中外交會對接技術比較研究

朱仁璋 王鴻芳 叢云天 邱慧 王冉

（1 南京大學，南京 210093）（2 中國空間技術研究院，北京 100094）（3 北京航空航天大學，北京 100191）

1 引言

當前以及未來幾十年時間內(nèi)，世界載人航天活動將包括地球軌道空間站，載人登月與建立月球基地，載人小行星探測，以及載人登火星與建立火星基地等項目。在這些航天活動中，交會對接無疑是一項關鍵技術。迄今，掌握交會對接技術的國家或聯(lián)合體有美國，蘇聯(lián)／俄羅斯，日本，歐洲和中國。

航天器交會對接涉及兩個飛行器，即目標航天器與追蹤航天器。一般情況下，目標航天器是被動的；追蹤航天器是主動的，即是執(zhí)行軌道機動與姿態(tài)機動的航天器。已退役或繼續(xù)運作的追蹤飛行器系列主要有：①美國的“雙子座”飛船，“阿波羅”飛船，航天飛機，“龍”（Dragon）飛船；②蘇／俄的聯(lián)盟號載人飛船與進步號貨運飛船；③歐洲的“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）；④日本的H-II轉(zhuǎn)移飛行器（HTV）；⑤中國的神舟號飛船。美國的“天鵝座”（Cygnus）飛船最近將發(fā)射，“多用途乘員飛行器”（MPCV）（原名“獵戶座”（Orion）飛船）等也正在研制中。已完成任務或仍在軌運作的空間站有：①蘇／俄的禮炮號空間站系列與和平號空間站；②美國的“天空實驗室”（Skylab）；③多國合作的“國際空間站”（ISS）；④中國的天宮1號空間實驗室。［1-7］

本文對美國、蘇聯(lián)／俄羅斯、歐洲、日本、中國五方的交會對接技術進行分析、比較與評述，包括發(fā)展過程與現(xiàn)在的技術水平以及未來的發(fā)展趨勢，涉及交會敏感器、連接機構、交會對接控制等關鍵技術。

2 交會對接技術特點分析

2．1 美國［1，6，8-25］

美國交會對接技術的發(fā)展，基本可劃分為3個階段：①“雙子座”與“阿波羅”飛船階段；②航天飛機階段；③后航天飛機時代（包括“龍”，“天鵝座”，“多用途乘員飛行器”等）。

美國交會對接重要事件有：①1966年3月，航天員手動操作“雙子座”飛船與無人“阿金納”目標飛行器對接（世界首次載人交會對接）；②1969年7月，“阿波羅”首次應用交會對接技術完成登月任務；③1981年4月至2011年7月，航天飛機共執(zhí)行了135次飛行使命，自1983年6月，在多次飛行使命中，每次至少進行過一次交會或鄰近運作；④民營企業(yè)進入主流航天事業(yè)，“龍”計劃一年發(fā)射2次，至今已成功發(fā)射3次（2012年5月，2012年10月，2013年3月），下一次發(fā)射（SpaceX 3）預計在2013年11月。美國交會對接技術特點如下：

（1）研發(fā)多種連接機構。美國成功研發(fā)與應用對接機構（“阿波羅”桿錐機構，APAS-75與APAS-89）及?？繖C構（CBM），并且，正致力于國際統(tǒng)一標準連接機構（NDS）的研發(fā)工作。

（2）多種交會敏感器并用。在航天飛機／ISS交會與鄰近運作中，應用Ku頻段交會雷達與“軌跡控制敏感器”激光雷達，并以“手持激光雷達”（HHL）等多種敏感器作備份。

（3）手動控制為主的控制模式。對航天飛機，限于當時的計算機性能，高水平定序的自動運作功能僅限于上升與進入階段，以及某些生命支持系統(tǒng)與熱控系統(tǒng)工況。在上升與進入期間，自動化全面控制航天飛機飛行軌跡，而乘員擔任監(jiān)視角色并準備應急下降模式。然而，在軌道運行段（包括交會對接運作）主要由乘員操作與控制；在航天飛機向空間站逼近的鄰近運作中，唯一的自動化項目是姿態(tài)機動，且仍需手動設置與啟動。

（4）后航天飛機時代的技術全面革新。后航天飛機時代的飛行器采用不同于航天飛機的設計理念，以優(yōu)于航天飛機的性能接替并擴展航天飛機的任務。相對早期飛船，新型飛船的特點是：①技術更新（如導航敏感器、連接機構、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、熱防護材料等）；②多重功能與用途；③可重復使用；④可靠性與安全性顯著提升。

（5）民企研制的新型飛船“龍”開始運作?！褒垺痹诤教祜w機退役后首先投入使用，其特點是：①具有“貨運構型”與“乘員構型”兩個型號，分別承擔貨物運輸與乘員運送任務；②為確保從貨運能力向載人能力的快速轉(zhuǎn)換，兩個型號的構型幾乎相同，只是“乘員構型”增加了乘員逃逸系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、船載控制器（需要時，乘員可從飛行計算機接管控制任務）等系統(tǒng)；③全自主交會對接，應用集成通用?？繖C構，需要時，有“弱沖擊對接系統(tǒng)”（LIDS）或“雌雄同體周邊裝配系統(tǒng)”（APAS）支持，且“乘員構型”具有航天員手動駕駛的能力；④可重復使用，“龍”的熱罩采用酚醛樹脂浸漬碳燒蝕材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA），后殼防護應用SpaceX專有燒蝕材 料（SpaceX’s Proprietary Ablative Material，SPAM）；⑤應用新型交會敏感器“龍睛”（DragonEye）?！褒埦Α睘椤凹す獬上駲z測與測距”（Laser Imaging Detection and Ranging，LIDAR）敏感器，導引“龍”逼近ISS?；趩蚊}沖激光，從“龍睛”到達目標并反射回的時間以及LIDAR 系統(tǒng)提供的3 維圖像，可獲得“龍”至ISS的測距與方位信息。

（6）研發(fā)3代視頻制導敏感器?！耙曨l制導敏感器”（VGS第1代）已在STS-87（1997年）與STS-95（1998年）航天飛機上進行了試驗，“先進視頻制導敏感器”（AVGS第2代）也在“自主交會技術驗證”（2005年）與“軌道快車”（2007年）進行了試驗，“下一代先進視頻制導敏感器”（NAVGS第3代）用于后航天飛機項目之中。NAVGS與專用“激光測距儀”（LRF）連用，可完全實現(xiàn)任一飛行器與合作目標的自動／自主對接。在NAVGS／LRF 系統(tǒng)中，LRF提供初始測距信息并效驗NAVGS獲取的數(shù)據(jù)。

2．2 蘇聯(lián)／俄羅斯［7-9，26-27］

蘇聯(lián)／俄羅斯的聯(lián)盟號與進步號飛船安全、可靠，為和平號空間站與“國際空間站”的組建與運作作出了突出貢獻。目前，俄羅斯正在對對接機構、交會敏感器等關鍵硬件進行技術更新，為新型航天器的研制進行技術準備。

蘇／俄交會對接重要事件有：①1967年10月，無人飛船宇宙-186與宇宙-188對接（世界首次自動交會對接）；②1969年1月，聯(lián)盟-4與聯(lián)盟-5飛船實現(xiàn)載人交會對接與乘員艙外轉(zhuǎn)移；③1978年1月，進步-1貨運飛船與禮炮-6空間站自動對接，并轉(zhuǎn)移燃料；④1987年2月，聯(lián)盟TM 飛船首次發(fā)射，將2名航天員送到和平號空間站，執(zhí)行長達11個月的使命；⑤航天飛機退役后，聯(lián)盟TMA-M 飛船承擔了所有ISS乘員運送任務。蘇／俄交會對接技術特點如下：

（1）主動式C 頻段交會雷達系統(tǒng)。聯(lián)盟號與進步號飛船向ISS的交會對接，成功應用主動式C 頻段交會雷達，即“航向”（Kurs）自動交會系統(tǒng)。

（2）快速交會對接飛行技術。2012年8月1日，進步M-16M 貨運飛船在繞地球軌道飛行4 圈后，成功與ISS對接，這是俄羅斯首次嘗試在飛船發(fā)射后6 小時與ISS 對接（以往需2 天時間）。2013年3月28日，這種飛行模式首次用于載人飛船（聯(lián)盟TMA-08M）向ISS的交會對接。這種快速交會對接模式，不僅是軌道設計問題，更本質(zhì)的是折射出俄羅斯在航天器絕對狀態(tài)（軌道與姿態(tài)）與相對狀態(tài)的測量與控制方面的先進水平。

（3）自動控制為主的控制模式。俄羅斯飛船以自動控制為主；應急情況下，飛船乘員可使用手控器介入，空間站乘員也可應用“遙控操作交會單元”介入飛船控制，以確保飛行安全。

（4）繼往開來的混合對接系統(tǒng)。聯(lián)盟號與進步號飛船曾長期應用不斷改進的桿錐系統(tǒng)，現(xiàn)在，“俄羅斯混合系統(tǒng)”已用于新型號“聯(lián)盟TMA”系列飛船，也計劃用于未來的飛行器上。混合對接系統(tǒng)可能是俄羅斯傳統(tǒng)的桿錐（中心）對接機構向未來的周邊連接機構的過渡。

（5）聯(lián)盟號飛船最新型號聯(lián)盟TMA-M 飛船擁有先進的飛行控制計算機，并按所謂“開放式體系結構”（Open Architecture）建造，被非正式地稱為“數(shù)字聯(lián)盟”（Digital Soyuz）。

（6）研發(fā)“新一代有人操作的運輸飛行器”（PTK NP）。鑒于聯(lián)盟號與進步號飛船趨于老化，俄羅斯提出“未來有人操作的運輸系統(tǒng)”（PPTS）規(guī)劃，包括更大推力的Rus-M 火箭與PTK NP，計劃于2018年進行首次載人發(fā)射。這項規(guī)劃不僅可顯著提高俄羅斯的地球軌道運輸能力，而且為俄羅斯未來的載人登月與載人登火星使命開辟道路。新研發(fā)的運輸飛行器的主要特點如下：①新飛行器是具有氣動控制表面的升力體；②大部分可重復使用（可能采用防熱瓦代替燒蝕材料）；③具有載人與運貨雙重功能；④適應從地球軌道以外返回的超高速再入；⑤近距離交會應用激光交會敏感器，以取代微波雷達系統(tǒng)，減輕飛行器質(zhì)量。

2．3 歐洲［1，4，8-9，28-29］

歐洲航天局（ESA）借鑒中斷的Hermes-Columbus項目取得的成果，研發(fā)“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV），在航天飛機退役后的空檔期，參與ISS貨運船隊。ATV 計劃飛行7 次，為ISS 提供貨運服務。ATV-1（2008年3月）、ATV-2（2011年2月）、ATV-3（2012年3月）已成功完成飛行任務。目前，ESA 也在研發(fā)“先進再入飛行器”貨運系統(tǒng)及載人再入飛行器。歐洲ATV 系列具有下列技術特點：

（1）以相對GPS與激光敏感器“交會對接敏感器”（Rendezvous and Docking Sensor，RVS）為主的多種相對導航手段。對遠距交會，ATV 首次應用相對GPS技術實現(xiàn)自主導航與飛行控制監(jiān)測。對近距交會與最終逼近，ATV 首次完全基于光學RVS執(zhí)行任務。RVS 是歐洲自主研發(fā)的，有視頻儀（Videometer）與遠距測向儀（Telegoniometer）兩類系統(tǒng)；ATV 應用前者實現(xiàn)自主導航，應用后者進行飛行控制監(jiān)測。此外，俄羅斯的“航向”系統(tǒng)與“國際空間站”上的攝像機，為這兩個系統(tǒng)提供支持。

（2）多重故障自檢與避險功能。ATV 自身具有3重故障檢測功能，即“使命與飛行器管理”，“飛行控制監(jiān)測”，以及“鄰近飛行安全性”，此外，船上還可自主觸發(fā)“避撞機動”。“ATV 控制中心”與ISS乘員參與相對軌跡監(jiān)測，在緊急情況下也可直接觸發(fā)“避撞機動”。

（3）自動控制為主的控制模式。交會對接運作以ATV 的自動控制為主，ISS乘員可實時監(jiān)測飛行狀態(tài)，并在必要時介入飛行控制。

（4）自主研發(fā)弱沖擊連接機構。目前，ATV 對接ISS俄羅斯艙段應用俄羅斯桿錐對接機構；但歐洲航天局（ESA）一直堅持自主研發(fā)弱沖擊“國際停靠對接機構”（IBDM），不久可投入使用。

2．4 日本［1，5，8，30-31］

1997年11月，日本發(fā)射工程試驗衛(wèi)星-7（ETSVII），進行在軌分離與交會對接及自動臂技術試驗。從2008年3月至2009年7月，“日本實驗艙”在軌組裝，成為ISS 的組成部分。此后，日本成功發(fā)射“轉(zhuǎn)移飛行器”HTV-1（2009年9月）、HTV-2（2011年1月）、HTV-3（2012年7月），?？縄SS，為ISS提供貨運服務。日本HTV 系列具有下列技術特點：

（1）R-bar逼近方式。按ISS ?？靠诘姆轿唬琀TV 沿R-bar（軌道徑向方向）逼近目標器ISS。相比V-bar逼近，R-bar逼近的技術難度較大。

（2）應用自動臂的停靠技術。HTV 停靠ISS應用自動臂與美國的“通用?？繖C構”（CBM）。除用于HTV 停靠外，自動臂還可大規(guī)模轉(zhuǎn)運不加壓貨物（HTV 不加壓貨艙中有外露貨盤）。

（3）應用GPS導航技術。HTV 地球敏感器組件提供姿態(tài)滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，由GPS接收機及陀螺儀與加速度計組成“空間集成GPS 與慣性導航系統(tǒng)”（SIGI），提供3軸姿態(tài)率，3軸加速度信息，以及可獨立應用的GPS導航解，偽距與偽距速率。

（4）最終逼近段應用歐洲的RVS。在最終逼近段，HTV 應用RVS，提供相對ISS激光雷達反射器的激光測距和視線角測量信息。

（5）以自動控制為主的控制模式。HTV 的ISS使命以HTV 飛船上的自動控制為主，ISS乘員實時監(jiān)測飛行狀態(tài)，并在必要時介入飛行控制。

2．5 中國

2011年11月，無乘員的神舟8號飛船與天宮1號空間實驗室成功實現(xiàn)自動交會對接。2012年6月，載人神舟9號與天宮1號交會對接，航天員進入天宮1號工作。通過神舟8號與神舟9號兩次飛行試驗，中國已掌握交會對接自動控制與手動控制技術。2020年前后，中國將建成長期運作的空間站。神舟號載人飛船的設計與飛行經(jīng)驗也將有助于研發(fā)貨運飛船，為組建大型空間站準備條件。中國神舟號飛船系列具有下列技術特點：

（1）對接機構：①神舟號飛船與天宮1號的對接機構是中國自主研發(fā)的產(chǎn)品；②對接機構借鑒了APAS-89設計理念，因此，國外稱它為“Chinese APAS”或“Shenzhou APAS-2010”；③目前應用的周邊對接系統(tǒng)還不是完全的“雌雄同體”（androgynous），還沒有實現(xiàn)對接系統(tǒng)的系統(tǒng)級冗余。

（2）交會測量設備：①神舟號飛船與天宮1號的交會對接，應用多種交會測量設備，包括微波雷達、激光雷達、CCD 光學成像敏感器、電視攝像機；②所有交會測量設備都是中國自主研發(fā)的；③最終逼近段的相對狀態(tài)控制主要依靠CCD 光學成像敏感器與電視攝像機。

（3）通信系統(tǒng)：中國自主研發(fā)的空空通信系統(tǒng)（天鏈-1中繼衛(wèi)星），連同地面與海上通信測量設施及飛船上的測量通信設備，圓滿完成交會對接的通信測量任務。

（4）控制技術：①中國已掌握交會對接全自動控制技術與飛船航天員手動控制技術；②神舟9號航天員具有高超的、世界一流的手動操作水平與優(yōu)秀的心理素質(zhì)；③在以后的例行飛行中，神舟號飛船將采用自控為主、手控為輔的方式，以減輕航天員的負荷。在自動控制出現(xiàn)故障的情況下，或遭遇突發(fā)事件時（如面臨軌道碎片碰撞危險），航天員將手動介入，確保飛行安全。

3 技術水平比較

總體上，美國與俄羅斯的交會對接技術處于世界領先水平，而中國、歐洲、日本的技術水平基本相當。本節(jié)從交會對接技術的發(fā)展歷程與技術特點，對美國與蘇／俄、歐洲與日本、中國的交會對接技術進行比較，分析中國的成就與差距。

3．1 美國與蘇／俄的比較［1，6-27］

3．1．1 相似點

（1）交會對接使命目標。美蘇研發(fā)交會對接最初都是為載人登月服務的，后來用于空間站使命。因此，美國與蘇／俄都是先研發(fā)載人飛行器及其交會對接技術。美蘇首先突破載人飛行器的地球大氣再入與軟著陸技術，繼而研發(fā)載人交會對接技術。

（2）美俄正在全面提升載人航天技術水平。美國后航天飛機時代的交會對接技術全面革新，特別是支持民營企業(yè)承擔商業(yè)運輸系統(tǒng)（“龍”與“天鵝座”）的總體設計與研制，加速載人航天事業(yè)發(fā)展。俄羅斯也在全面推進航天事業(yè)發(fā)展（包括新型發(fā)射飛行器、新一代空間運輸系統(tǒng)、新發(fā)射基地等），力爭保持航天強國地位。

3．1．2 不同點

（1）天地往返運輸系統(tǒng)。在1981年至2011年的30年期間，美國應用航天飛機作為空間站乘員與貨物的運輸工具，而蘇／俄分別應用聯(lián)盟號載人飛船與進步號貨運飛船。在后航天飛機時代，具有載人與運貨任務轉(zhuǎn)換功能的運輸系統(tǒng)，可能成為美俄的共同選擇。

（2）交會對接控制方式。美國航天飛機主要依靠手動控制，而俄羅斯載人飛船以自動控制為主。這種情況的出現(xiàn)是有其歷史淵源的：①美國以航天員手控交會為主的載人交會對接飛行進展比較順利，而且，后來研制的航天飛機承擔了載人與運貨雙重任務，無需再研制應用自動控制的貨運飛船；②相比美國，俄羅斯的載人交會對接飛行在起步階段遭遇船毀人亡的災難，轉(zhuǎn)而不得不進行依靠自動控制的無人交會對接飛行試驗，加之后來研制進步號貨運飛船的需要，因此而發(fā)展了自動控制技術。

（3）交會測量設備。俄羅斯主要依靠主動式微波雷達系統(tǒng)（“航向”系統(tǒng)）；美國在最終逼近段（從500m 至對接）主要依靠激光敏感器，包括軌跡控制敏感器（TCS）與手持激光雷達（HHL）。

（4）再入熱防護材料。歷史情況是：①為滿足軌道器可重復使用的要求，美國航天飛機應用陶瓷瓦的熱輻射防護方式；②蘇／俄飛船僅須保證航天員安全返回，返回艙不要求重復使用，因此，熱防護應用燒蝕材料。現(xiàn)在的技術狀況是：①燒蝕材料性能有所提升，可用于重復使用的返回飛行器；②通過航天飛機飛行，防熱瓦的熱輻射防護技術也有了改進。因此，出現(xiàn)了這樣有趣的事情：①美國“龍”飛船的熱罩采用“酚醛樹脂浸漬碳燒蝕材料”（PICA）；②俄羅斯未來的“新一代有人操作的運輸飛行器”有可能采用防熱瓦代替燒蝕材料。

3．2 歐洲與日本的比較［1，4-5，8-9，28-31］

3．2．1 相似點

（1）首先針對貨運飛船研發(fā)自動交會對接技術。歐洲與日本在ISS合作項目中，抓住美國航天飛機退役后的空檔期，優(yōu)先研發(fā)貨運飛船與ISS的交會對接技術，并應用俄、美的連接系統(tǒng)，及時地將飛行試驗與貨運任務結合在一起，在技術研發(fā)與經(jīng)濟效益上都取得圓滿成功。歐洲ATV 與日本HTV 貨運飛船當然以飛船上的自動控制為主，ISS 乘員實時監(jiān)測飛船的飛行狀態(tài)，可在必要時介入飛行控制。

（2）交會對接敏感器。ATV、HTV 與ISS的交會對接／?？慷紤妹绹腉PS導航技術及歐洲研發(fā)的RVS。RVS的特點是：①RVS是結合“電測掃描系統(tǒng)”（Galvanometric Scanning System）的“激光測距儀”（Laser Range Finder）；②從幾千米至對接，對相對距離與逼近方向的高精度測量；③對目標可自動捕獲，識別與跟蹤；④具有3D 成像能力。

（3）在ATV 與HTV 的基礎上，歐洲與日本將實施載人飛行計劃。

3．2．2 不同點

（1）最終逼近方向。由于對接／?？靠诘姆轿徊煌珹TV 沿軌道速度方向（V-bar）逼近ISS，與ISS對接；而HTV 沿軌道徑向（R-bar）逼近ISS，應用自動臂停靠在空間站。相對V-bar逼近，R-bar逼近難度較大。

（2）連接（對接／?？浚┫到y(tǒng)。與俄羅斯艙段對接的ATV，應用俄羅斯的桿錐對接系統(tǒng)；而HTV 應用美國的“通用?？繖C構”，停靠在日本艙段。相比對接運作，?？窟\作難度較大，需借助空間自動臂。與此相關的是，日本優(yōu)先發(fā)展了自動臂技術與?？考夹g；而歐洲跨越式發(fā)展航天器連接技術，對弱沖擊連接機構的研發(fā)取得顯著成績。

3．3 中國的成就與差距

在研發(fā)交會對接技術的起步方面，中國與美蘇有相似之處，即在突破載人飛船返回技術后研發(fā)交會對接技術；不同之處是，中國一開始就將交會對接飛行與實驗性空間站的運作結合在一起，連貫地通向下一步組建大型空間站的規(guī)劃。

3．3．1 成就

從神舟1號首次無乘員載人飛船飛行試驗，到神舟9號全員載人飛船與天宮1號交會對接，通過9次飛行，中國掌握了下列關鍵技術：①載人飛船的大氣再入與軟著陸技術；②艙內(nèi)環(huán)境控制與航天員生命保障技術；③航天員出艙活動技術；④完全自控交會對接技術；⑤航天員手控交會對接技術；⑥實驗性小型空間站的運作技術。由此可見，中國的載人航天采取穩(wěn)妥、安全、積極的發(fā)展策略。中國交會對接活動具有兩大特點：①安全，有序，高效；②借鑒國外經(jīng)驗，自主研發(fā)關鍵技術。

（1）安全性。中國首先研發(fā)自動控制技術，進行無乘員的載人飛船（神舟8 號）交會對接飛行試驗；在掌握自控技術的基礎上，進行有乘員的載人飛船（神舟9號）飛行，再次驗證自動控制技術，并進行手控交會對接試驗。首先，掌握自動控制方法，增強了載人交會對接飛行試驗的可靠性與安全性，而且，自動控制技術也是以后研發(fā)貨運飛船所必需的。中國未來的載人交會對接飛行，可以靈活應用自動或手控模式，無疑進一步提高了飛行控制的可靠性與安全性。中國始終將飛行安全性置于系統(tǒng)設計與飛行試驗的首位，只有在無乘員的模擬載人飛行不存在任何安全隱患的情況下，才實施載人飛行。在這一初期階段，中國比蘇聯(lián)做得安全、可靠。

（2）控制技術。中國依靠自主研發(fā)的交會敏感器與GNC 系統(tǒng)，以及地面模擬實驗系統(tǒng)，成功完成了交會對接控制任務。特別要指出的是：①神舟8號與天宮1 號均無乘員，是完全的自動交會對接；②神舟9號乘員組3 名航天員以高超而嫻熟的技術，成功完成手控交會對接任務，相對姿態(tài)的控制精度高達1度。相比之下，在ISS使命中，美國航天飛機有4名航天員參與手控交會對接運作，且有多種敏感器提供相對狀態(tài)信息，眩窗視野也比神舟飛船寬廣。此外，ISS上的航天員可起到監(jiān)視與應急介入的作用。由此可見，中國航天員具有世界一流的手動控制水平。

（3）對接機構。中國自主研發(fā)的的導向瓣內(nèi)翻式周邊對接機構，不僅圓滿完成神舟8號、神舟9號與天宮1號的對接任務，而且有利于今后研發(fā)性能更好的連接機構，因為未來的連接系統(tǒng)的主流是標準化對接面的“雌雄同體”周邊連接機構。相比之下，目前歐洲ATV／ISS 對接應用俄羅斯桿錐對接機構，日本HTV／ISS對接應用美國的通用停靠機構（CBM），都不是自主研發(fā)的。

3．3．2 差距

（1）時間的遲后。與美國、蘇／俄相比，中國載人航天及其交會對接技術的發(fā)展起步較晚。在發(fā)展歷程及交會航天器上，中國與蘇／俄有較多的相似之處：①中國神舟號飛船與蘇／俄聯(lián)盟TM 飛船相似（其中對接機構不同）；②中國天宮1號與蘇聯(lián)禮炮7號（蘇聯(lián)第二代空間站）技術水平相近；③中國計劃中的多艙空間站的規(guī)模與蘇／俄和平號空間站相近。因此，從以下時間節(jié)點，可以大致考察中俄兩國交會對接技術發(fā)展的時間差距：①天宮1 號（2011年）比禮炮7號（1982年）晚29年；②神舟9號對接天宮1號（2012年）比聯(lián)盟TM 飛船對接和平號空間站（1987年）晚25年；③中國未來的多艙空間站（2020年前后發(fā)射組裝）比蘇聯(lián)和平號（1986年開始發(fā)射組裝）約晚30多年。由此可見，中國交會對接活動比蘇／俄大約遲后25年至30年。但這并不意味中國交會對接技術落后這么多年，如前所述，在某些關鍵技術上，中國已接近甚至達到當前世界先進水平。

（2）技術的差距。相比美國與俄羅斯，當前中國交會對接技術的差距，可能主要體現(xiàn)在以下幾方面：①空間自動臂技術以及與此相關的?？考夹g；②相對導航敏感器（特別是新型激光敏感器）的性能；③周邊對接機構的性能；④在軌組裝大型空間站的相關技術；⑤面向未來空間活動的新技術與新材料的研發(fā)力度。

4 結束語

本文對美國、蘇／俄、歐洲、日本、中國五方的交會對接技術特點、水平進行了比較，并對未來交會對接技術的發(fā)展進行了展望，總結如下。

1）交會對接活動與技術特點

這里分別列出美、蘇／俄、歐、日、中最具代表性的交會對接活動與技術特點。

（1）美國：①“阿波羅”載人登月；②航天飛機／ISS；③高性能激光敏感器；④周邊對接機構（APAS）與停靠機構（CBM）以及研發(fā)中的“國際統(tǒng)一標準連接機構”（NDS）。

（2）蘇／俄：①聯(lián)盟號／進步號飛船及和平號空間站；②“航向”（Kurs）雷達系統(tǒng)；③桿錐對接機構與混合對接機構；④快速交會對接（軌道4圈，約6h）能力。

（3）歐 洲（ESA）：①ATV／ISS 貨 運 使 命；②ATV多重安全性設計；③兩類激光RVS（視頻儀與遠距測向儀）獨立、并行使用；④ATV（俄羅斯）桿錐對接系統(tǒng)以及研發(fā)中的“國際?？繉訖C構”（IBDM）。

（4）日本：①HTV／ISS貨運使命；②R-bar（沿軌道徑向）逼近；③?？考夹g（應用自動臂與通用?？繖C構）。

（5）中國：①神舟8號／神舟9 號飛船及天宮1號空間實驗室；②自控與手控交會對接技術；③多種交會測量設備；④導向瓣內(nèi)翻式周邊對接機構。

2）交會敏感器與連接機構

交會敏感器與對接／?？繖C構是交會對接的兩項關鍵硬件。交會敏感器是GNC 系統(tǒng)與安全性設計的基石，連接機構也直接關系到飛行任務的成敗與乘員的安全。

（1）交會敏感器。微波交會雷達與激光敏感器（激光雷達）是目前常用的兩種導航與制導交會測量設備。從性能、質(zhì)量、機動性等多方面考慮，以高性能激光敏感器為主的多重敏感器的聯(lián)合應用，可能是今后近距離交會測量技術的發(fā)展方向。

（2）連接機構。桿錐（中心）對接機構結構簡單，牢固可靠，至今仍在聯(lián)盟號／進步號飛船及歐洲“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）與ISS對接中應用。這種對接機構尤其適合空間站或其他大型飛行器的固定艙段的在軌組裝，但難以滿足未來空間飛行器之間的靈活機動的對接需求。周邊對接機構不僅為未來任意兩個飛行器之間的連接提供了便利，而且可實現(xiàn)弱沖擊（甚至無沖擊）的連接。盡管周邊系統(tǒng)是當前研發(fā)重點，但中心桿錐系統(tǒng)仍不失其應用價值。

3）中國與世界交會對接技術水平比較

總體上，中國與歐洲及日本的交會對接技術水平相當；但相比美俄，仍有比較大的差距。當前以及未來幾十年內(nèi)，美國與俄羅斯的航天技術仍將處于領先地位。歐洲與日本正在努力建立獨立的載人航天體系，且在交會對接的某些關鍵技術方面達到世界水平。雖然，歐洲與日本還沒有獨立地進行載人空間飛行，但歐、日在載人航天領域的研發(fā)力度與潛在實力不容低估。

中國自主、穩(wěn)健、高效地推進載人航天計劃，取得世人矚目的成就。雖然總體上，中國交會對接技術水平還不及美國與俄羅斯，但在某些方面已接近或達到世界一流水平。中國載人航天及其交會對接技術的發(fā)展，主要取決于國民經(jīng)濟的進一步增長，以及新技術（如弱沖擊連接機構，高精度激光敏感器，新型熱防護材料等）的自主研發(fā)與創(chuàng)新。參與國際合作項目將是促進載人航天技術發(fā)展的積極因素，世界載人航天也會因中國的參與而更加精彩。

4）展望未來

21世紀是人類飛出地球軌道建立永久性月球基地的時代，也是人類飛出地月空間建立永久性行星基地的時代?，F(xiàn)在，地球軌道上的交會對接技術已日趨成熟。展望未來，除了繼續(xù)提高地球軌道交會對接技術水平外，交會對接技術主要面向載人登月與載人登火星等行星際載人飛行使命。載人行星際飛行對航天技術提出全面而嚴峻的挑戰(zhàn)，包括：①高能（如核動力）推進系統(tǒng)；②大型空間運輸系統(tǒng)；③自主導航系統(tǒng)；④遠距測控系統(tǒng)；⑤星際航天醫(yī)學技術等。目前的適應地球引力場的航天技術水平，還不能將航天員送入地球引力場之外的行星際空間，一場航天技術革新的大潮已經(jīng)席卷而來。

為滿足未來空間使命需求，新型空間運輸系統(tǒng)具有下列特點：①一種飛行器可執(zhí)行多重使命（如地球軌道空間站使命，載人登月使命，載人登行星使命）；②運輸飛行器兼有載人與運貨雙重功能；③再入艙為主動式氣動控制的升力體，適應超高速再入，并可重復使用。

未來交會對接技術的發(fā)展趨勢是：①全“自動／自主”（automated／autonomous）的交會對接運作；②乘員可應急介入交會對接運作；③相對導航主要應用高性能的激光敏感器（如“視頻制導敏感器”等）；④采用國際統(tǒng)一的（標準化）弱沖擊對接／停靠機構；⑤通過硬件與軟件兩方面的改進與更新，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的多重冗余，確保飛行安全。除了上述事項外，非合作目標的交會對接技術應受到更大的關注，因為這項技術直接關系到太空救援問題，尤其是在即將到來的行星際航行時代。此外，面對行星際航行的新概念、新方法、新材料正在進一步加快探索與研究試驗之中。

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