國際對接系統標準探究

劉 志，崔宇新，張崇峰

(1.上海市空間飛行器機構重點實驗室，上海201108;2.上海宇航系統工程研究所，上海201109;3.上海航天技術研究院，上海201109)

1 引言

載人空間對接技術起步于20世紀60年代初期［1］。美國登月計劃、前蘇聯/俄羅斯的空間站飛行以及國際空間站運行中開展了大量空間對接作業。2011年11月3日和14日，我國神舟八號飛船和天宮一號空間實驗室成功進行了兩次交會對接［2］，它標志著我國成為繼美國、俄羅斯之后第三個完全獨立擁有和掌握空間交會對接技術的國家。

空間對接已成為現代復雜航天器在軌運行重要的操作活動，也是載人航天活動必須掌握的一項基本技術。世界各國的空間機構開發了多種類型空間對接系統［1，3］，成功應用的對接系統有 A-pollo錐銷式對接機構、俄羅斯錐桿式對接系統、異體同構周邊式對接系統(APAS)和俄羅斯混合式對接機構(HPADS)等。但不同對接系統之間的對接界面并不相容，非標準對接界面的應用增加了國際空間對接合作的成本，降低了任務的靈活性。國際空間站多邊協調委員會(MCB)推出了《國際對接系統標準》，并于2011年5月公布了接口定義文件(IDD)A版本［4］。本文將介紹空間對接系統的發展和國際對接系統標準提出背景，對國際對接系統標準接口的主要內容和應用情況進行論述。

2 對接系統的發展歷史

空間對接技術的發展與載人航天技術的發展幾乎同時進行的，從登月和載人空間站的需求出發，美國和前蘇聯(俄羅斯)從20世紀60年代初就開始研究交會對接技術，先后研制了錐桿式、周邊式等多種對接機構，經歷了“阿波羅”計劃、“禮炮號”空間站、“空間實驗室”、航天飛機、“和平號”空間站和國際空間站等工程應用［1-3，5-11］，其空間對接技術逐漸成熟。

國內外典型的載人對接機構特點及應用情況見表1。

表1 國內外典型的載人用對接機構［2，6，9，11，12］Table 1 Typical docking mechanism used in manned space flight

迄今為止，全世界共進行了300多次空間交會對接活動。目前在國際空間站的任務中，美國航天飛機采用俄羅斯的異體同構周邊式對接機構，俄羅斯的聯盟、進步飛船和歐空局的ATV飛行器采用俄羅斯的錐桿式對接機構［5］。

總結已有的和正在使用的對接機構的研制、飛行經驗與教訓，現有對接系統存在以下問題:

1)對接機構的捕獲緩沖性能是由內部彈簧和阻尼機構的特性來決定的，按照對接目標，需要在地面預先設計和裝配，僅支持地面維護和維修，不支持在軌性能調整，適應性受到限制;

2)只能支持單一的被動和主動對接接口，不具有通用接口。每次對接任務都是在發射前預先設計的，不利于空間救援;

3)在對接與捕獲過程中需要一定的力和相對速度，對于小質量飛行器的對接需要專門設計;

4)在捕獲時需要的推力較大，不支持利用機械臂進行的?？亢瓦b操作。

為了克服以上的缺點，根據對接技術未來發展、國際合作和空間救援等現實需求，新一代對接系統應具有弱撞擊對接、國際標準通用接口和較好的任務適應性。

3 標準制定情況及內容

3.1 制定情況

2008年開始，國際空間站(ISS)成員國協商制定“國際對接系統標準”(IDSS)［13］。2010 年10月19日，國際空間站多邊協調委員會(MCB，由NASA、俄羅斯聯邦航天局、日本宇航探索局、歐空局和加拿大航天局等組成)批準了《國際對接系統標準》(International Docking System Standard，IDSS)，發布了接口定義文件(IDD)，目前為最新的 A 版本［4］。

IDSS的應用范圍從載人飛船到自動空間飛行器、LEO到深空探測任務等領域。對接系統接口定義能夠執行以下任務［4］:

1)國際空間站任務;

2)月球探測任務;

3)乘員營救任務;

4)國際合作任務。

3.2 標準框架

在國際對接系統標準(IDSS)接口定義文件(IDD)［4］中，對接過程由2個階段組成。第一個階段是建立對接飛行器的初始捕獲，由柔性捕獲系統(Soft Capture System，SCS)來實現。在捕獲階段，主動對接機構使新連接的飛船穩定下來。柔性捕獲系統然后將對接飛船拉近到一起，為第二階段對接做準備。第二階段對接由剛性連接系統(Hard Capture System，HCS)實現。剛性連接系統實現對接界面的結構鎖緊和密封，實現飛船間的結構載荷的傳遞，形成一個轉移通道，加壓后用于聯合任務操作中乘員通道和貨物轉移。

國際對接系統標準(IDSS)接口定義文件(IDD)描述了對接物理幾何接口和設計載荷需求。為保證飛船物理接口的對接兼容性，符合IDSS要求的對接系統必須嚴格遵守物理幾何接口要求。同時，標準中提供了一套推薦的設計參數，例如，對接初始條件和飛行器質量特性，這些參數可以覆蓋大部分飛行任務和設計條件。按照推薦參數進行對接系統設計可以提高在不同飛船之間對接的成功概率。國際對接系統標準IDD文件框架體系［4］見圖1。

圖1 接口定義文件框架體系Fig.1 The architecture of IDD

3.3 IDSS主要內容

3.3.1 總體構型與方案

IDSS規定的對接機構構型［4］為異體同構周邊式構型，其中，剛性連接系統采用APAS方案，主要接口尺寸沿用APAS-89參數，柔性捕獲系統采用弱撞擊對接技術。

IDSS對接接口相對一個坐標軸是完全的異體同構，可以與同一個構型進行對接。在對接時，一個異體同構的柔性捕獲接口為主動模式，即對接環處于伸出狀態;而另一個異體同構的柔性捕獲接口為被動模式，即對接環處于收回鎖定狀態。圖2和圖3為異體同構IDSS的接口［4］。

圖2 異體同構對接接口－軸向視圖Fig.2 Androgynous docking interface-axial view

圖3 異體同構對接接口－橫截面Fig.3 Androgynous docking interface-cross section

柔性捕獲系統接口［4］包括對接環、導向板、電磁鐵或機械捕獲鎖、磁性接觸盤、機械卡板器、傳感器和傳感器觸發區。捕獲功能可以采用電磁或機械捕獲鎖來實現，但是與IDSS完全兼容的對接系統必須同時安裝磁性接觸盤和機械卡板器。在對接時，當兩個對接環上的電磁鐵和接觸盤實現電磁連接或主動對接環的捕獲鎖與被動卡板器捕獲，且兩個對接環處于接觸狀態，則表明捕獲完成。

剛性連接系統接口包括對接框、對接鎖、導向銷套、密封圈、分離推桿和資源臍帶等。其布局采用了 APAS-89 方案［4］。

在完成對接后，對接機構具有提供一個Φ800 mm對接通道的能力，在標準中，柔性捕獲系統轉移通道直徑不小于Φ685 mm［4］(如圖3)，為滿足對接后通道要求，可以采用移除或折疊導向板方式解決。

為了兼容空間站遙操作系統的機械臂輔助?？坎僮?，使用具有全部功能的柔性捕獲系統，且柔性捕獲所需合力小于150 N［4］。

3.3.2 機械接口

在標準中，按照柔性捕獲系統、剛性連接系統分別規定了相應的幾何物理接口，對電搭接、環境匹配、材料匹配和表面處理等方面進行規定［4］。

1)柔性捕獲系統

柔性捕獲系統用于完成捕獲，緩沖和校正，實現對接時序中首次連接。在對接捕獲期間，兩對接機構導向板首先接觸，主動對接機構柔性捕獲系統響應以適應兩個對接口間的位姿偏差。在電磁捕獲或機械捕獲完成后，主動柔性捕獲系統緩沖校正兩個對接飛行器相對運動，并拉回對接環，使兩個剛性連接界面進入到剛性連接作用范圍。在對接環拉回過程中，通過剛性連接系統導向銷套的作用下，完成最終校正。

2)剛性連接系統

剛性連接系統實現兩飛行器間結構的剛性連接，形成一個密封轉移通道，在任務完成后可實現分離。

在標準中，具體規定內容如下［4］:

(1)對周邊硬件(如對接鎖、分離系統和傳感器)進行了布局劃分;

(2)對具有配合關系的鎖鉤、導向銷套、密封圈等幾何尺寸進行詳細描述，并規定了運動部件的包絡范圍;

(3)對周邊硬件的載荷特性進行了規定，如鎖鉤、密封圈、分離推桿等。

3.3.3 對接性能

除了機械接口要求，標準中還規定一套包絡參考任務和條件的通用設計參數。對于柔性捕獲系統，這套參數包括對接載荷、飛行器質量特性和對接初始條件。對于剛性連接系統，這套參數包括剛性連接載荷。在這些通用設計參數中，只有載荷作為要求進行了規定。其他通用設計參數僅作為設計參考。

標準規定，對接機構主動柔性捕獲系統在對接任務中需不超過表2的載荷上限［4］。

表2 柔性捕獲系統最大對接載荷Table 2 SCS maximum interface loads

表3中推薦的對接初始條件主要從表2載荷推導出來的。為了提高兩飛行器間對接成功概率，IDSS 建議采用推薦值［4］。

表3 對接初始條件Table 3 Initial contact conditions

3.4 對標準的分析

國際對接系統標準(IDSS)借鑒了APAS的成功經驗，基于通用接口和弱撞擊新技術發展需求提出的［14］。為保證對接接口的兼容性，IDSS僅提供必要的需求條件，有些接口特性只針對被動對接機構(或作為被動對接機構使用)進行規定［4］，如:規定被動對接系統的捕獲傳感器總阻力，對作為來訪者的追蹤飛行器主動對接機構不做要求。這給予了飛行器對接系統設計者很大的自由設計空間。

結合具體內容，對IDSS與現有APAS對接系統［5］進行對比，主要有以下異同點:

1)該標準規定的對接系統為周邊式異體同構構型，沿用了APAS構型方案，這種類型對接系統將是未來的主流形式;

2)IDSS柔性捕獲系統采用了兩種捕獲方式，即電磁捕獲和機械捕獲，而APAS只有機械捕獲裝置。同時，IDSS對接環最大通道直徑(Φ685 mm)比APAS(Φ800 mm)的小，因此，為將對接通道直徑擴展至Φ800 mm，需要在對接后將IDSS導向板折疊或拆除。這無疑造成導向板結構設計復雜，也給航天員帶來了額外工作量;

高血糖導致的視網膜毛細血管滲漏主要是由 VEGF 介導，VEGF 通過升高內皮細胞內Ca2＋ 和氧自由基的濃度增加谷氨酰胺轉移酶 2（transglutaminase 2，TGase2）的活性，促進應力纖維的形成和鈣黏蛋白的降解。在實驗動物玻璃體內注射 TGase2 抑制劑后，血管滲漏情況明顯減輕，證明 TGase2 在 DR 過程中扮演著要角色[14]。

3)IDSS剛性連接系統的幾何、物理接口與APAS系統是基本一致的。在分離裝置上，IDSS為可回縮的分離裝置，而APAS為無源分離推桿。采用IDSS可回縮分離裝置，可以降低對接環拉回的阻力，在對接鎖解鎖后，控制每個分離裝置釋放同步性，降低兩飛行器的分離角速度，降低12套對接鎖解鎖同步性要求，為不同類型對接鎖設計留下空間;

4)IDSS以對接力作為約束條件，限定了柔性捕獲系統屬于弱撞擊對接系統，體現了指標的先進性。而對接初始條件、飛行器質量特性等均作為設計參考值。這給追蹤飛船對接機構捕獲能力和GNC交會精度兩者的綜合權衡留下自由設計空間。

目前為止，國際對接系統標準的內容還不完善，需進一步完善細化的內容及對標準的建議有:

1)標準規定的對接通道偏小，應向APAS通道直徑兼容;

2)在捕獲系統的機械接口上，電磁捕獲方式和機械捕獲方式并存，但機械捕獲方式及對接環接口應與現有APAS的兼容;

3)資源傳輸接口目前在IDSS中尚未標準化。浮動斷接器用于在兩對接飛行器之間傳輸資源，這些資源可能包括電、數據及接地保險，水供應與回收，燃料，儲箱加壓和氧化劑。應該將這些連接接口應按照不同的重要程度區別對待，對于基本連接接口應做出嚴格規定，對于可選接口則提供可供各方自由安排的區域。同時，為保證接口匹配，可選連接接口應具有主動連接斷開功能，且斷開時與對面不發生干涉。

4 標準應用情況

美國和歐洲相繼開發了兼容IDSS接口的新型對接系統。美國開發的對接系統稱為NASA對接系統(NDS)［14］，歐洲開發的對接系統稱為國際停靠對接機構(International Berthing Docking Mechanism，IBDM)［15］。

4.1 NASA對接系統(NDS)

2010年2月，LIDS項目轉移到國際空間站項目上，并更名為iLIDS(國際弱撞擊式對接系統)，為兼容國際對接系統標準，對iLIDS的剛性連接系統進行設計更改，由此稱為NASA對接系統(NDS)，2013 年底完成相關的鑒定試驗［14］。

采用 iLIDS方案的 NDS［14］如圖4所示。它采用的是完全異體同構的周邊式對接機構，繼承了已有空間對接機構使用經驗，運用機電一體化先進技術，完全柔性的控制型對接，停靠和對接兩用。采用3個電磁鐵實現捕獲，通過齒輪和連桿聯動驅動12個對接鎖完成結構連接。

圖4 NDS 構型［14］Fig.4 Configurations of NDS

NDS可集成到各種不同的主飛行器上。根據需求設計了4種構型配置可供應用［16］。圖5為弱撞擊對接系統實物(主、被動對接機構)。

基于iLIDS方案的NDS還存在不足之處［18］，主要有:

1)由于安裝有電磁鐵、力傳感器等，柔性捕獲系統的對接環寬度較大，導致對接通道狹窄。

2)設計重量偏大。全配置的主動對接機構設計重量達到370 kg，比國際空間站APAS重量超出20 kg。

3)采用了實時力反饋控制系統，配置了高可靠的傳感器和復雜控制系統，其成本偏高。

圖5 研制中的弱碰撞對接系統［17］Fig.5 Engineering development unit(EDU)of LIDS

4.2 歐空局國際對接系統(IBDM)

20世紀90年代初，歐空局(ESA)在研發ATV時提出了“通用對接?？肯到y”(UDBS)概念，并研制了相關組件［15］。2001 年，為 ESA/NASA的X-38/CRV(乘員返回飛行器)合作項目提出UDBS的更新設計理念，即“國際?？繉訖C構”(IBDM)。ESA參與研制了第一個工程樣機［15］。

在X-38/CRV項目下馬之后，歐空局繼續進行獨立研制IBDM，研制了整個系統的工程樣機。IBDM由柔性捕獲系統和剛性連接系統組成，見圖6。柔性捕獲系統采用主動控制的Stewart平臺方案，配置了電磁捕獲裝置、力傳感器等，可實現兩飛行器的捕獲和緩沖。剛性連接系統主要由12個對接鎖、2道密封圈和分離裝置等組成，可實現剛性連接和分離。IBDM具有標準對接接口、弱撞擊、?？磕芰屯耆愺w同構等特點。

IBDM的機械接口符合國際對接標準最新版本要求。同時，為了增加對接通道直徑，ESA針對柔性捕獲系統最小通道直徑設計了多個接口方案。

圖6 IBDM概念和柔性捕獲系統［15］Fig.6 IBDM-concept and soft docking system

5 結論

本文回顧了載人對接機構的發展歷程，國內外主要對接機構的技術特點，介紹了國際對接系統標準提出的背景，論述國際對接系統標準的主要內容和應用情況。

國際對接系統標準的提出體現了未來空間國際合作通用接口需求和對接技術發展方向。我國參與國際對接系統標準制定，應結合后續空間站、載人登月等載人航天工程需求，進一步開展以下研究:

1)積極參與國際對接系統標準制定工作，體現中國在對接標準方面的話語權，以此來探索空間實驗、深空探測等領域的國際合作方式，為參與國際空間合作奠定基礎;

2)積極開展弱撞擊對接技術的研究，針對未來空間任務特點和要求，發展適用于國情和未來工程應用背景的弱撞擊對接系統，增加國際空間對接技術合作實力，為參與國際合作打下技術基礎。

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