蘇/俄交會對接技術研究

朱仁璋 王鴻芳 肖清 徐宇杰

（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[1-16]

在將近半個世紀的歲月中，蘇/俄在地球軌道運輸飛船與空間站領域取得了令人矚目的成就。對于開拓天疆的航天先驅者而言，挫折、失敗甚至付出生命的代價，實難避免。像富于創新精神的美國人一樣，蘇/俄人民同樣為人類探索宇宙作出了開創性的巨大貢獻。

1957年10月，蘇聯將齊奧科夫斯基的航天理論變為現實，發射了世界上第一顆人造衛星，并在不到4年的時間內實現了載人空間飛行。在聯盟-1航天員犧牲半年后的1967年10月，宇宙-186與宇宙-188（不載人“聯盟”原型飛船）成功實現世界上首次兩艘飛船之間的自動交會對接。1969年1月，蘇聯成功執行了聯盟-4與聯盟-5交會對接與乘員艙外轉移使命，這是蘇聯首次載人對接。1971年，聯盟-10飛船應用自動交會對接系統，進入禮炮-1空間站180m 范圍內；隨后，一名航天員掌控飛船完成對接。

在經歷1971年6月聯盟-11失事（導致3名航天員喪生）的重挫后，蘇聯將“聯盟”改型為執行單一運輸使命的“聯盟渡船”，并在1973-1974年進行了幾次飛行，準備1975年7月的“阿波羅-聯盟號試驗項目”（ASTP）飛行。在“阿波羅-聯盟號試驗項目”最初的對接過程中，“阿波羅”作為主動飛行器；而在之后的使命中，聯盟號作為主動飛行器，進行兩艘飛船的分離與再對接。1975年9月，宇宙-772（無人聯盟號飛船）自動對接禮炮-4空間站，以驗證自動交會對接技術，用于未來的無人飛行（如進步號貨運飛船）。

在20世紀70年末、80年代初，“聯盟”飛船發展為聯盟號載人飛船與進步號貨運飛船兩個系列，分別為空間站提供乘員運送與物資補給服務。1978年1月，第一艘進步號貨運飛船同禮炮-6空間站對接并轉移燃料。自此，聯盟號和進步號系列飛船與蘇/俄空間站計劃一同發展，成為可靠、有效的空間運輸系統。聯盟號和進步號系列飛船不僅為“國際空間站”（ISS）的組裝與運作作出巨大貢獻；而且在美國航天飛機退役后，聯盟號飛船成為目前向“國際空間站”運送航天員的唯一工具，進步號飛船與歐洲航天局“自動轉移飛行器”（ATV）及日本“H-2轉移飛行器”（HTV）一起，組成“國際空間站”物資運輸船隊。

在蘇聯空間規劃進程中，自動對接系統日趨成熟。早期的“指針”（Igla）交會導航系統已經被現在的“航向”（Kurs）交會導航系統代替。這兩個系統都是雷達導航系統，根據天線信號的強度變化計算航天器間的相對位置。聯盟號和進步號飛船向空間站的交會逼近，采用雙共橢圓軌道與繞飛策略。

現在，俄羅斯已在研制接替聯盟號和進步號飛船的新一代運輸系統，這不僅將有力地增強地球軌道運輸能力，而且直指俄羅斯未來的載人月球使命與載人火星使命。

2 聯盟號與進步號飛船簡史

從20世紀60年代初計劃的“聯盟繞月飛行器”中的聯盟-A開始，蘇/俄飛船歷經改進，演變為許多型號。航天器型號的設計編號（如7K，7K-OK 等）是科羅廖夫設計局（OKB-1）建立的，所有聯盟號與進步號飛船都應用“7K”編號，表示由該局設計的第7類載人或與載人相關的飛行器，“K”在俄語中代表корабль（飛船）。在蘇聯解體后，這種編號方法就不再使用了。圖1描述了作為空間站運輸工具的聯盟號與進步號飛船的主要發展歷程。

圖1 蘇/俄聯盟號系列載人飛船與進步號系列貨運飛船的主要型號Fig.1 Main variants of Soviet/Russian Soyuz/Progress as transport spacecraft

2.1 早期月球計劃與聯盟-A[8-9]

2.1.1 聯盟繞月建議

“聯盟繞月飛行器”（Soyuz Circumlunar Spacecraft，SCS）建議是1962年蘇聯科羅廖夫設計局總設計師科羅廖夫（S.P.Korolev，1907-1966）提出的，1964年被取消。“聯盟繞月飛行器”的設計目的是將航天員送入繞月飛行軌道，它由3艘飛船組成（見圖2），即聯盟-A、聯盟-B與聯盟-V。其中：聯盟-A是載人飛船，可將一名航天員送入地球軌道，并與已在軌運行的聯盟-V（空中軌道加注飛船）對接，補充加注燃料；聯盟-B 實際上只是一個助推火箭，一旦3艘飛船在軌對接在一起，聯盟-B 發動機就點火，將組合飛行器送入地月轉移軌道。

值得注意的是，聯盟-A為以后聯盟號載人飛船的設計打下了基礎：①聯盟-A采用3艙構型，即由下降艙、軌道艙與推進艙組成；②聯盟-A下降艙應用燒蝕防熱結構；③聯盟-A軌道艙可作為航天員出艙的氣閘艙。

圖2 “聯盟繞月飛行器”[8]Fig.2 Soyuz Circumlunar Spacecraft

2.1.2 科羅廖夫登月計劃

科羅廖夫的登月計劃在“聯盟繞月飛行器”取消后提出，整個飛行器由軌道器、著陸器與助推器三部分組成。其飛行程序如下：①飛行器進入地球軌道后，助推器點火將飛行器送入地月轉移軌道；到達月球引力范圍后，助推器再次點火，進入月球軌道。②在月球軌道上，一名航天員離開軌道器，通過艙外太空行走進入著陸器；然后，著陸器與軌道器和助推器的組合體分離，下降到月球表面，而另一名航天員留在軌道器內。③月面使命結束后，著陸器搭載登月航天員返回到月球軌道，并和軌道器與助推器的組合體交會對接；登月航天員經由艙外行走從著陸器回到軌道器，與同伴會合。④助推器再次點火，進入返回地球的轉移軌道。這項載人登月計劃在1963年12月獲批，導致聯盟-A重新設計，并被命名為“聯盟”。登月使命計劃應用聯盟號飛船在地球軌道進行交會對接試驗（類似美國“雙子座”飛船）。1970年，在美國“阿波羅”飛船成功登月后，這項登月計劃被中止。

2.1.3 “聯盟探測器”

“聯盟探測器”（Soyuz Zond，見圖3）的設計目的是向月球載運航天員并返回地球。這項設計基于聯盟-A與“聯盟”飛船，基本上是從“聯盟”飛船的設計中剝離下來的，僅含服務艙與下降艙，沒有前面的軌道艙（生活艙）。在原軌道艙位置安裝了一個錐形對接環與一副突出的大型天線；此外，“聯盟探測器”裝備新型發動機，以滿足地月轉移的動力需求。“聯盟探測器”有兩個型號，即7K-L1P（用于繞月使命）與7K-L1S（用 于 登月 使 命）。1968年9月15日，“聯盟探測器”成功執行了世界上首次繞月飛行。所有“聯盟探測器”飛行都是無人的，這個項目在1970年隨蘇聯登月計劃的終止而被取消。

圖3 “聯盟探測器”飛船[9]Fig.3 Soyuz Zond spacecraft

2.2 聯盟號載人飛船系列[8-12，17-22]

2.2.1 “聯盟”飛船

“聯盟”飛船具有高度機動能力，可乘坐3名航天員，在地球軌道執行交會對接與太空行走運作，支持載人登月計劃?！奥撁恕憋w船沿襲聯盟-A的3艙構型，外觀與聯盟-A相似，只是軌道艙外形更像葡萄，而不是原來的圓筒形。軌道艙頂端是柱形對接環，下降艙與服務艙使用網格結構相連，而舍棄笨重的連接環。“聯盟”飛船采用桿錐對接系統，有兩個型號，分別裝備對接系統主動部分與被動部分?！奥撁恕憋w船的對接系統不允許航天員在內部從一艘飛船轉移到另一艘飛船，轉移須通過艙外太空行走實現。1967年4月聯盟-1失事，此后曾多次進行宇宙號（無人）飛船對接試驗，為后來的載人飛行掃清道路。1969年1月，聯盟-4與聯盟-5成功執行了交會對接與航天員艙外轉移使命（見圖4）。

圖4 將要對接的聯盟-4與聯盟-5飛船示意圖[11]Fig.4 Drawing of Soyuz-4and Soyuz-5about to docking

在蘇聯中止登月計劃后，“聯盟”飛船附加改進的對接系統（對接后可形成內部轉移通道），并將軌道艙由工作區轉為貯物區，為禮炮號空間站服務。1971年4月19日，世界上第一個空間站禮炮-1發射；4月23日，3名航天員乘坐聯盟-10飛向空間站。聯盟-10飛船雖然與禮炮-1 空間站成功對接，但乘員未能進入空間站，而是在被迫解除對接后返回地球。1971年6月，聯盟-11飛船與禮炮-1空間站對接，乘員進入空間站；但在返回過程中下降艙泄漏，導致3名航天員喪生。這次災難性事故迫使“聯盟”飛船全面修改設計，并將飛船功能僅限于為空間站提供運輸服務，這就是“聯盟渡船”。2.2.2 “聯盟渡船”型飛船

“聯盟渡船”（Soyuz Ferry，見圖5）功能單一，僅作為空間站乘員與供給品的運輸工具。與“聯盟”飛船相比，“聯盟渡船”的主要修改如下：①去掉太陽翼，改用蓄電池以增加貨運能力。這意味著，除非飛船與空間站對接，否則飛船的運作時間不超過4天。②應用新的“指針”自動對接系統與禮炮號新的對接硬件。新對接硬件去掉了老的對接環，軌道艙縮短，但內部容積不變。③吸取聯盟-11教訓，航天員在發射與再入期間需穿上航天服，因此，乘員由3名（不穿航天服）減為2名（穿航天服）。1974年7月，“聯盟渡船”型飛船聯盟-14首次與禮炮-3（“鉆石”型軍用空間站）對接，并在空間站?？?6天。圖6為聯盟-26（“聯盟渡船”型）對接在禮炮-6空間站后對接口上。

圖5 “聯盟渡船”型飛船[11]Fig.5 Soyuz Ferry spacecraft

圖6 聯盟-26（“聯盟渡船”型）對接在禮炮-6空間站的后對接口上[8]Fig.6 Soyuz-26（a Soyuz Ferry spacecraft）being docked at the rear part of the Salyut-6space station

2.2.3 聯盟-ASTP飛船

聯盟-ASTP（見圖7）是為執行聯盟號飛船與阿波羅飛船的聯合飛行使命（Apollo-Soyuz Test Project，ASTP）而研制的聯盟號系列飛船。聯盟-ASTP由“聯盟渡船”改型而來，其主要修改包括：①裝備新的ASTP通用對接系統；②改進生命支持系統，可支持4名乘員；③裝備一組新設計的太陽翼。1975年7月，聯盟-19與阿波羅-18 先后發射，在軌成功進行了交會對接與再對接飛行（見圖8）。

圖7 聯盟-ASTP飛船Fig.7 Soyuz-ASTP spacecraft

圖8 “阿波羅”飛船與聯盟-ASTP飛船的聯合飛行Fig.8 Join flight of Apollo and Soyuz-ASTP spacecraft

2.2.4 聯盟-T 飛船

聯盟-T 在“聯盟渡船”基礎上作出了很大的改進，包括發動機系列、著陸火箭與發射逃逸塔。它可載運3人一組或2人一組的乘員以及貨物箱。其特點是：①裝備新型“氬”（Argon）數字計算機；②應用全自動飛行控制系統；③與“聯盟渡船”相比，在服務艙重新安裝一對太陽翼。航天員特別喜歡的一項改進是下降艙上的一對護罩。在再入地球大氣期間，護罩可下降覆蓋在下降艙的舷窗孔上。一旦下降艙的護罩被拋掉，航天員便可透過舷窗監視著陸過程；而在以前，舷窗孔常在再入過程中被燒成炭黑，乘員不能通過舷窗觀察。另一項創新是，下降艙與服務艙組合體可與軌道艙分離，這不僅可作為解除對接故障的應對措施，而且在需要時可使軌道艙?？吭诳臻g站，作為空間站的一個新艙段。

2.2.5 聯盟-TM 飛船

聯盟-TM（即聯盟-T Mir，見圖9）是為和平號（Mir）空間站運送乘員而設計的聯盟號系列飛船。和平號為組合式空間站，由多達5個禮炮號型空間站組成，這些艙段在中心體（核心艙）周圍對接為一體。為給這一新型空間站提供服務，蘇聯再次改進聯盟號飛船，研制出聯盟-TM。聯盟-TM 裝備了新型“航向”交會雷達系統與新型計算機系統。這兩項新技術可使聯盟號飛船在任何相對姿態下與和平號空間站對接。

1987年2月6日，聯盟-TM 飛船首次發射，將兩名航天員送到約1年前發射的和平號空間站，執行長達11個月的使命。兩名航天員于1987年4月11日進行艙外活動，排除故障，完成了和平號空間站第一個擴展艙段量子-1（Kvant-1）的安裝。1995年3月14日，聯盟TM-21發射，載運一名美國航天員飛向和平號空間站；1995年7月7日，在航天飛機首次與和平號空間站對接后，這名航天員乘坐亞特蘭蒂斯號（Atlantis）航天飛機返回地球。在這次使命中，“航向”系統在飛船與空間站的再對接中起到了重要作用。

圖9 聯盟-TM 飛船Fig.9 Soyuz-TM spacecraft

2.2.6 聯盟-TMA飛船

聯盟-TMA（見圖10）是聯盟-TM 的改進型，作為“國際空間站”的救生船，可在軌運作200天。聯盟-TMA的基底比聯盟-TM 略寬，以適合美國航天員使用。雖然聯盟-TM 最初也用于相同的目的，但作為美國航天員的救生船尺寸略小，因為美國航天飛機乘員艙相對寬敞，所以對美國航天員的身高沒有限制，聯盟-TMA就解決了這個問題。

圖10 聯盟-TMA飛船側剖視圖[18]Fig.10 Aside cutaway view of Soyuz-TMA

2.2.7 聯盟TMA-M 飛船

2011年7月美國航天飛機退役，直到美國新的載人運輸器（如“獵戶座”（Orion）或“龍”（Dragon））投入使用前，在4～5年的時間內，聯盟號飛船將是從地面到“國際空間站”往返運送航天員的唯一橋梁。為此，俄羅斯研制了新一代載人飛船聯盟TMA-M（見圖11），以滿足這一空檔期“國際空間站”的現實需求，并且可為未來更先進的飛行器建造打下基礎。

圖11 聯盟TMA-M 側剖視圖[19]Fig.11 Aside cutaway view of Soyuz TMA-M

聯盟TMA-M是基于聯盟-TMA的新系列載人飛船，外部構型與聯盟-TMA完全相同，但在“運動與導航控制系統”（SUDN）、“船上測量系統”（SBI）與“熱控系統”（SOTR）中，應用現代電子器件與軟件，裝備了新的儀器設備或更先進的系統（見圖12）。系統的升級或更新使飛船總質量減少了70kg，且使地面裝配得到簡化。特別是，聯盟TMAM 擁有先進的飛行控制計算機，并按“開放式體系結構”建造，因此，聯盟TMA-M 也被非正式地稱為“數字聯盟”（Digital Soyuz）。

注：紅色代表“運動與導航控制系統”中的新硬件；綠色代表“船上測量系統”；藍色代表“熱控系統”。

2.3 進步號貨運飛船系列[8，11，22-25]

2.3.1 “進步”貨運飛船

為滿足空間站貨物供給與燃料補給需求，聯盟號系列飛船除作為載人飛船不斷改進外，還改型為進步號貨運飛船。1974年，“進步”貨運飛船（見圖13）計劃獲得批準。1978-1990年，“進步”飛船共發射43次。1978年1月20日，進步-1發射升空；2天后，進步-1與禮炮-6空間站自動對接；2月6日，進步-1脫離對接；2月8日，進步-1降軌，再入大氣燒毀?！斑M步”與“聯盟渡船”型飛船一樣，沒有太陽翼，但也只是外觀相似而已。飛船內部有下列變化：①下降艙被一節油罐代替；②服務艙被擴大，容納通常放在下降艙內的控制與對接系統；③軌道艙改裝為貨艙，裝備一系列貨架與貨柜?！斑M步”飛船可運輸2 300kg貨物，其中燃料可達998kg。

圖13 “進步”貨運飛船構型[8]Fig.13 Configuration of Progress cargo spacecraft

2.3.2 進步-M 貨運飛船

1986年，蘇聯開始研制升級型“進步”貨運飛船，被稱為進步-M（見圖14）。其特點是：采用新的服務艙，改進了飛行控制系統，以及增大了運輸能力。進步-M 有一組太陽翼，飛船可獨立于空間站運作達30天。特別是蘇聯解體后，俄羅斯研發了人工操作對接系統，即“遙控操作交會單元”（Telerobotically Operated Rendezvous Unit，TORU），這個系統可由在空間站內的航天員操作，控制向空間站逼近的進步-M 飛船。1989年8月，第一艘進步-M 飛船發射，飛向和平號空間站。

圖14 進步-M 貨運飛船剖視圖[11]Fig.14 Acutaway drawing of Progress-M

2.3.3 進步-M1貨運飛船

在俄羅斯成為“國際空間站”項目的成員國后，為了進一步增大燃料運輸能力，進步-M 被改進為進步-M1，可發射2 230kg貨物進入太空，其中裝載燃料可達1 950kg（進步-M 每次飛行僅能運輸1 200kg燃料）。新的數字飛行控制系統，與航向-MM（Kurs-MM）交會對接系統一起被引進進步-M1貨運飛船中，替代以前的“航向”系統型號。除了向“國際空間站”運輸貨物外，進步-M1還將俄羅斯空間站對接艙運往“國際空間站”。進步-M1還作為空間拖船，將退役的質量達103t的和平號空間站向下拖進地球大氣層。2000年2月，進步-M1飛船發射，飛向和平號空間站；2000年8月，進步M1-3發射，這是第一艘飛往“國際空間站”的進步號飛船。2.3.4 進步M-M 貨運飛船

新一代貨運飛船進步M-M 的研制目的是：①為新型載人飛船聯盟TMA-M 更新系統進行飛行試驗；②進一步改進進步號貨運飛船的性能，提高運 輸 能 力。從2008年11月到2011年8月，進 步M-M 共發射12次，其中，最后一次發射因運載火箭第三級推進系統故障而失敗，未能進入軌道。進步M-M 裝備現代TsVN-101數字飛行控制系統，代替過時的Argon-16計算機，并應用新的小型化無線電遙測系統MBITS。這些更新不僅使飛行控制系統更快、更有效地運作，而且船上電子器件的總質量減少了75kg，電子器件總數減少了15個。此外，新控制系統的結構、軟件架構與性能，以及模塊化設計，使調整軟件以適應新的敏感器更容易。

3 交會導航系統

聯盟號載人飛船與進步號貨運飛船是蘇/俄空間站活動的運輸器。起初，這些航天器裝備“指針”交會對接導航系統；在20世紀80年代中期，蘇聯空間規劃應用新的“航向”系統替代了“指針”系統。在向新系統轉換的過程中，這兩個系統在和平號空間站都使用過，一個對接口應用“航向”系統，另一個對接口應用“指針”系統?，F在，“航向”系統支持聯盟號和進步號飛船與“國際空間站”的交會對接運作。從目標捕獲直至對接，“航向”系統提供所有必要的相對導航信息，包括測距、測距率、視線角，以及相對姿態測量數據。

除了上述交會雷達系統用于自動運作外，在聯盟號載人飛船上還使用手控裝置。在聯盟-4 與聯盟-5的對接使命中，航天員曾使用六分儀導航。在聯盟號飛船向空間站的交會逼近飛行中，手控器可作為備份，在應急情況下使用。在空間站中裝備的“遙控操作交會單元”，可用于進步號貨運飛船與空間站的交會對接。

3.1 “指針”雷達系統[9，26-27]

直到1986年之前，“指針”系統用于“聯盟”、聯盟-T 與進步號飛船的所有型號。在飛船之間的交會對接中，“指針”系統可以機動目標船姿態，使所選擇的對接口面向追蹤船，為追蹤船與目標船的交會對接提供相對位置與相對姿態信息。

3.1.1 “指針”系統天線組成

在“聯盟”追蹤船與目標船上裝備5種不同類型的射頻天線，分別標為A、B、C、D、E，如圖15所示。

圖15 “指針”系統射頻天線[26]Fig.15 RF antennas of Igla system

（1）兩副A型天線安裝在目標船上，是固定全向天線，發送連續信號，向追蹤船示意目標船的位置。

（2）B型天線組安裝在兩艘飛船上，是旋轉搜索接收天線，用于測定相對指向。一艘飛船的B 型搜索接收天線撿拾另一艘飛船的進入信號，生成用于各自飛船的定位差異信號，之后，B型天線實現逐個對準。

（3）C型天線是安裝在追蹤船上的轉移/接收窄波束天線，為萬向架固定式碟狀構型，用于跟蹤目標船的相對角運動。

（4）D 型天線是安裝在目標船上的固定碟狀窄波束天線，可將測距數據傳回追蹤船。

（5）E型天線是追蹤船上的另一種固定天線，用于近距離鄰近運作，消除在近距離中被放大的非線性差異。

3.1.2 “指針”系統功能

“指針”系統可支持目標船與追蹤船的對準，以及追蹤船向目標船的逼近。

（1）目標船與追蹤船的對準。如圖16所示，在軌道射入點，目標船進入追蹤船軌道幾千米范圍內，兩艘飛船的相互搜尋捕獲段開始。①首先，目標船用兩副全向天線（A型）發送信號，向追蹤船警示目標船的當前位置。同時，追蹤船慢慢旋轉，使其中一副接收天線（B型）能夠采集標向信號。兩副B型天線接收的信號強度差生成差異信號，這個差異信號可幫助追蹤船確定目標船在哪個半球。②確定之后，追蹤船將自己指向目標船，并保持其相對姿態。然后，追蹤船通過窄波束天線（C 型）向目標船發送詢問信號。目標船以一副旋轉接收天線（B型）撿拾詢問信號。③依據每副B 型天線接收到的信號強度，目標船可測定追蹤船方向，并使目標船窄波束天線（D 型）恰當定向。

（2）追蹤船向目標船的逼近。兩艘飛船相互對準后，“指針”系統開始支持兩艘飛船靠近。①首先，目標船關閉全向天線（A型），但繼續通過旋轉天線（B型）接收來自追蹤船的詢問信號，并通過固定窄波束天線（D 型）重新發送詢問信號。②追蹤船的萬向架固定式天線（C 型）撿拾目標船發送的重播信號，船上計算機應用這些觀測值確定測距、測距變化率及視線矢量的轉動。③在近距離，追蹤船上的E型天線將向目標船上的B 型天線發送詢問信號，以幫助測定滾轉基準。在追蹤船緩慢靠近目標船的過程中，應用控制定律使視線轉動為零，且使相對距離變化率（測距率）按所期望的函數關系隨相對距離（測距）變化，直到對接完成。對于聯盟-4 交會使命，聯盟-4逼近聯盟-5的速度為25cm/s。圖17表示追蹤船與目標船在遠距逼近階段的相對位置。

圖16 “聯盟”飛船應用“指針”系統的相互搜尋與捕獲[26]Fig.16 Mutual search and acquisition of two Soyuz spacecraft using Igla system

圖17 應用“指針”系統的“聯盟”追蹤船與目標船在遠距交會階段的相對位置[9]Fig.17 Mutual position of the active and passive spacecraft in the distant approach phase using Igla system

3.2 “航向”雷達系統[9，22-24]

“航向”雷達系統用于聯盟-TM 與進步-M，以及后續的聯盟號與進步號飛船。“航向”系統可以使追蹤器逼近飛行到所選擇的目標器對接口的對接軸線上。類似“指針”系統，“航向”系統在聯盟號和進步號飛船（主動追蹤器）與空間站（被動目標器）上應用多種類型天線。追蹤器上的“航向”系統為主動“航向”（Kurs-A）系統，目標器上的“航向”系統為被動“航向”（Kurs-P）系統。如圖18所示，在“國際空間站”的“縱碼頭”（Pirs）對接艙（也是氣閘艙）上，既裝備主動“航向”系統，又有被動“航向”系統，這是因為在向“國際空間站”上裝配“縱碼頭”時，“縱碼頭”是逼近“國際空間站”的“追蹤器”，而飛船向“縱碼頭”逼近對接時，“縱碼頭”是“目標器”。圖19 顯示了“國際空間站”儲貨功能塊（Functional Cargo Block，FCB）“航向”系統天線錐。

圖18 “國際空間站”的“縱碼頭”對接艙（氣閘艙）[9]Fig.18 Pirs docking and airlock module installed on ISS

圖19 “國際空間站”儲貨功能塊“航向”系統天線錐（右側視圖）[28]Fig.19 ISS FCB Kurs antenna cones（starboard view）

聯盟號飛船上有4種天線（見圖20）：①兩副全向轉移接收天線，一副（A1）安裝在前部對接口，另一副（A2）在飛船后側，用于捕獲段，確定目標器（空間站）的大致方向。一旦空間站確定被捕獲，聯盟號飛船便開始發射并接收信號，測定相對距離與距離變化率。②萬向架固定式寬角天線（A3），用于聯盟號飛船向空間站逼近的定位。③固定的電子掃描天線（A4，與“指針”系統的C型天線相似）。④固定的窄波束接收天線（A5），用于在近距離鄰近段測量朝向目標器的方向角，并測定相對姿態。

在聯盟號飛船與和平號空間站交會使命中，和平號空間站上也有4種天線（見圖20）：①兩副全向收發天線（B1與B2），安裝在太陽翼外端，最初用于向聯盟號和進步號飛船播送標向信號，向飛船警示空間站所處位置。②30°錐固定天線（B3），用于確定測距和測距率。③20°錐固定天線（B4），主要用于最后30m，以提高相對距離測量精度。④錐形掃描天線（B5），該天線由電機驅動，固定轉速為700r/min。天線B3、B4、B5主要在鄰近段應用。當天線B1和B2被關閉時，應用天線B3測定相對距離及其變化率。通過測量天線A5收到的B5發送的振幅和相位轉移載波信號，聯盟號飛船可測定它與空間站之間的相對姿態。圖21表示聯盟號飛船與和平號空間站應用“航向”系統的相互搜尋與捕獲。

圖20 “航向”系統射頻天線[26]Fig.20 RF antennas of Kurs system

圖21 聯盟號飛船與和平號空間站應用“航向”系統的相互搜尋與捕獲[26]Fig.21 Mutual search and acquisition of Soyuz spacecraft and Mir space station using Kurs system

“航向”系統也有能力使聯盟號飛船與無應答的空間站對接，這種能力在聯盟TM-21使命中得到驗證。美國航天飛機在完成首次與和平號的對接后，準備解除對接，蘇聯人認為這是一個歷史性事件，要拍攝下航天飛機的離開，因此必須將聯盟號飛船解除對接并移往可記錄這一事件的位置。脫離對接后，聯盟號飛船試圖與和平號空間站再對接，而此時空間站計算機失效，幸好有聯盟-TM的“航向”系統，使飛船向計算機失效的空間站對接得以實現。對接后，航天員進入空間站，重新啟動計算機。

與“指針”系統相比，“航向”系統具有兩方面優勢：①“指針”系統作用距離僅幾十千米，而“航向”系統可在相對距離幾百千米范圍內捕獲目標。②如圖16與圖17所示，“指針”系統在對準之后才能進行逼近運作，即兩個航天器的對接面之間保持視線瞄準。為實現“對準”，就需要目標器參與姿態機動，或追蹤器跟蹤目標器的對接口。若目標器質量較小（如衛星或飛船），姿態機動不難實現；若目標器質量較大（如空間站），姿態機動不易實現，在這種情況下，追蹤器不得不繞飛跟蹤目標器的對接口。相比之下，“航向”系統可補償目標器意外的偏離，支持與非機動目標器的交會對接運作，動力消耗較小。

“航向”系統的運作一直很成功，幾乎將雷達導航系統的功能發揮到了極致，但在質量、電源和設計方面還有一些不足之處。在聯盟號或進步號飛船上的“航向”系統，總質量約85kg，功率為270W。在目標器上，“航向”系統，總質量約80kg，功率為250W。此外，“航向”系統采用存在壽命問題的真空管技術。盡管這個系統在當前的應用是有效的，并且還可能持續多年，但目前的設計難以滿足自主軌道交會使命提出的許多新需求。

3.3 “遙控操作交會單元”[29]

在和平號空間站上也裝備“遙控操作交會單元”，使空間站核心艙內的航天員可遙控進步號貨運飛船的逼近與對接?？臻g站航天員可應用一對安裝在主控板上的手控器，控制進步號飛船的轉動與平移，操作方式如同聯盟號載人飛船乘員使用的手控器。在進步號飛船的對接單元中有一臺攝像機，可將飛船逼近空間站的現場TV 圖像，傳送到空間站內航天員前面的監視屏上，對飛船運動進行控制。1992年，這個系統在進步M-15上進行試驗。1997年6月，這個系統的運作對避免進步M-34 飛船與和平號空間站碰撞起到了作用。

4 交會逼近軌跡

對航天器交會逼近飛行，可以應用慣性坐標系描述目標器與追蹤器的軌道運動（絕對運動），更常用的是，在“當地垂直/當地水平”（Local-Vertical Local-Horizontal，LVLH）坐標系中描述追蹤器相對目標器的運動，即相對運動。LVLH 坐標系（見圖22）的xz 平 面為 目 標 器 軌 道 面，z 軸（Rbar）指向地球中心，x 軸（V-bar）指向目標器軌道運動方向，y軸（H-bar）垂直于軌道面（沿負法向）。在LVLH 坐標系中，聯盟號（或進步號）飛船向和平號空間站交會對接飛行軌跡如圖23所示；圖24則表示進步M-11M 飛船向“國際空間站”交會逼近的軌道運動。整個交會逼近軌跡可分為三部分：①交會段；②逼近與制動段；③最終逼近段。交會逼近應用“航向”系統，并采用雙共橢圓軌道與繞飛策略。所謂“共橢圓軌道”，是指共面、共中心的橢圓軌道，即兩橢圓軌道的軌道傾角相同，且半長軸與偏心率的乘積相等。共橢圓軌道在LVLH 坐標系中的軌跡近似為平行于V-bar軸的直線。

圖22 標準“當地垂直/當地水平”坐標系[25]Fig.22 Standard LVLH frame

圖23 聯盟號（或進步號）飛船與和平號空間站的交會對接飛行軌跡[26]Fig.23 Rendezvous and docking trajectory for Soyuz/Progress spacecraft to Mir space station

圖24 進步M-11M 向“國際空間站”的接近與逼近[23]Fig.24 Closing and approach of Progress M-11Mto ISS

4.1 交會段[26，30]

交會段由初始軌跡射入點（M0）至“終段起始”（Terminal Phase Initiation，TPI）點（M4）。在發射及初始軌道射入機動（點M0）后，執行兩個機動（點M1和點M2），將聯盟號或進步號飛船轉移到調相高度，進入共橢圓軌道。在漂移期間，施加軌跡修正機動（點M3），減小軌跡彌散。從M0處的機動到M3處的機動都是由地面控制的。當向和平號空間站轉移的TPI時刻到來時，飛船上的控制系統執行終段起始機動（點M4），開始向空間站逼近。

4.2 逼近與制動段[26，30]

逼近與制動段由TPI（點M4）至到達對接軸線，這一段也稱為“向對接軸轉移”段。在TPI機動后不久，聯盟號飛船離和平號空間站約200km時，飛船進入“航向”系統運作范圍，“航向”系統開始空間站的搜尋與捕獲?？臻g站由全向天線（B1與B2）發送標向信號，而聯盟號和進步號飛船前部對接口天線（A1）及后側天線（A2）可探測到這些警示信號，并最終測定空間站定位在哪個半球。如需要，飛船可啟動姿態機動，以保證飛船恰當指向空間站方向（見圖21（a））。一旦“航向”系統得知空間站位于地球哪個半球且飛船被恰當定位后，飛船上的掃描天線（A3）便被激活，可以更精確地測定空間站方向。最終，聯盟號相對空間站的距離和方位足以允許主跟蹤天線（A4）查尋空間站，以獲取相對距離及其變化率信息。依據天線A4獲取的附加信息（見圖21（b）），“航向”系統可更新兩個航天器的測算位置，并在距空間站約100km 處執行逼近軌跡修正機動（M5），如圖23（b）所示。

在向和平號空間站逼近時，為使制動過程平穩，施加3個沖量機動（點M6，M7，M8）。第一個制動機動（點M6）出現在聯盟號在空間站軌道之下約1km、空間站之后約4km 的位置。在最后一次制動機動（點M8）之后，很可能當前的逼近軌跡與空間站的對接口尚未對準。因此，為使飛船在最終逼近段沿空間站對接軸以適合的相對狀態向空間站逼近，聯盟號飛船在離空間站200～400m 之間進行繞飛。不管對接軸指向是否沿V-bar、R-bar，或某慣性固定軸，聯盟號可通過繞飛到達對接軸線上。在繞飛期間，聯盟號上的掃描天線（A4）跟蹤空間站天線B3，以獲得測距、測距率及視線角信息；與此同時，天線A5 跟蹤B5，以推斷相對姿態（見圖21（c））。繞飛后，飛船到達對接軸線上并保持在一個固定的相對位置（懸停飛行），離空間站約200m；在此位置，飛船等待地面執行最終逼近的“前進”指令。

4.3 最終逼近段[12，23，26，30]

最終逼近段為沿對稱軸線逼近空間站的飛行階段。飛船一旦接收到“前進”指令信號，便開始向空間站最終逼近。最終逼近軌跡為直線型閉環受控軌跡，初始接近速度為1m/s。當相對距離降到30m以下時，聯盟號上的天線A4開始接收經空間站天線B4發送的信號（除來自天線B3的信號外），繼續估算相對距離（圖21（c））。在接觸前，逼近速度大致降到0.1～0.3m/s；側向偏差為0.15～0.30m，側向速度小于0.1m/s；滾轉角速度保持在0.7（°）/s以下，俯仰與偏航角速度（合計）小于0.6（°）/s。

5 對接系統

5.1 “聯盟”飛船之間的對接[8]

蘇/俄航天器對接系統的最原始設計源自“聯盟繞月飛行器”?！奥撁死@月飛行器”的載人飛船聯盟-A與加注飛船聯盟-V 的對接系統設計采用簡單的桿錐裝置，且不提供內部轉移艙門。由聯盟-A演變而來的“聯盟”飛船也沿用桿錐設計，主動飛船裝備探桿，而被動飛船有接收錐、錐套及捕獲鎖。為了接收探桿，被動單元的截頭錐體比主動單元更長。探桿設計為減震器，探桿頂端的敏感器用于探測與被動錐的接觸，并使主動飛船上的控制系統失效；同時，主動飛船推力器點火，將兩艘飛船連在一起。在被動錐的頂點，探桿碰撞錐套，錐套內的系列捕獲鎖與約束環鎖在一起，使兩艘飛船緊固。在兩艘飛船對接單元的邊框上，凸凹構型的嵌入插頭與插座在飛船之間建立起電氣與通信連接。

5.2 聯盟號和進步號飛船與蘇聯空間站的對接[8]

從1971年起，執行空間使命的聯盟號載人飛船與進步號貨運飛船的桿錐對接系統作了改進，桿錐裝置在硬對接實現后可移開，并增設內部轉移艙門。對接后，一旦完成壓力與密封完整性檢測，航天員便可移開桿錐裝置并打開兩個航天器之間的艙門，形成從聯盟號和進步號飛船進入空間站的通道。為解除對接，桿錐單元將被放回原位，關閉艙門，4 根彈簧推桿將兩個航天器推開。如果因某種原因推桿失效，航天員可點火爆炸螺栓，將飛船從空間站分離；若還不行，作為最后的努力，推進艙與下降艙組合體將從軌道艙分離，并立即返回地球。

5.3 聯盟號飛船與“阿波羅”飛船的對接[8，12]

為1975年的聯盟號與“阿波羅”飛船聯合飛行，需研發不同的對接系統。為補償兩艘飛船之間氣壓的變化，美國研制了“對接艙”，并為實現對接共同研發了“雌雄同體（異體同構）周邊裝配系統1975”（Androgynous Peripheral Assembly System 1975，APAS-75），見圖25。這個對接單元安裝在對接艙的聯盟號一端，使聯盟號與“阿波羅”飛船的對接艙對接。聯盟號與對接艙之間的相容性是由安裝相互連接并制約的標準件實現的。此外，一個裝配式T型對接目標（曾在“阿波羅”月球艙上使用過）安裝在聯盟號對接裝置上，通過“阿波羅”指令與服務艙光學瞄準觀測器件可觀測到T 型對接目標，這個觀測器件與指令艙前向交會窗相鄰。聯盟-19飛船也裝備2個閃光標志燈，用于最終逼近期間的視覺捕獲；在太陽翼外側有4個定向燈，左側前向燈為紅色，右側前向燈為綠色，2個尾燈為白色。

圖25 “阿波羅”與聯盟-ASTP對接系統[12]Fig.25 Docking system of Apollo and Soyuz-ASTP spacecraft

5.4 “國際空間站”對接系統[12，22，31-33]

除了美國的“通用?？繖C構”（Common Berthing Mechanism，CBM）外，在“國際空間站”上還應用兩類俄羅斯對接系統：①“雌雄同體（異體同構）周邊連接系統”（Androgynous Peripheral Attachment System，APAS）對接機構（見圖26）；②桿錐對接機構（見圖27）。美國的“通用停靠機構”需要乘員操作自動臂，不支持自動對接運作。與“通用?？繖C構”不同的是，俄羅斯對接機構無需乘員操作，支持自動對接運作；但這兩類對接機構都不是為?？窟\作而設計的，這是因為它們需要較大的接觸力和接近速度，以克服航天器對準誤差，實現連接軟捕獲。俄羅斯的這兩類對接機構都提供雙電機鉤形驅動裝置，并帶有火工備份，用于分離操作；然而，火工釋放使一個航天器的聯接系統不能為以后對接使用（只有大修后才可重新使用）。類似的，應急96-螺栓用于“雌雄同體周邊連接系統”釋放，也使“國際空間站”對接口不能重復使用。典型的聯盟號飛船與“國際空間站”的對接程序如圖28所示。

圖26 俄羅斯“雌雄同體（異體同構）周邊連接系統”對接機構[31]Fig.26 Russian androgynous peripheral attachment system docking mechanism

圖27 俄羅斯“聯盟桿錐對接機構”[31]Fig.27 Russian Soyuz probe/cone docking mechanism

圖28 聯盟-TMA與“國際空間站”的對接程序[33]Fig.28 Soyuz-TMAdocking sequence

6 俄羅斯未來的空間運輸系統

2009年，俄羅斯揭示了未來的空間運輸系統，這項規劃名為“未來有人操作的運輸系統”（Prospective Piloted Transport System，PPTS），計劃于2018年進行首次載人發射。整個“未來有人操作的運輸系統”規劃包括兩部分：①“新一代有人操作的運輸飛行器”（New Generation Piloted Transport Spacecraft，PTK NP）；②“新一代有人操作的運輸飛行器”的運載火箭，即Rus-M 系列火箭。

6.1 Rus-M 系列火箭[13]

Rus-M 系列火箭第一級應用RD-180發動機，第二級應用RD-0146發動機。Rus-M 有4個型號：①型號-1 的第一級應用3個不可分離的助推器。②型號-2的第一級應用5個助推器，其中4個搭接的周邊助推器在飛行中脫離掉，而中央助推器工作時間較長。在飛行初期階段，中央助推器推力小于滿推力，在4個周邊助推器分離后，中央助推器達到推力極限。③型號-3應用加長的第一級，以增加推進劑質量。④型號-4的第一級為單一助推器，而上面級來自聯盟-2火箭。型號-1～3的低地球軌道運載能力分別為23.8t、35t、50t，主要用于載人使命；型號-4的低地球軌道運載能力為6t，可用于貨物運輸使命。圖29分別表示Rus-M 系列火箭的前3個型號。

圖29 Rus-M 系列火箭型號[13]Fig.29 Family of Rus-M rocket

6.2 新一代載人飛行器[14-16]

“新一代有人操作的運輸飛行器”將取代歷史悠久的聯盟號載人飛船。它有3 種類型（見圖30）：①地球軌道飛行器，質量約12t，乘員6人，載貨質量500kg，自主使命飛行期可達30 天，在與“國際空間站”或未來俄羅斯空間站對接狀態下的飛行期可長達1年。②月球軌道飛行器，質量約16.5t，乘員4人，載貨質量100kg，可執行長達14天的繞月飛行使命，在與月球軌道站對接狀態下的飛行期可長達200 天。③地月轉移飛行器，具有助推級，用于飛離地球引力場，到達月球軌道。此外，“新一代有人操作的運輸飛行器”也可改型為不載人的貨運飛船。

圖30 “新一代有人操作的運輸飛行器”的類型[14]Fig.30 Versions of PTK NP spacecraft

“新一代有人操作的運輸飛行器”的地球軌道飛行器（見圖30（a）和圖31）為兩艙構型，即僅由乘員艙與服務艙組成，沒有軌道艙。這是因為它僅在地球與空間站之間運輸乘員，不承擔單飛在軌科學實驗任務，因此無需軌道艙，且可擴充乘員艙，載運6名乘員。在乘員艙頂端有對接裝置，在乘員艙后部有軟著陸發動機與著陸架，姿控推力器安裝在乘員艙前部外壁上，在乘員艙內部有乘員進入空間站的轉移通道。服務艙內有推進劑貯箱，服務艙外壁上裝有一對可轉動的太陽翼。

圖31 PTK NP地球軌道飛行器剖視圖[16]Fig.31 Acutaway drawing of earth-orbiting version of PTK NP spacecraft

在2009年8月莫斯科航空航天展上展示了“新一代有人操作的運輸飛行器”模型，可以看出它的一些特點：①新飛行器乘員艙上有可重復使用的防熱瓦，代替燒蝕材料系統。（值得注意的是，當美國拋棄防熱瓦重新使用燒蝕材料防熱系統時，俄羅斯卻想使用防熱瓦，使乘員艙可重復使用。也許俄羅斯認為，現在已不同于30年前，防熱瓦的技術成熟度可滿足載人航天器要求。）②應用可轉動的太陽翼代替固定的太陽翼。太陽翼的精確對日定向，連同使用高效太陽電池與新一代鋰蓄電池，新一代飛船的電源系統將比聯盟號飛船有更高的性能。③在飛行器模型上未見傳統的軌道交會天線，而是讓位給致密的敏感器，很可能使用激光敏感器導引飛行器對接。④新飛行器也將應用新的高性能飛行控制計算機，有能力接收并處理GLONASS衛星網的導航數據以及來自高精度陀螺儀與光學敏感器的信息。⑤在服務艙尾部的專用可移動天線，使飛行器可經由數據中繼衛星與地面控制保持不間斷的聯系。⑥飛行器與地球之間的雙路通信將被統一為單一的穩固的數字化數據流，適應快速解碼、配送與存儲。⑦乘員艙將裝備液晶顯示器與定制的軟件。⑧在乘員艙頂端有氣動力活板；當乘員艙離軌到達稠密大氣層時，活板可用于操控乘員艙。⑨乘員艙裝備推力器，應用氣態氧與乙醇作推進劑，用于大氣層外的機動。

7 結束語

在美國成功完成“阿波羅”登月使命后，蘇聯立即停止登月計劃，將空間活動重點轉向空間站與運輸飛船系列。歷經40多年的發展，聯盟號飛船已成為歷史悠久且可靠、高效的載人飛船系列，并衍生出進步號貨運飛船系列。聯盟號和進步號飛船具有下列特點：①在世界上首次采用3艙（下降艙、軌道艙與推進艙）構型，且下降艙應用燒蝕防熱結構，軌道艙兼作氣閘艙。②應用交會雷達系統，以自動控制為主，特別是“航向”系統最大限度地提升了雷達導航系統的功能；而手控器與“遙控操作交會單元”可在應急情況下使用。③不斷改進的桿錐對接系統成功應用在聯盟號載人飛船、進步號貨運飛船，以及歐洲航天局“自動轉移飛行器”的對接運作中。④新設備、新系統在聯盟號載人飛船試驗前，先在無人航天器上進行試驗。在進步號貨運飛船之前，應用宇宙號飛船（實際上就是不載人的聯盟號飛船，除用作技術試驗外，本身具有軍事探測目的）；在進步號貨運飛船服役后，應用進步號系列進行試驗。⑤最初的聯盟號飛船具有運載乘員與貨物雙重使命，但隨著貨運量的增大，將載人飛船與貨運飛船分開，且將進步號飛船作為聯盟號載人飛船的技術試驗平臺。

縱觀半個世紀以來蘇/俄的空間活動，可以看到蘇/俄在載人飛船、貨運飛船、空間站，以及與之有關的艙外航天服[34]等領域，取得令人矚目的成就。蘇/俄聯盟號飛船技術對歐洲航天局、日本、中國的空間運輸系統的研制具有重要影響；蘇/俄在空間站技術領域取得的經驗，對空間探測及后來“國際空間站”的組裝與運作具有重要作用；蘇/俄艙外航天服技術對歐洲航天局、中國、美國的艙外航天服的研制具有借鑒作用。俄羅斯的航天技術不僅在蘇聯航天技術的基礎上向前發展，而且對國際合作作出突出貢獻。

現在，俄羅斯已提出“未來有人操作的運輸系統”規劃，包括更大推力的Rus-M 系列火箭與“新一代有人操作的運輸飛行器”。這項規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。

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