飛船為主動端，目標(biāo)飛行器為被動端，兩對接機構(gòu)共同實現(xiàn)兩航天器的捕獲、緩沖、鎖緊、連接以及解鎖、分離。兩航天器對接鎖的主、被動鎖鉤上均安裝爆炸螺栓，在緊急情況下，可引爆對接鎖上的火工品實現(xiàn)兩航天器分離。

3.3 組合體管理技術(shù)

組合體是從“目標(biāo)飛行器與載人飛船完成剛性對接、目標(biāo)飛行器控制組合體姿態(tài)啟控”至“組合體分離開始、目標(biāo)飛行器控制組合體停控”的船器組合體。組合體飛行期間，以目標(biāo)飛行器為主進行組合體的控制與管理，飛船處于?？繝顟B(tài)，共同實現(xiàn)組合體載人環(huán)境控制、姿態(tài)與軌道控制的功能。

1）大質(zhì)量、大慣量、大柔性、變結(jié)構(gòu)姿控技術(shù)

為解決組合體模態(tài)密集、且在大型轉(zhuǎn)動撓性外伸結(jié)構(gòu)引起的動力學(xué)耦合情況下保持姿態(tài)穩(wěn)定的難題，目標(biāo)飛行器設(shè)計單框架控制力矩陀螺進行姿態(tài)控制，使用磁力矩器完成對控制力矩陀螺系統(tǒng)卸載，滿足組合體姿態(tài)控制要求，同時為空間站組合體姿態(tài)控制方案進行在軌驗證。

2）熱負(fù)荷動態(tài)變化的組合體載人環(huán)境控制技術(shù)

天宮一號的載人環(huán)境控制設(shè)計需滿足自主運行、1人飛行、2人飛行和3人飛行等工況，各工況的密封艙內(nèi)熱負(fù)荷動態(tài)變化大。目標(biāo)飛行器采用通風(fēng)換熱為主、被動熱控為輔的環(huán)熱控一體化設(shè)計，通過調(diào)節(jié)輻射器混合出口溫度，實現(xiàn)外回路換熱能力調(diào)節(jié)，滿足密封艙溫濕度的要求。

3.4 低軌長壽命載人航天器設(shè)計技術(shù)

天宮一號目標(biāo)飛行器是我國首個在軌運行時間為2年的低軌長壽命載人航天器，飛行期間運行在340～400km 的近圓軌道，需經(jīng)受太陽輻射、高層大氣、地球磁場、失重、真空、高能帶電粒子、電離層、微流星體及空間碎片等低軌空間環(huán)境。天宮一號開展的低軌長壽命載人航天器設(shè)計與驗證主要包括：

（1）對艙外材料/涂層、太陽電池翼、對接鎖系等性能參數(shù)受原子氧、紫外線或真空等低軌環(huán)境影響，對性能參數(shù)逐步退化的產(chǎn)品進行可靠性及壽命試驗，驗證對低軌環(huán)境的適應(yīng)能力；

（2）對影響目標(biāo)飛行器控制、環(huán)控?zé)峥?、測控、能源關(guān)鍵功能的機電產(chǎn)品從軸承設(shè)計、潤滑設(shè)計等開展長壽命設(shè)計，安排專項壽命試驗進行驗證，同時從系統(tǒng)設(shè)計層面提高風(fēng)機、泵、陀螺等產(chǎn)品的冗余度，采用冷備份設(shè)計提高平臺壽命；

（3）對電子設(shè)備注重芯片選型，采用雙機冷備份的設(shè)計方式保證整機性能不受低軌環(huán)境影響，采用加速壽命試驗驗證是否滿足壽命要求。

3.5 載人航天器組批研制體系

為適應(yīng)交會對接任務(wù)小批量、發(fā)射密集程度高的特點，建立載人航天器組批研制、生產(chǎn)與測試的體系。

（1）通過梳理和確定適應(yīng)批量化生產(chǎn)要求的載人航天器研制計劃流程和技術(shù)流程，培育并掌握批量化生產(chǎn)的總裝工藝、測試和試驗等技術(shù)，固化技術(shù)狀態(tài)、接口關(guān)系，建立適應(yīng)批量化生產(chǎn)要求的技術(shù)體系；

（2）通過規(guī)劃、調(diào)整、補充建設(shè)適應(yīng)載人航天器總體生產(chǎn)能力的批量化柔性生產(chǎn)線，形成滿足發(fā)展要求的批量化生產(chǎn)保障能力；

（3）通過對現(xiàn)有管理模式的調(diào)整，建立適應(yīng)批量化生產(chǎn)要求，涵蓋計劃、質(zhì)量、成本、物資、人力資源、信息溝通以及風(fēng)險控制等要素的管理體系，形成適應(yīng)批量化生產(chǎn)要求的管理模式，提升科學(xué)管理能力。

4 國內(nèi)外交會對接技術(shù)比較[2-6]

1961年4月12日蘇聯(lián)航天員加加林乘東方1號載人飛船上天，標(biāo)志著載人航天時代的開始?；仡?0多年來的發(fā)展歷程，美國走過的載人航天路線是：由載人飛船到航天飛機再到空間站；俄羅斯走過的載人航天路線是：由載人飛船到空間站再到航天飛機。除美國阿波羅號飛船登月外，美俄兩國涉足的載人航天活動領(lǐng)域基本相當(dāng)，以互相競賽式的模式發(fā)展為主。目前，共有蘇聯(lián)/俄羅斯、美國、歐洲、日本和中國等國家和組織成功實施了空間交會對接，各國的交會對接技術(shù)比較見表1。

其中，人控交會對接和自動交會對接的優(yōu)缺點對比如下。

（1）人工控制的優(yōu)點：可充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢，提高交會對接成功的概率，能對對接過程中的故障進行處置或維修；缺點：航天員的操作負(fù)荷大，受空間環(huán)境條件（光照）限制。

表1 各國的交會對接技術(shù)比較Table1 Comparison of rendezvous and docking technology of different countries

（2）自動控制的優(yōu)點：只依賴自控設(shè)備，系統(tǒng)可靠性高，對環(huán)境適應(yīng)性好；缺點：作為安全性措施，需要分布很廣的地面站或中繼衛(wèi)星支持。

從上述分析可知，雖然我國交會對接技術(shù)發(fā)展較晚，但總體水平和航天發(fā)達國家相當(dāng)。我國采取自動控制和手動控制相結(jié)合的方案，充分發(fā)揮了人控交會對接和自動交會對接的特點，比較好地兼顧了系統(tǒng)可靠性和安全性[7]。

5 我國首次交會對接任務(wù)的意義及展望

2011年11月17日，我國首次空間交會對接任務(wù)取得圓滿成功，其具有的工程、科學(xué)及社會意義深遠。

1）提升國家威望，產(chǎn)生廣泛社會效益

強大政治影響力需要強大的綜合國力作后盾，而載人航天，就是衡量國家綜合國力的重要標(biāo)志之一。如果沒有高度發(fā)達的科學(xué)技術(shù)和科研能力，如果沒有雄厚的經(jīng)濟基礎(chǔ)，任何一個國家都是不可能開展載人航天工程的。

通過首次航天器交會對接任務(wù)，大大提高了我國的國際地位和國際威望，增強了政治影響力、民族自信心和自豪感，也增強了國家的戰(zhàn)略威懾力量。同時廣泛鼓舞了青少年的科學(xué)熱情，為我國航天科技發(fā)展吸引了新生力量。

2）帶動基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展

完成首次交會對接任務(wù)的兩個載人航天器——載人飛船與目標(biāo)飛行器，分別具有可返回、在軌時間長的特點。根據(jù)其特點，可搭載空間站技術(shù)試驗、空間科學(xué)試驗、空間應(yīng)用試驗和航天醫(yī)學(xué)試驗項目。

后續(xù)載人航天工程任務(wù)必然會牽引更多的科學(xué)實驗項目，帶動相應(yīng)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。3）推動航天技術(shù)持續(xù)發(fā)展

研制并發(fā)射目標(biāo)飛行器，既作為目標(biāo)配合突破交會對接技術(shù)，又可為空間站積累經(jīng)驗；研制功能完善的載人運輸飛船，既可突破交會對接技術(shù)，又可滿足空間實驗室和中小規(guī)模空間站的乘員組運輸服務(wù)需求。

空間實驗室和空間站作為航天領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)施，將成為我國航天技術(shù)發(fā)展研究和實驗的重要基地。通過開展這些航天高新技術(shù)的實驗研究和驗證，將極大地提高我國航天技術(shù)的整體水平。

4）為后續(xù)載人航天任務(wù)奠定堅實基礎(chǔ)

交會對接技術(shù)是各國發(fā)展載人航天所必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。首次交會對接任務(wù)的成功，表明我國已掌握了這一關(guān)鍵技術(shù)，從而可以向更高的目標(biāo)前進。

本次交會對接任務(wù)的完成，同時還突破和基本掌握了部分空間站關(guān)鍵技術(shù)，如：在軌載人航天器整體壁板結(jié)構(gòu)技術(shù)，大質(zhì)量、大慣量、大柔性變結(jié)構(gòu)姿控技術(shù)，高電壓大功率低軌長壽命電源技術(shù)，組合體管理技術(shù)，長期在軌飛行空間碎片防護技術(shù)，長期在軌生命保障核心技術(shù)，長期在軌運動機構(gòu)技術(shù)，金屬膜盒式貯箱技術(shù)，高速大容量數(shù)據(jù)處理及傳輸技術(shù)。這些技術(shù)的掌握，將成為我國空間站建設(shè)的有力保障。

載人飛行可以充分發(fā)揮人的能動性，開展航天技術(shù)試驗，利用載人飛行平臺，開展空間綜合應(yīng)用，從而推動國家航天技術(shù)和空間應(yīng)用的持續(xù)發(fā)展。

首次交會對接任務(wù)的成功實施，標(biāo)志著我國突破和基本掌握了航天器交會對接技術(shù)及其組合體控制技術(shù)。預(yù)計2012年上半年發(fā)射的神舟九號載人飛船、2012年下半年發(fā)射的神舟十號載人飛船，還將與天宮一號目標(biāo)飛行器執(zhí)行交會對接任務(wù)，以對交會對接技術(shù)、組合體控制技術(shù)和航天員中短期駐留支持技術(shù)進行全面驗證。

后續(xù)任務(wù)通過空間實驗室和空間站，開始解決人類長期宇宙飛行技術(shù)，符合載人航天發(fā)展規(guī)律，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略。主要的發(fā)展前景包括：

（1）突破航天員長期在軌技術(shù)，奠定堅實的服務(wù)與發(fā)展基礎(chǔ)；

（2）開展空間新技術(shù)試驗，拓展載人航天領(lǐng)域；

（3）開展載人登月技術(shù)試驗探索，開發(fā)宇宙空間資源；

（4）發(fā)展低成本的、可部分重復(fù)使用的、載人行星探測的新一代大型天地往返運輸飛船。

載人航天已作為一個專項納入國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要。2010年9月，中央批準(zhǔn)實施載人空間站工程。我們相信在掌握了航天員出艙活動技術(shù)、交會對接技術(shù)、組合體控制技術(shù)和航天員駐留支持技術(shù)的基礎(chǔ)上，大力協(xié)同、集智攻關(guān)，必將實現(xiàn)中國的空間實驗室及后期空間站的建設(shè)任務(wù)。

（References）

[1]湯溢，王翔.航天器交會遠距離導(dǎo)引段誤差敏感度分析[J].航天器工程，2010，19（3）：40-44

Tang Yi，Wang Xiang.Research on error sensitivity of spacecraft rendezvous phase[J].Spacecraft Engineering，2010，19（3）：40-44（in Chinese）

[2]林來興.四十年空間交會對接技術(shù)的發(fā)展[J].航天器工程，2007，16（4）：70-77

Lin Laixing.Development of space rendezvous and docking technology in past 40years[J].Spacecraft Engineering，2007，16（4）：70-77（in Chinese）

[3]周建平.載人航天交會對接技術(shù)[J].載人航天，2011（2）：1-8

Zhou Jianping.Rendezvous and docking technology of human space flight[J].Manned Spaceflight，2011（2）：1-8（in Chinese）

[4]Machula M，Sandhoo G.Rendezvous and docking for space exploration[C]//Orlando：1stSpace Exploration Conference：Continuing the Voyage of Discovery.AIAA，2005

[5]Fehse W.Automated rendezvous and docking of spacecraft[M].London：Cambridge University Press，2003

[6]Goodman J.History of space shuttle rendezvous and proximity operation[J].Journal of Spacecraft and Roket，2006，43（5）：944-959

[7]胡海霞，解永春.國外航天器人控交會對接系統(tǒng)研究及分析[C]//云南昆明：全國第十一屆空間及運動體控制技術(shù)學(xué)術(shù)會議.中國自動化學(xué)會，2004：187-191

Hu Haixia，Xie Yongchun.Research and analysis of foreign spacecraft manual control rendezvous and docking system[C]//Kunming，Yunnan：The 11thNational Conference on Spacecraft Control.Chinese Institute of Automation，2004：187-191（in Chinese）