空間交會對接:太空演繹“高難度”

□ 一 林

我國已宣布將于今年下半年擇機發射天宮一號目標飛行器和神舟八號載人飛船，在軌道上進行首次空間交會對接試驗。這將是我國載人航天發展史上又一重要里程碑，也是世界載人航天史上的一件大事，勢必引起國人和世人的密切關注。

空間交會對接試驗吸引人們關注的重要原因不僅是空間交會對接的意義重大，而且更主要的是它是一項用途很廣、難度極高的關鍵技術。

空間交會對接的用途

空間交會對接是指兩個航天器，例如兩艘飛船或一艘飛船與一個空間站，在太空中先會合，再對接。

空間交會對接包括前后銜接的兩項操作：“交會”是指兩個航天器在同一時刻到達軌道上同一位置，且速度相等，?？吭谝黄穑弧皩印笔侵竷蓚€航天器相互碰撞接觸，連接成一個剛性的整體。

實現空間交會對接是建造和利用載人空間站，進一步實現載人月球、載人火星等航行，推進載人航天事業持續發展不可逾越的一步。

掌握空間交會對接技術是建造空間實驗室和空間站的先決條件。交會對接技術主要用于以下幾個方面：

① 運送和接返航天員的載人飛船或航天飛機需要同空間實驗室或空間站實現交會對接，以便航天員進入或離開空間實驗室或空間站。

② 運送給養和物資的貨運飛船需要與空間實驗室或空間站交會對接，以便向空間實驗室或空間站補充給養和物資。

③ 在緊急情況下，營救航天員的救生飛行器必須與在軌道上遇險的飛船、空間站或空間實驗室進行交會對接。

④ 建造國際空間站等特大型航天器，需要化整為零，將組成航天器的艙段和構件，分批送入軌道，在太空中裝配。從地面發射上天的艙段、構件需要與在軌的艙段、構件交會對接。

空間交會對接的難點

兩個航天器在太空實現交會對接是一項非常復雜、難度極高的技術。

難點之一：航天器以極高的速度運行，而且需要6自由度控制

美國“雙子星座”飛船與“阿金納”火箭交會

對接在國際空間上的航天器

準備交會對接的兩個航天器都是以極高的速度在太空飛行。如所周知，兩輛時速為200千米的汽車在高速公路上行駛時，為保證安全，兩車之間必須保持至少200米的距離，焉敢并駕齊駛，更不用說在行駛中會合對接，這樣做豈非玩命！航天器在軌道上運行的時速高達28000千米，是汽車速度的100多倍，讓這樣兩個高速運動的物體進行交會并對接起來，是何等的危險和艱巨！如果說，兩輛汽車在公路交會需要控制汽車的前后、左右2個方向的位置和速度，那么，兩個航天器在軌道上交會，除需要控制前后、左右外，還要控制上下方向，也就是3自由度控制；如要實現對接，還要增加3個轉動自由度的姿態控制。

難點之二：邊環繞地球運行，邊進行交會

航天器必須在服從環繞地球運行規律的約束下實現交會，即邊環繞地球，邊縮短距離。現以兩艘飛船即一艘目標船、一艘追蹤船為例說明邊環繞、邊交會的過程。目標船已經在軌道上或者先行送入預定軌道（為簡單起見，假定為圓軌道）；追蹤船后發射，首先要用運載火箭將它送入與目標船相同的軌道，這已經不容易。追蹤船即使進入了同一軌道，一般情況下也不可能到達與目標船同一個位置。假定目標船在前，追蹤船在后。

追蹤船要追上目標船，不能像地面車輛或空中飛機那樣，對準目標加速飛去，因為追蹤船一旦加速，它就離開原來軌道，進入另外一條較高的橢圓軌道。為了縮短距離，追蹤船應該減速，使自己進入一條比原軌道略低的橢圓軌道，使軌道周期縮短。這樣，兩艘船各自繞地球運行的同時，相互間的距離（技術上常用“相位差”表示）就會縮短（相位差縮小），經過幾次這樣的調整（技術上稱為“調相”），才能逐步在軌道上到達同一位置。

追蹤船與目標船的交會對接一般分成四步：

神舟八號

第一步：追蹤船在地面測控站的指揮控制下，完成幾次加速或減速，使兩船之間的距離縮短到10千米~100千米。這時，追蹤船上的交會雷達開始跟蹤目標船。

第二步：追蹤船靠自己的交會雷達測量到目標船的距離，按照“邊環繞，邊接近”的規律，引導追蹤船靠近目標船，使距離縮短到幾百米。

第三步：追蹤船繼續調整軌道，使兩船的距離縮短到10米左右，并調整姿態，使兩艘船的縱軸平行。

第四步：當追蹤船上的接近敏感器測出與目標船的距離已縮短到只有幾十厘米，相對速度小于幾十厘米/秒，兩船的縱軸對齊時，發出對接信號，對接機構上的撞鎖打開，兩船碰撞，對接機構接觸、嚙合、鎖定，并完成各種管道、線路的連接。

難點之三：超高精度的測量與控制

載人飛船在實現交會對接時，可以采取自動方式，也可以采取人工手動方式。無論是自動還是手動，追蹤船上都必須裝有超高精度的距離、速度和姿態的測量和控制系統。以俄羅斯的聯盟號飛船為例，船上裝有名為“航向”的自動交會對接系統，配備有微波雷達，GPS測距器、激光測距儀、接近敏感器等設備；僅天線就有8副，分別用于交會過程不同階段、不同距離的測控。這個系統在目標航天器距離為400千米時開始工作。微波雷達從200千米開始引導飛船向目標航天器靠攏，到距目標37千米時，轉由激光測距儀、接近敏感器進行精確測量，并由3臺計算機進行導航和控制。

“航向”交會對接系統在目標距離為100千米~75千米范圍內時，距離測量精度為0.5米，速度測量精度為0.02米/秒，角度測量精度0.3°。當距離縮小到10米以內時，測距精度為距離的10-2~10-3，測角精度為0.05°。

難點之四：復雜而精巧的對接機構

航天器上專門用來與另一航天器對接的對接機構是一種非常復雜而又十分精巧的活動機構，由十幾個活動部件組成。一次對接過程要完成十幾個動作。理論和實踐都證明：在太空高真空、超低溫、微重力的條件下，機械活動部件最容易出故障，航天器上的活動部件和機構一向是航天設計師特別關注的關鍵環節。

神舟八號和天宮一號空中交會示意圖

停泊在空間站上的日本H-2飛船

目前使用的最先進的對接機構是由構造完全相同的兩半組成，追蹤航天器和目標航天器上各裝一半，稱為“異體同構”。所有的定向、引導、抓獲、伸展、收縮、阻尼，鎖定、解鎖、分離等十幾種活動和動力部件，都必須置于四周，構成一個環形對接框，所以這種機構稱為“異體同構周邊”對接機構。機構中央形成一個直徑1米大小的通道，以便兩航天器對接后，航天員及其他物體可以通過。對接后的通道必須密封，以保證載人航天器座艙的大氣無泄漏。對接機構既要使兩航天器牢固鎖定，連接成一個剛性整體，又要在分離時，能方便地解鎖、脫開，并能多次完成對接、分離的功能。

兩航天器每一次交會對接需要經過多次加速或減速，調整姿態，歷經數小時，甚至十幾小時。有時一次對接不上，則需要調整軌道，再次對接，甚至多次對接嘗試。由于每次對接都要消耗推進劑，載人航天器攜帶的推進劑有限，必須保證最后一次對接嘗試，無論成功失敗，追蹤航天器應留有足夠的推進劑，以便航天器能分離、減速、脫軌、調整姿態和返回地面。若最后一次仍對接不成，則對接失敗，追蹤航天器就不得不返回地面。不過，迄今為止，這種完全失敗的情況是極少的。絕大多數情況都一次成功，只有很少幾次是經過2次或多次嘗試才對接成功的。

地面仿真試驗

對接了多個實驗艙的和平號空間站

美國的阿波羅飛船與蘇聯的聯盟號飛船實現在軌交會對接

兩航天器在空間交會對接是復雜的航天動力學與航天控制技術。為了盡快掌握這項技術，保證在太空的交會對接試驗能取得成功，需要預先在地面實驗室進行仿真試驗。仿真試驗包括建立兩個航天器動力學與控制的數學模型，用計算機進行交會對接的數學仿真；實驗室的設備條件成熟時，可用有6自由度或12自由度的航天器實物模型和對接機構實物進行碰撞對接試驗。目標航天器模型固定不動，追蹤航天器模型運動，有6個自由度；若兩個航天器模型都運動，則共有12個自由度。自由度越多，控制越復雜，試驗難度也越大。

空間交會對接的發展

歐洲“自動轉移飛行器”與國際空間站進行對接

最先掌握空間交會對接技術的是美國。1966年3月，美國的雙子星座8號載人飛船與“阿金納”目標航天器，在航天員手動操作下，完成世界上首次（手動）交會對接，為“阿波羅”登月飛船在飛行過程中的2次對接奠定基礎。第一次是在環地軌道上，“阿波羅”飛船的指令艙-服務艙與登月艙分離，調頭180°后，再次與登月艙對接；第二次是登月艙從月面返回到環月軌道上，與指令艙-服務艙實現交會并對接。

1967年10月，蘇聯“宇宙186”和“宇宙188”兩艘無人飛船在軌道上完成了世界上第一次自動交會對接。1969年1月，“聯盟4號”和“聯盟5號”二艘飛船成功地進行了手動空間交會對接。從1971年發射成功第一個空間站“禮炮1號”以來，蘇聯/俄羅斯的聯盟號載人飛船與禮炮1號~7號、和平號空間站進行了近百次兼有自動和手動的交會對接；進步號貨運飛船與空間站進行了約90次的無人自動交會對接。載人飛船和貨運飛船交會對接的成功率均達到95%以上。

1975年7月，美國的阿波羅飛船與蘇聯的聯盟號飛船在太空實現了交會對接，兩國航天員在太空握手。在當年的冷戰時代，美、蘇兩個超級大國“太空握手”，一時引起轟動，被認為是世界局勢出現緩和的征兆，是政治上的重大突破。同時，這也是技術上的新突破。兩國的飛船在結構上、艙內氣壓體制上均不相同。為了實現對接，研制了一種雙方均能使用的、也就是前文所述的“異體同構周邊”對接機構，對接機構中間的密封通道，作為兩飛船之間的過渡段，它的一端連接使用1/3大氣壓純氧大氣的“阿波羅”，另一端連接一個大氣壓氮氧混合大氣的“聯盟號”。

自九十年代末以來，俄羅斯的聯盟號載人飛船和進步號貨運飛船，以其高度成熟的空間交會對接技術，為“國際空間站”進行了數十次送接航天員，補充給養、物資，帶走垃圾廢物，尤其是在航天飛機失事停飛期間，為維持“國際空間站”的建造和應用，避免工程中斷，發揮了無可取代的作用。

美國自1970年起致力于發展和使用航天飛機。自放棄“天空實驗室”空間站后，一直沒有進行過空間對接的活動。為了檢查、維修或回收軌道上的故障航天器，用航天飛機與衛星進行過多次交會，但沒有對接過。與俄羅斯相比，對接經驗不足。

空間交會對接是建造“國際空間站”的必由之路。“國際空間站”由幾十個艙段和桁架、太陽電池陣、可移動機械臂等大型構件組成。這些艙段和大型構件，由于尺寸大，重量重，只有用航天飛機才能將它們運送到軌道上，與在軌的艙段、大型構件或半成品空間站交會對接。為取得兩航天器對接的經驗，美國在“國際空間站”開工建造之前，從1995年到1998年間，用航天飛機與俄羅斯和平號空間站先后進行了9次交會對接演練，掌握了對接技術。此后，在“國際空間站”建造的十多年間，順利地完成了與“國際空間站”的全部交會對接任務，為“國際空間站”建造立下了不朽的功勛。

歐洲空間局先后發射了兩個“自動轉移飛行器”——凡爾納號和開普勒號，實現了與“國際空間站”交會對接，為后者運去物資給養；日本較早在1998年成功進行了無人航天器的自動交會對接試驗，現已發射過2艘H-2轉移飛行器，也實現了與“國際空間站”交會對接，為空間站運送物資及進行技術試驗。

禮炮7號空間站與聯盟號飛船對接后在軌飛行

空間交會對接技術是空間站建設的基礎

我國目前正在執行載人航天工程第二期的任務，最終目的是建立短期有人照料、長期自主飛行的空間實驗室，開展一定規模的空間應用。我國載人航天工程第三期的目標是建造長期性載人空間站，開展較大規模的空間應用。為此，需要用載人飛船和貨運飛船作天地之間的運輸器，為空間實驗室和空間站運送和接回航天員，補充各種物資和給養。即將進行的天宮一號目標飛行器和神舟八號載人飛船的空間交會對接試驗，就是為了掌握這項復雜的技術。我國已順利地完成了載人航天工程第一期全部和第二期第一步的建設任務，取得了從“神舟一號”到“神舟七號”飛船多種狀態下的飛行經驗和試驗成果。我國的首次空間交會對接試驗將為空間實驗室和空間站的建造和應用奠定技術基礎，也將為未來開展載人月球、火星航行等創造條件。

美國和蘇聯兩國工程人員正在對對接機構進行測試

國際空間站與哥倫布號實驗艙對接