空间对接技术的实现

转播到腾讯微博 国际空间站与哥伦布号实验舱对接 来源 国际太空 杂志 1 空间交会对接技术概述空间交会对接技术概述 空间交会对接技术是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个 整体的技术 空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术 轨道交会控 制技术 对接机构设计技术 空间交会对接测控技术等 广泛用于空间站 空 间实验室 空间通信和遥感平台等大型空间设施在轨装配 回收 补给 维修 以及空间救援等领域 目前为止 只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术 欧洲的 ATV 和日本的 HTV 在交会对接技术方面分别得到了美国或俄罗斯的技 术支持 什么是空间交会对接什么是空间交会对接 空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过 程及结果称做轨道交会 在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器的事件 称做空间对接 所谓空间交会对接是轨道交会和空间对接的总称 空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术 轨道交会控制技术 对接机构设计技术 空间交会对接测控技术等 对接过程通常分为 4 个阶段 两个航天器在完成交会后保持一定的距离 进入共面的相对飞行阶段 在进行下一个步骤之前 两个航天器都要确定对接 姿态 当两个航天器完成了最后的对接准备以后 目标航天器 被动方 保持 原状态 对接航天器 主动方 则进行主动靠近 为了保证对接的准确性 航 天员 或自动对接系统 必须在确保两个航天器的对接设备处于同一直线上之 后 再小心翼翼地进行对接 最初的接触会触发一些小型撞锁来连接两个航天 器 软对接 它们能够起到对接过程中的缓冲作用 在对接完成后 对接设 备将两个航天器拉近紧贴在一起 一些能够进行密封连接的对接系统的对接口 进行密封 硬对接 空间交会对接技术的作用空间交会对接技术的作用 空间交会对接技术的作用主要体现在三个方面 一是为长期运行的空间设 施提供物资补给和人员运输服务 例如 除早期试验阶段外 俄罗斯联盟号载 人飞船和进步号货运飞船的全部飞行任务 以及美国航天飞机与和平号空间站 及国际空间站对接的主要任务都是如此 二是为大型空间设施的建造和运行服 务 和平号空间站的 6 舱段构型是通过交会对接直接在轨组装完成的 国际空 间站的建造既利用了交会对接直接组装舱段 又利用了航天飞机强大的运输能 力和航天员的操作完成了包括桁架 帆板和舱段的组装 航天飞机对哈勃望远 镜的维修则是由交会对接技术支撑的在轨维修服务活动的典范事例 没有交会 对接技术 这些复杂的空间设施的建造和可靠运行是无法实现的 三是进行空 间飞行器重构以实现系统优化 例如在阿波罗登月任务中 在地球轨道和月球 轨道要分别进行一次交会对接 地球轨道交会对接解决了降低火箭上升段逃逸 质量与人员进入登月飞行器通道之间的矛盾 月球轨道交会对接实现了将登月 飞行器与返回地球飞行器的功能区分和独立 大幅降低了对火箭运载能力的需 求 交会对接技术的另一个重大潜在应用领域是载人登月和深空探测任务 这 些任务所需运载能力巨大 通过多次发射和交会对接技术在近地轨道完成轨道 转移飞行器的组装 是降低对单发运载火箭能力需求的有效途径 特别是对于 诸如火星及其以远的载人任务而言 这可能是目前技术水平上可工程实现的最 佳 甚至唯一途径 因此 交会对接技术是发展航天技术 增强人类探索和开发太空资源能力 的一项重大关键技术 它与载人天地往返 出舱活动并称载人航天的三大基本 技术 交会对接技术的发展交会对接技术的发展 目前世界上有美国 俄罗斯 欧洲和日本研制的飞行器分别完成了与运行 在地球轨道上目标飞行器的交会对接 1966 年 3 月 16 日 美国双子星座 8 号 飞船与由阿金纳火箭末级改装的对接目标实现了世界上首次交会对接 其中 最后的近距离交会对接是由航天员人工控制完成的 称为人控交会对接 1967 年 10 月 苏联宇宙 188 号飞船与宇宙 186 号飞船实现了世界上首次无人自动 交会对接 1969 年 7 月 美国阿波罗登月舱与指令服务舱实现了首次月球轨道 人控交会对接 欧洲和日本分别于 2008 和 2009 年实现了自动转移飞行器 ATV Automated Transfer Vehicle 和 H II 转运飞行器 HTV H II Transfer Vehicle 与国际空间站的交会对接 迄今为止 美国和俄罗斯共计进行了 300 多次交会对接飞行 美 俄的交会对接技术已经成熟并在空间站和载人登月中 发挥了重要作用 两国交会对接技术也具有近距离交会段分别以人控和自控为 主的各自鲜明特色 同时 两国都在不断提升交会对接过程中飞行器的自主能 力 目前为止 只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术 欧洲和日本的 ATV 和 HTV 在交会对接技术方面分别得到了美国或俄罗斯的技术支持 ATV 的对接机构由俄罗斯提供 HTV 的对接机构由美国提供 其最后的对接过程是 由空间站机械臂控制完成的 二者在飞行任务中均需要美国和俄罗斯的数据中 继卫星系统 Tracking and Data Relay Satellite TDRS 支持 部分引自周 建平 载人航天交会对接技术 载 载人航天 2011 年 2 月 2 保障交会对接的可靠性和高精度保障交会对接的可靠性和高精度 过去发生过的多次交会对接故障 给我们留下了深刻的反思和经验教训 如何保障交会对接的成功实施 需注意以下几方面 进行充分的地面试验是交会对接成功的关键进行充分的地面试验是交会对接成功的关键 在已发生过的交会对接故障与事故中 相当部分是交会对接系统故障造成 的 例如自动交会对接系统失灵 对接机构故障等 特别是在早期的飞行中 故障率非常高 例如联盟 3 8 10 飞船等都出现过对接故障 从 1960 1990 年苏联载人航天飞行中 共发生影响飞行任务的重大故障 33 次 其中空间交 会对接故障 8 次 占总数的 24 2 空间交会对接发生故障与事故的原因除了 对空间环境认识不足和交会对接技术不成熟之外 就是空间交会对接系统缺乏 有效的地面试验 不能对系统进行充分的考核 为了吸取失败的教训 苏联在 改进交会对接系统的同时 也在不断地建立与完善地面试验手段 例如 为了 准备 1975 年联盟 19 飞船与阿波罗 18 飞船的交会对接 苏联研制了大型悬挂 式对接机构试验设备 在参观了美国的对接机构实验室后 又于 1989 年建成 了对接机构的六自由度综合试验台 从而拥有了先进的地面试验手段 系统具有一定的处理故障冗余能力是提高交会对接可靠性的基础系统具有一定的处理故障冗余能力是提高交会对接可靠性的基础 航天器的空间交会对接过程涉及载人航天的各大系统 特别是飞船 苏联 为增加有效载荷的重量 自联盟 12 飞船开始 取消了其上装有的太阳能电池 阵 虽然依靠蓄电池可以提供飞船上升和返回必需的电能 但是 此时飞船仅 可独立飞行 2 5 天 一旦发生意外 就无法挽救 而且 联盟号飞船的姿控发 动机和主发动机使用不同的推进剂 当姿控发动机推进剂不足时 无法利用主 发动机的剩余推进剂 例如 联盟 15 23 和 25 飞船 在交会对接系统发生故 障时 由于自身的电力和姿控发动机推进剂的限制 地面控制中心没有时间研 究故障排除的措施 航天员也无法手动控制交会对接 飞船只能返回 而且联 盟 23 飞船还因电力即将耗尽 在明知着陆场有暴风雪的情况下 别无选择地 降落在田吉斯湖里 苏联为后来的 联盟 T 型飞船恢复了安装太阳能电池阵 以增加飞船自主运 行的时间以应付各种意外的发生 同时飞船与空间站对接后 飞船的太阳能电 池阵还可以向空间站供电 而且 联盟 T 型飞船的主发动机和姿控发动机使用 了相同的推进剂 从而提高了系统的可靠性 对航天员进行严格的训练是保证交会对接成功的有效措施对航天员进行严格的训练是保证交会对接成功的有效措施 航天员的素质 技能和经验是非常重要的 要提高其素质和技术必须进行 严格的训练 航天员缺乏训练 就不能应付交会对接出现的突发事件 以前航 天员没有进行过空间交会对接的训练 致使交会对接失败 例如 联盟 23 飞 船的航天员没有经过手动控制交会对接的训练 造成在空间交会对接过程中出 现的故障无法排除 而航天员经过专门的交会对接训练后 其状况就大有改观 为了与发生严重故障几乎被放弃的礼炮 7 空间站对接 苏联对联盟 T 13 飞船 的航天员进行了专门训练 在空间站失控并低速滚动的情况下 实现了飞船与 空间站的对接 并挽救了空间站 1989 年 为了排除和平号空间站核心舱和晶 体号舱对接故障 在天 地大系统的密切配合下 也是经航天员积极工作才排除 异物的 所以 针对空间交会对接中可能出现的各种故障与事故 对航天员进 行严格的训练 提高其心理素质和技术技能是非常重要的 3 什么是航天器交会对接什么是航天器交会对接 航天器交会对接是指两个航天器 宇宙飞船 航天飞机等 在太空轨道上交会 对接 合并成在结构上连成一体的航天器的过程 1966 年 3 月 16 日 美国航 天员乘坐 双子星座 8 号 飞船 手动操作交会过程 与无人 阿金纳 目标飞行器 对接 实现了两个航天器之间的首次交会对接 1967 年 10 月 30 日 苏联飞 船 宇宙 186 与 宇宙 188 完成了首次自动交会对接 空间交会对接是载人航天 三大基本技术之一 在很多空间活动中都会用到这项技术 例如 可以在近地 轨道组装大型空间站 组装飞往月球 火星等外天体的飞行器 可以为空间站 运送航天员和物资 可以实现航天器在轨服务 应急救援等 转播到腾讯微博 和平 空间站上的对接口 转播到腾讯微博 美国 双子星座 飞船与 阿金纳 火箭交会 美国航天飞机与俄罗斯 和平 号空间站对接 4 空间交会与对接技术概述 上 空间交会与对接技术概述 上 空间交会与对接技术是指两个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一 个整体的技术 广泛用于空间站 空间实验室 空间通信和遥感平台等大型空 间设施在轨装配 回收 补给 维修以及空间救援等领域 意义重大意义重大 空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一 所谓三大基本技术 就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术 空间出舱活动技术和空间 交会对接技术 只有掌握它们 人类才能自由出入太空 更有效地开发宇宙资 源 对于国家来说 还能独立 平等地参加国际合作 在突破并掌握了载人航天的基本技术之后 宇宙飞船的主要用途就是为空 间站和月球基地等接送航天员和物资 在航天领域专家常说的一句话是 造船 为建站 建站为应用 至今发射的宇宙飞船大多是作为空间站的天地往返交通 工具和长期停靠在空间站上的救生艇 为了实现宇宙飞船的运输功能 就必须 攻克两项关键技术 那就是宇宙飞船与空间站的空间交会技术与对接技术 主 要设备是交会测量系统和对接机构 航天器之间的空间交会对接技术很复杂 在国外载人航天活动早期 航天 器之间的空间交会对接过程中经常发生故障与事故 即使在 1997 年 俄罗斯 的两个航天器还发生过一次重大的空间交会对接事故 进步 M3 4 飞船与 和 平 号空间站相撞 使 和平 号空间站上的 光谱 号舱被迫关闭 部分氧气泄漏 动力系统也受到影响 通过多年的努力 目前美国和苏联 俄罗斯已完全掌握了在地面支持下的载 人交会与对接技术 尤其是苏联 俄罗斯在掌握了空间交会与对接技术以后 先 后利用飞船的运输能力发展了几代载人空间站 在空间交会与对接等方面一直 占据着技术优势 虽然起步较晚 但欧洲 日本等国家在空间交会与对接研究方面已取得长 足进步 特别是某些单项技术和设备 如地面仿真 对接敏感器等 都取得了 惊人的进步 日本曾于 1998 年通过两颗卫星成功进行了无人交会与对接在轨 试验 2009 年又用首个 H2 转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接 欧洲 也在 2008 年用首个自动转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接 技术概述技术概述 在空间交会与对接的两个航天器中 一个称目标航天器 一般是空间站或 其他的大型航天器 是准备对接的目标 另一个称追踪航天器 一般是地面发 射的宇宙飞船 航天飞机等 是与目标航天器对接的对象 对接对象也可以是 太空中失控的或出现故障的航天器 追踪航天器从发射入轨到最后与目标航天 器完成刚性连接 整个过程大致可分为地面导引 自动寻的 最后逼近 对接 合拢四个阶段 5 空间交会与对接技术概述 下 空间交会与对接技术概述 下 四种类型四种类型 航天器空间交会对接技术的实施必须由高级控制系统来完成 根据航天员 及地面站的参与程度可将控制方式划分为如下四种类型 遥控操作 追踪航 天器的控制不依靠航天员 全部由地面站通过遥测和遥控来实现 此时要求全 球设站或者有中继卫星协助 手动操作 在地面测控站的指导下 航天员在 轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断 然后动手操作 这是目前 比较成熟的方法 自动控制 不依靠航天员 由航天器上设备和地面站相 结合实现交会与对接 该控制方法也要求全球设站或有中继卫星协助 自主 控制 不依靠航天员与地面站 完全由航天器上设备自主实现交会与对接 从本质上说 上述分类可归结为人工控制方式或自动控制方式 迄今为止 美国较多地应用人工控制方式 而苏联 俄罗斯则主要采用自动控制方式 用人控来完成太空交会与对接的优点是 可以提高交会与对接的成功率 能及时修正交会系统中的错误和排除故障 节省燃料和时间 自控交会与对接 的优点是 不需要复杂的生命保障系统 可靠性高 无需考虑人员的安全和救 生问题 交会与对接未来的发展趋势是人控和自控相结合 以提高交会与对接 的灵活性 可靠性和成功率 测量系统测量系统 先进的测量系统可以称作是航天器间进行交会与对接时的眼睛 苏联 俄罗斯飞船与空间站对接使用的交会测量系统最早叫 针 后来增加 了数字计算机又改名为 航向 航向 测量系统具有可靠性高 作用距离远的特 点 尤其是不需要庞大的 和平 号空间站作任何机动和姿态变化 航天员也可 借助显示器和键盘进行手动控制 该系统在中远距离采用 S 频段微波雷达 近 距离有激光测距仪 目视光学瞄准器 其 S 频段微波雷达装在飞船上 包括自 动导引头 测距仪和径向速度测量装置 空间站上设有信标 应答机和通信设 备等相应的搜索 捕获定向敏感器 航向 系统共有 9 部天线组成搜索捕获和 跟踪测量系统 追踪航天器上 5 部 目标航天器上 4 部 其中 6 部天线用于 搜索捕获和初定向 1 部用于停靠阶段定向 2 部用于相互跟踪 相对运动测 量和停靠阶段定向 用于搜索的天线为螺盘天线 用于跟踪的为抛物面天线 美国 双子星座 飞船与 阿金纳 火箭对接 使用的交会测量系统为 L 频段非 相干脉冲微波交会雷达 目视光学瞄准器 其中雷达作用距离为 150 米 450 千米 目标航天器上安装应答机 由航天员通过光学瞄准器以手控方式进行交 会与对接操作 美国 阿波罗 飞船指令舱与登月舱对接 使用的交会测量系统为 X 频段单脉冲连续波雷达 目视光学瞄准器 阿波罗 与 联盟 飞船对接也采用 这套测量系统 美国航天飞机与空间站对接 使用的交会测量系统是 Ku 频段 脉冲多普勒雷达 目视光学瞄准器 它具有通信 收发功能 作用范围为 30 米 220 千米 但接近与对接仍由手动完成 近年来 激光雷达因具有可固化 重量轻 体积小 以及测量精度高 易 于测量相对姿态的优点而倍受青睐 但目前它在国际交会与对接中尚处于试验 阶段 而 GPS 导航定位技术相对成熟 已对空间交会与对接提供了有力的支 持 对接机构对接机构 交会与对接既离不开测量系统 也必须有对接机构 二者缺一不可 按不 同的结构和原理 空间对接机构有四种 环 锥 式机构 杆 锥 也叫 栓 锥 式机构 异体同构周边 式机构 抓手 碰撞锁 式机构 环 锥 式是最早期的对接机构 它由内截顶圆锥和外截顶圆锥组成 内截 顶圆锥安装在一系列缓冲器上 使它能吸收冲击能量 这种结构曾用于美国的 双子星座 飞船与 阿金纳 火箭以及美国 双子星座 飞船之间的对接等 杆 锥 式是在两个航天器对接面上分别装有栓和锥的对接机构 即一个航 天器的对接机构内装有接收锥 另一个航天器上装有对接碰撞杆 在对接时 碰撞杆渐渐指向接收锥内 接收锥将杆头锁定 由于这种对接结构不具备既有 主动又有被动的功能 所以不利于实施空间营救 苏联 俄罗斯 联盟 飞船与 礼 炮 号空间站 联盟 TM 飞船与 和平 号空间站 美国 阿波罗 登月舱与指令舱 等的对接 都曾采用这种对接机构 异体同构周边 式对接机构可以克服 杆 锥 式机构的缺点 因为它满足了下 面两个要求 对接机构是异体同构 使航天器既可作主动方 也能作被动方 这一点对空间救援特别重要 对接机构必须是周边的 即所有定向和动力部 件都安装于中央舱口的四周 从而保证中央成为来往通道空间 苏联 联盟 19 飞船与美国 阿波罗 18 飞船 航天飞机与 和平 号空间站 航天飞机与国际空 间站等对接 都采用这种对接机构 其中 航天飞机与国际空间站的对接虽然 仍采用 异体同构周边 对接机构 但增加了先进的综合测量系统 包括 GPS 导 航接收系统 数据跟踪与中继导航与通信接收系统 微波交会雷达系统 激光 对接雷达系统 光学对接摄像系统等 此外 还包括航天员显示装置 空间六 分仪 望远镜 显示器 荧光屏等 抓手 碰撞锁 式是欧洲 日本研制的十字交叉和三点式对接机构 这两种 机构实际上性质相同 只是布局上的差别 前者在周边布置四个抓手与撞锁 后者在周边布置三个抓手与撞锁 这两种对接机构都是无密封性能 无通道口 的设计 适合与不载人航天器之间的对接 如无人空间平台 空间拖船等 未来展望未来展望 在未来的空间交会与对接测量技术发展中 微波交会雷达仍将是可靠的远 距离测量手段之一 并由 L S C 频段向 Ku 频段和毫米波频段发展 在最后 逼近和对接阶段 光学成像敏感器有更突出的优点 所以也是国际上普遍使用 的敏感器 激光雷达的优点