空間交會對接的發(fā)展歷程

林來興 (北京控制工程研究所)

1 引言

空間交會對接產(chǎn)生和初期蓬勃發(fā)展，完全是美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期兩國開展空間競賽的結(jié)果。后來由于空間技術(shù)本身發(fā)展和應(yīng)用需求，使其連續(xù)不斷進(jìn)步，發(fā)展出許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。半個(gè)世紀(jì)以來，全世界成功實(shí)現(xiàn)交會對接近500次。只有美國、俄羅斯、中國、歐洲航天局和日本獨(dú)自掌握交會對接能力。現(xiàn)在人們開始認(rèn)識到，發(fā)展交會對接技術(shù)本身不是目的而是手段，應(yīng)用這種手段的空間任務(wù)和工程項(xiàng)目具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義、極大的應(yīng)用價(jià)值和社會與經(jīng)濟(jì)效益。空間交會對接技術(shù)從出現(xiàn)到發(fā)展成熟，成為空間操作的重要手段，回憶這50年來空間交會對接技術(shù)發(fā)展和輝煌成果分為過去和現(xiàn)在，前30年劃為過去，后20年定為現(xiàn)在（大約2001—2020年）。

2 交會對接的過去

試驗(yàn)研究階段

（1）雙子座號飛船

美國為在空間競賽中趕超蘇聯(lián)，決定實(shí)施“阿波羅”計(jì)劃，為此產(chǎn)生交會對接概念和需要。美國為實(shí)施“阿波羅”計(jì)劃必須要先在近地軌道成功驗(yàn)證空間交會對接技術(shù)，從而產(chǎn)生雙子座號（Gemini）飛船。1966年3月16日，美國雙子座－8飛船與阿金納號目標(biāo)飛行器在航天員參與下實(shí)現(xiàn)了世界上首次交會對接。對接機(jī)構(gòu)很簡單，由“錐”與“環(huán)”組成，前者裝在雙子座號飛船的通道口上，后者裝在阿金納號飛行器尾部。測量系統(tǒng)為交會雷達(dá)，另有光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡，用于近距離測量，提供航天員使用。雙子座號飛船為“阿波羅”計(jì)劃的交會對接完成了技術(shù)準(zhǔn)備。

（2）初期聯(lián)盟號飛船

在美國之后，蘇聯(lián)于1967年10月30日用宇宙－186和宇宙－188不載人聯(lián)盟號飛船完成了首次自動交會對接。1969年聯(lián)盟－4和聯(lián)盟－5飛船實(shí)現(xiàn)了載人交會對接。對接機(jī)構(gòu)為“桿-錐”式，對接機(jī)構(gòu)當(dāng)中沒有通道，航天員必須從艙外進(jìn)入另一艘飛船。不久經(jīng)過改進(jìn)后，把“桿-錐”式對接機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動90°，航天員可以從艙內(nèi)通過。聯(lián)盟號飛船一開始就以自動為主、手動為輔，由于系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度大，一度影響了研制進(jìn)度，但是經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)與改進(jìn)，逐漸實(shí)用可靠，一直使用到現(xiàn)在。

技術(shù)發(fā)展階段

（1）阿波羅號載人登月飛船

阿波羅號登月飛船每次需要進(jìn)行兩次交會對接，是美國發(fā)展空間交會對接的原動力。阿波羅號飛船采用的對接機(jī)構(gòu)為“桿-錐”型結(jié)構(gòu)，測量敏感器在交會階段是依靠微波雷達(dá)，接近和對接階段依靠航天員目視目標(biāo)器，由手控操作來完成對接。交會對接技術(shù)對完成“阿波羅”登月計(jì)劃起到了關(guān)鍵作用。

（2）阿波羅號與聯(lián)盟號飛船對接

1975年7月，美國阿波羅號飛船與蘇聯(lián)聯(lián)盟號飛船在空間實(shí)現(xiàn)交會對接。由于阿波羅號飛船與聯(lián)盟號飛船交會對接測量系統(tǒng)不同，飛船增加了應(yīng)答機(jī)、光點(diǎn)標(biāo)志等設(shè)備。先以阿波羅號飛船作為追蹤器、聯(lián)盟號飛船作為目標(biāo)器，兩艘飛船順利實(shí)現(xiàn)交會對接，然后分開，再以聯(lián)盟號飛船作為追蹤器、阿波羅號飛船作為目標(biāo)器又進(jìn)行了第二次交會對接。這次空間握手意義非常大，交會對接技術(shù)與操作實(shí)現(xiàn)了跨國兼容和國際化，特別是異體同構(gòu)周邊對接機(jī)構(gòu)可以說是個(gè)創(chuàng)造性的進(jìn)步，該機(jī)構(gòu)至今還在使用。

阿波羅號飛船與聯(lián)盟號飛船交會對接

（3）禮炮號空間站

蘇聯(lián)取消登月計(jì)劃后，主要以空間站為需求牽引發(fā)展交會對接技術(shù)，先后建立了禮炮號與和平號空間站。禮炮號交會對接測量系統(tǒng)采用“針”系統(tǒng)，對接機(jī)構(gòu)全部采用“桿-錐”結(jié)構(gòu)型式。在這段時(shí)間蘇聯(lián)也出現(xiàn)了多次交會對接失敗，但是不斷排除故障，持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使交會對接技術(shù)走上成熟。

成熟應(yīng)用階段

經(jīng)過近20年的空間飛行試驗(yàn)和持續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，交會對接技術(shù)逐漸成熟起來。

和平號空間站外形圖

（1）和平號空間站

蘇聯(lián)1986年成功發(fā)射和平號空間站核心艙和對接艙。對接艙有6個(gè)對接口，這種多個(gè)對接口與對接方式是一個(gè)重大技術(shù)創(chuàng)新。對接機(jī)構(gòu)有“桿-錐”型和異體同構(gòu)型兩種，敏感器從最開始使用的老式射頻敏感器系統(tǒng)到1989年改為“航向”雷達(dá)測量系統(tǒng)，可測量相對距離與姿態(tài)，測量系統(tǒng)組成較齊全，作用距離從數(shù)百千米一直到對接。

（2）航天飛機(jī)

美國航天飛機(jī)于1980年首次發(fā)射成功，到了20世紀(jì)90年代，航天飛機(jī)開始具備空間交會/捕獲和對接的能力。對接機(jī)構(gòu)采用異體同構(gòu)周邊改進(jìn)型，測量系統(tǒng)多為交會雷達(dá)，近距離采用光學(xué)敏感器和輕型攝像機(jī)。姿態(tài)控制基本上為自動，軌道控制多數(shù)為航天員手動，加上航天員目視，保證了對接的安全性和可靠性。進(jìn)入21世紀(jì)后，航天飛機(jī)與國際空間站交會對接近距離還采用了激光雷達(dá)。

航天飛機(jī)與和平號空間站對接

（3）日本工程試驗(yàn)技術(shù)－7衛(wèi)星自主交會對接

工程試驗(yàn)技術(shù)－7衛(wèi)星的出現(xiàn)標(biāo)志著交會對接技術(shù)由大型航天器向中小衛(wèi)星過渡。工程試驗(yàn)技術(shù)－7衛(wèi)星由追蹤星（2.5t）和目標(biāo)星（0.5t）組成，入軌后分離，成功進(jìn)行了多次不同距離交會對接。敏感器由交會雷達(dá)、差分GPS和激光雷達(dá)與接近光學(xué)敏感器組成，對接機(jī)構(gòu)采用“撞鎖-手柄”結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適用無人對接。

工程試驗(yàn)技術(shù)－7衛(wèi)星外形圖

過去交會對接技術(shù)發(fā)展小結(jié)

1）過去近30年來，交會對接已經(jīng)從產(chǎn)生、研究、試驗(yàn)與技術(shù)發(fā)展階段，逐步走向成熟和應(yīng)用階段，同時(shí)也成為一項(xiàng)常規(guī)空間操作手段。美蘇兩國開展空間競賽，極大推動交會對接技術(shù)快速發(fā)展。

2）交會對接初期美蘇兩國走了不同的發(fā)展道路：美國以手動為主與自動為輔，蘇聯(lián)以自動為主手動為輔，其原因是：美國以“阿波羅”載人飛船為主要目標(biāo)，蘇聯(lián)的東方號飛船以偵察為主要目標(biāo)。其結(jié)果后者因技術(shù)復(fù)雜，導(dǎo)致發(fā)展緩慢。對載人航天器來說：姿態(tài)控制大多數(shù)為自動，對軌道控制遠(yuǎn)距離采用自動或手動，逼近和對接階段都采用航天員手動，這種控制模式是正確的。

3）采用艙段式結(jié)構(gòu)、6個(gè)對接口艙段，以及載人與運(yùn)貨飛船分開發(fā)展，應(yīng)該作為當(dāng)前空間站最佳結(jié)構(gòu)形式。

3 交會對接的現(xiàn)在

現(xiàn)在交會對接全面大量應(yīng)用在大型航天器，例如各種空間站組裝、日常載人和運(yùn)送貨物，同時(shí)也向無人小衛(wèi)星交會對接枝術(shù)發(fā)展，典型實(shí)例如下。

國際空間站（ISS）

空間站為桁架與艙段式混合的結(jié)構(gòu)模式，國際空間站交會對接測量系統(tǒng)沒有統(tǒng)一規(guī)定，基本上按各國現(xiàn)有敏感器作為目標(biāo)器空間站給予應(yīng)有配合，例如俄羅斯使用Kurs雷達(dá)測量系統(tǒng)，可以從幾百公里到對接口，但是質(zhì)量與功耗很大，國際空間站作為目標(biāo)器也同樣有此設(shè)置。國際空間站對接機(jī)構(gòu)也是各式各樣，根據(jù)追蹤器要求，目標(biāo)器作相應(yīng)配合。到現(xiàn)在為止，粗略統(tǒng)計(jì)國際空間站己有100多次有人無人交會對接，其技術(shù)水平和可靠性已經(jīng)達(dá)到較高水平。

國際空間站

小衛(wèi)星無人交會對接

現(xiàn)代小衛(wèi)星問世至今已有30多年，技術(shù)上飛快發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域全面展開，發(fā)射量逐年遞增，現(xiàn)在每年發(fā)射量占全球總發(fā)射量1/2以上。發(fā)展無人小衛(wèi)星交會對接，對其應(yīng)用將產(chǎn)生很大影響。

XXS－10和XSS－11微小衛(wèi)星是美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制，2003年和2005年分別進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)，內(nèi)容包括小衛(wèi)星對非合作目標(biāo)交會、逼近、停留、繞飛，以及自動與手控等技術(shù)。

美國蒂瓦克公司（TYVAK）在美國國家航空航天局資助下開發(fā)研制兩顆3U立方體衛(wèi)星，計(jì)劃近期發(fā)射，進(jìn)行交會對接技術(shù)空間飛行演示。3U立方體衛(wèi)星帶有冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，空間交會對接系統(tǒng)由追蹤器和目標(biāo)器組成，追蹤器和目標(biāo)器均為3U立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，質(zhì)量和功耗比以前降低2～3個(gè)數(shù)量級。

歐洲航天局（ESA）的通用支持技術(shù)演示衛(wèi)星－3（Proba－3）計(jì)劃2019年在軌進(jìn)行雙星空間交會與停留試驗(yàn)。兩顆衛(wèi)星都裝有推力器，相對位置精度控制在毫米級，在受到太陽輻射壓等干擾時(shí)，兩顆衛(wèi)星可以迅速自主響應(yīng)，驗(yàn)證自主控制。

XSS-10衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在交會對接技術(shù)成就小結(jié)

1）超大型國際空間站具有20多個(gè)各式各樣艙段和對接/停泊端口。至今已安全運(yùn)行十多年，成功實(shí)現(xiàn)百余次與各種類型的飛行器交會對接，交會對接應(yīng)用和發(fā)展已達(dá)到非常高的水平。

2）近10年來實(shí)現(xiàn)交會對接成功率很高，這得益于測量設(shè)備與對接機(jī)構(gòu)技術(shù)全面過關(guān)，還要按空間環(huán)境條件在地面上摸擬，經(jīng)過多自由度全尺寸半物理仿真實(shí)驗(yàn)通過才能上天。

3）根據(jù)空間技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用急需，今后重點(diǎn)應(yīng)發(fā)展無人小衛(wèi)星與非合作目標(biāo)的交會對接技術(shù)，適當(dāng)研究深空交會對接技術(shù)特點(diǎn)，以及大型空間結(jié)構(gòu)所要求交會、保持-停靠、捕獲等技術(shù)。

4 結(jié)論

50年來，交會對接已經(jīng)從研究、試驗(yàn)與技術(shù)發(fā)展階段，逐步把一個(gè)復(fù)雜多自由度（多變量）控制，變成現(xiàn)在技術(shù)成熟、系統(tǒng)可靠的常規(guī)空間操作，但是它們絕大部分都停留在大型載人航天器項(xiàng)目，這些項(xiàng)目投資大，研制周期長，技術(shù)復(fù)雜，僅有長遠(yuǎn)的效益。今后應(yīng)著力發(fā)展那些應(yīng)用領(lǐng)域廣，經(jīng)濟(jì)效益大，而且具有很高潛在軍用價(jià)值的小衛(wèi)星和非合作目標(biāo)的交會對接技術(shù)。