空間交會對接的發展歷程

林來興 (北京控制工程研究所)

1 引言

空間交會對接產生和初期蓬勃發展，完全是美蘇冷戰時期兩國開展空間競賽的結果。后來由于空間技術本身發展和應用需求，使其連續不斷進步，發展出許多新的應用領域。半個世紀以來，全世界成功實現交會對接近500次。只有美國、俄羅斯、中國、歐洲航天局和日本獨自掌握交會對接能力。現在人們開始認識到，發展交會對接技術本身不是目的而是手段，應用這種手段的空間任務和工程項目具有深遠的科學意義、極大的應用價值和社會與經濟效益。空間交會對接技術從出現到發展成熟，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發展和輝煌成果分為過去和現在，前30年劃為過去，后20年定為現在（大約2001—2020年）。

2 交會對接的過去

試驗研究階段

（1）雙子座號飛船

美國為在空間競賽中趕超蘇聯，決定實施“阿波羅”計劃，為此產生交會對接概念和需要。美國為實施“阿波羅”計劃必須要先在近地軌道成功驗證空間交會對接技術，從而產生雙子座號（Gemini）飛船。1966年3月16日，美國雙子座－8飛船與阿金納號目標飛行器在航天員參與下實現了世界上首次交會對接。對接機構很簡單，由“錐”與“環”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。測量系統為交會雷達，另有光學瞄準鏡，用于近距離測量，提供航天員使用。雙子座號飛船為“阿波羅”計劃的交會對接完成了技術準備。

（2）初期聯盟號飛船

在美國之后，蘇聯于1967年10月30日用宇宙－186和宇宙－188不載人聯盟號飛船完成了首次自動交會對接。1969年聯盟－4和聯盟－5飛船實現了載人交會對接。對接機構為“桿-錐”式，對接機構當中沒有通道，航天員必須從艙外進入另一艘飛船。不久經過改進后，把“桿-錐”式對接機構轉動90°，航天員可以從艙內通過。聯盟號飛船一開始就以自動為主、手動為輔，由于系統復雜，技術難度大，一度影響了研制進度，但是經過多次飛行試驗與改進，逐漸實用可靠，一直使用到現在。

技術發展階段

（1）阿波羅號載人登月飛船

阿波羅號登月飛船每次需要進行兩次交會對接，是美國發展空間交會對接的原動力。阿波羅號飛船采用的對接機構為“桿-錐”型結構，測量敏感器在交會階段是依靠微波雷達，接近和對接階段依靠航天員目視目標器，由手控操作來完成對接。交會對接技術對完成“阿波羅”登月計劃起到了關鍵作用。

（2）阿波羅號與聯盟號飛船對接

1975年7月，美國阿波羅號飛船與蘇聯聯盟號飛船在空間實現交會對接。由于阿波羅號飛船與聯盟號飛船交會對接測量系統不同，飛船增加了應答機、光點標志等設備。先以阿波羅號飛船作為追蹤器、聯盟號飛船作為目標器，兩艘飛船順利實現交會對接，然后分開，再以聯盟號飛船作為追蹤器、阿波羅號飛船作為目標器又進行了第二次交會對接。這次空間握手意義非常大，交會對接技術與操作實現了跨國兼容和國際化，特別是異體同構周邊對接機構可以說是個創造性的進步，該機構至今還在使用。

阿波羅號飛船與聯盟號飛船交會對接

（3）禮炮號空間站

蘇聯取消登月計劃后，主要以空間站為需求牽引發展交會對接技術，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采用“針”系統，對接機構全部采用“桿-錐”結構型式。在這段時間蘇聯也出現了多次交會對接失敗，但是不斷排除故障，持續改進設計，使交會對接技術走上成熟。

成熟應用階段

經過近20年的空間飛行試驗和持續的設計改進，交會對接技術逐漸成熟起來。

和平號空間站外形圖

（1）和平號空間站

蘇聯1986年成功發射和平號空間站核心艙和對接艙。對接艙有6個對接口，這種多個對接口與對接方式是一個重大技術創新。對接機構有“桿-錐”型和異體同構型兩種，敏感器從最開始使用的老式射頻敏感器系統到1989年改為“航向”雷達測量系統，可測量相對距離與姿態，測量系統組成較齊全，作用距離從數百千米一直到對接。

（2）航天飛機

美國航天飛機于1980年首次發射成功，到了20世紀90年代，航天飛機開始具備空間交會/捕獲和對接的能力。對接機構采用異體同構周邊改進型，測量系統多為交會雷達，近距離采用光學敏感器和輕型攝像機。姿態控制基本上為自動，軌道控制多數為航天員手動，加上航天員目視，保證了對接的安全性和可靠性。進入21世紀后，航天飛機與國際空間站交會對接近距離還采用了激光雷達。

航天飛機與和平號空間站對接

（3）日本工程試驗技術－7衛星自主交會對接

工程試驗技術－7衛星的出現標志著交會對接技術由大型航天器向中小衛星過渡。工程試驗技術－7衛星由追蹤星（2.5t）和目標星（0.5t）組成，入軌后分離，成功進行了多次不同距離交會對接。敏感器由交會雷達、差分GPS和激光雷達與接近光學敏感器組成，對接機構采用“撞鎖-手柄”結構，質量輕、結構簡單，適用無人對接。

工程試驗技術－7衛星外形圖

過去交會對接技術發展小結

1）過去近30年來，交會對接已經從產生、研究、試驗與技術發展階段，逐步走向成熟和應用階段，同時也成為一項常規空間操作手段。美蘇兩國開展空間競賽，極大推動交會對接技術快速發展。

2）交會對接初期美蘇兩國走了不同的發展道路：美國以手動為主與自動為輔，蘇聯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，蘇聯的東方號飛船以偵察為主要目標。其結果后者因技術復雜，導致發展緩慢。對載人航天器來說：姿態控制大多數為自動，對軌道控制遠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）采用艙段式結構、6個對接口艙段，以及載人與運貨飛船分開發展，應該作為當前空間站最佳結構形式。

3 交會對接的現在

現在交會對接全面大量應用在大型航天器，例如各種空間站組裝、日常載人和運送貨物，同時也向無人小衛星交會對接枝術發展，典型實例如下。

國際空間站（ISS）

空間站為桁架與艙段式混合的結構模式，國際空間站交會對接測量系統沒有統一規定，基本上按各國現有敏感器作為目標器空間站給予應有配合，例如俄羅斯使用Kurs雷達測量系統，可以從幾百公里到對接口，但是質量與功耗很大，國際空間站作為目標器也同樣有此設置。國際空間站對接機構也是各式各樣，根據追蹤器要求，目標器作相應配合。到現在為止，粗略統計國際空間站己有100多次有人無人交會對接，其技術水平和可靠性已經達到較高水平。

國際空間站

小衛星無人交會對接

現代小衛星問世至今已有30多年，技術上飛快發展，應用領域全面展開，發射量逐年遞增，現在每年發射量占全球總發射量1/2以上。發展無人小衛星交會對接，對其應用將產生很大影響。

XXS－10和XSS－11微小衛星是美國空軍研究實驗室負責研制，2003年和2005年分別進行空間飛行試驗，內容包括小衛星對非合作目標交會、逼近、停留、繞飛，以及自動與手控等技術。

美國蒂瓦克公司（TYVAK）在美國國家航空航天局資助下開發研制兩顆3U立方體衛星，計劃近期發射，進行交會對接技術空間飛行演示。3U立方體衛星帶有冷氣推進系統，空間交會對接系統由追蹤器和目標器組成，追蹤器和目標器均為3U立方體衛星結構，質量和功耗比以前降低2～3個數量級。

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

XSS-10衛星外形結構

現在交會對接技術成就小結

1）超大型國際空間站具有20多個各式各樣艙段和對接/停泊端口。至今已安全運行十多年，成功實現百余次與各種類型的飛行器交會對接，交會對接應用和發展已達到非常高的水平。

2）近10年來實現交會對接成功率很高，這得益于測量設備與對接機構技術全面過關，還要按空間環境條件在地面上摸擬，經過多自由度全尺寸半物理仿真實驗通過才能上天。

3）根據空間技術發展和應用急需，今后重點應發展無人小衛星與非合作目標的交會對接技術，適當研究深空交會對接技術特點，以及大型空間結構所要求交會、保持-停靠、捕獲等技術。

4 結論

50年來，交會對接已經從研究、試驗與技術發展階段，逐步把一個復雜多自由度（多變量）控制，變成現在技術成熟、系統可靠的常規空間操作，但是它們絕大部分都停留在大型載人航天器項目，這些項目投資大，研制周期長，技術復雜，僅有長遠的效益。今后應著力發展那些應用領域廣，經濟效益大，而且具有很高潛在軍用價值的小衛星和非合作目標的交會對接技術。