空间对接

空间对接是指两个或以上的航天器在外层空间中构成刚性连接的过程。该连接既可以是临时性的（如货运飞船及载人飞船的停泊滞留），也可以是永久性的（如空间站的组成舱段）。航天器在进行空间对接之前须首先完成空间交会（即两航天器在同一轨道上近距离运行），故掌握空间对接能力的同时也必须掌握空间交会能力（合称“交会对接”）。 现阶段的空间交会对接技术主要用途有三：其一是为长期在轨运行的太空设施（如空间站）提供人员与货物的天地往返运输服务；其二是为方便空间设施的在轨组装建造、保障修复和服务运行（如国际空间站高达423吨重量的各组成模块便极度依赖空间对接技术以便分次发射并在轨模块化组装）；其三是为方便对航天器进行分段重构以优化任务流程（如阿波罗计划得益于空间对接技术的发展而得以将飞船拆分为登月部分和非登月部分并实施月球轨道交会方案）。 在人类航天史上，美国为掌握空间交会对接技术而在双子座计划中率先规划了交会对接测试任务，曾计划在1965年10月让双子座6号乘组在瓦尔特·施艾拉的指挥下与无人的阿金纳目标飞行器进行交会对接测试，但原计划先期发射升空的阿金纳目标飞行器在发射过程中爆炸，双子座6号任务取消，相关对接测试计划也被迫推迟。在其后经过修改的双子座6A号任务中，施艾拉驾驶双子座6A号于1965年12月成功与双子座7号载人飞船完成了空间交会任务，任务中双方的最近距离仅为0.3米（1英尺），但两艘双子座飞船均没有进行对接的能力。1966年3月16日，尼尔·阿姆斯特朗驾驶双子座8号飞船成功完成了与阿金纳目标飞行器间的交会对接，这是人类航天史上的首次空间对接。此后的三次双子座任务中亦进行了手动操作交会对接。 在其后的阿波罗计划中，航天员在登陆月球前后需要至少两次在阿波罗指令/服务舱（CSM）和登月舱（LM）之间进行人员转移和撤离，而空间交会对接作为航天员在指令/服务舱和登月舱间进行转移时的重要步骤而被极其重视。在一次标准的阿波罗登月任务中，飞船在被送入地月转移轨道不久后指令/服务舱就需首先与火箭的第三级分离，然后与登月舱进行空间对接，将其从火箭中抽出并撤离。其后航天员在完成登月任务并驾驶登月舱上升段起飞后，上升段上的两名航天员也必须在月球轨道上与指令/服务舱进行另外一次交会对接才能转移人员和月表样品并返回地球。阿波罗飞船在设计上首次采用了舱内转移通道，可允许航天员乘组通过指令舱和登月舱前端对接口之间的通道直接进行舱内转移。这套登月对接机动流程首先于1969年3月7日通过阿波罗9号任务在地球轨道上进行了测试，其后通过1969年5月进行的阿波罗10号任务在月球轨道上进行了全流程演练，此后的七次阿波罗任务均在任务过程中进行了该交会对接流程，其中在阿波罗13号任务中登月舱并非用于登月，而是被临时当作救生舱使用。 与在双子座计划、阿波罗计划、天空实验室计划和早期的航天飞机计划中一直使用手动操作交会对接的美国所不同，苏联在其早期的交会对接测试中便开始尝试使用自动对接系统。其首个自动对接导航系统“Igla”于1967年10月30日通过两艘无人测试航天器“宇宙186号”和“宇宙188号”之间的自主空间交会对接而成功完成测试，这也是苏联首次成功的交会对接试验。其后苏联继续进行发展交会对接技术并开始尝试载人对接。苏联于1968年10月25日完成了联盟2号无人飞船与联盟3号载人飞船之间的空间交会；但对接尝试失败。苏联的首次成功的载人交会对接任务于1969年1月16日由联盟4号和联盟5号飞船完成。与美国的阿波罗飞船所不同，早期苏联并未尝试通过航天器之间的对接口来构筑气密性舱内转移通道，故联盟5号三名航天员中的两人需要通过舱外活动来从联盟5号转移至联盟4号才能按照任务目标以最终搭乘联盟4号返回地球。 苏联在1970年代初对联盟号飞船的对接机构进行了升级更替，新对接机构设计中增设了一个加压的舱内转移通道，以便在礼炮计划中航天员能够通过对接口在飞船与空间站之间进行直接转移。首次成功的空间站对接任务在1971年6月7日由联盟11号载人飞船与礼炮1号空间站完成。美国紧随其后，于1973年5月完成了阿波罗飞船指令/服务舱与天空实验室空间站之间的对接。1975年7月，美苏两国合作完成了阿波罗-联盟测试计划，通过专门设计的新对接机构和对接舱来适配两国不同标准的对接系统和舱内气压以支持阿波罗飞船指令/服务舱与联盟号飞船之间的交会对接能力。 从1978年的礼炮6号空间站起，苏联开始在空间站上设置一个以上的对接口，并同时启用无人的进步号货运飞船以定期向空间站补给物资，大大延长了航天员乘组的在轨滞留时间。作为一艘无人飞船，进步号与空间站之间的对接完全自主。1986年，联盟号飞船上的“Igla”自动对接导航系统被更新的“Kurs”系统所替代，几年后进步号飞船获得了同样的升级。“Kurs”自动对接系统至今仍用于国际空间站俄罗斯轨道段的交会对接。 航天器之间的“非合作目标交会对接”（英語：Berthing）最早可以追溯到航天飞机货舱内的有效载荷的释放和捕获，主要目的是对载荷进行在轨保养或返地维修。最早用于帮助捕获/释放这一类没有自主配合能力的有效载荷的辅助装置便是航天飞机上搭载的加拿大臂。航天飞机时代的非合作目标交会对接会根据任务需要而使用了几种不同的对接口。 一个典型的，由空间交会和空间对接共同组成的交会对接过程一般可分为4个阶段，包括远距离导引段、近距离导引段、逼近段和对接段。从广义上讲，还可包括对接完成之后的组合体飞行段、分离与撤离段。其基本过程如下： 远距离导引段：远距离导引段从追踪飞行器入轨开始，到追踪飞行器上的敏感器捕获到目标飞行器并转入自主控制为止。根据地面测控系统的指导能力和船载测量设备 的性能，远距离导引结束时，两航天器之间的距离约为一百多千米至几十千米。 近距离导引段：近距离导引段从追踪飞行器上的敏感器捕获到目标飞行器开始，到星载交会控制系统采用相对导航，将追踪飞行器导引到接近走廊外的位置保持点为止，该位置保持点通常在距目标飞行器几百米位置。 逼近段：逼近段的交会范围在几百米以内，可进一步分为绕飞段和平移靠拢段：绕飞段是指追踪飞行器在距离几百米时，开始围绕目标进行相对运动控制，将相对位置调节到对接走廊；而平移靠拢段则是指从追踪飞行器进入接近走廊开始，到追踪飞行器与目标飞行器的对接机构互相开始接触为止。 对接段：从追踪飞行器与目标飞行器对接机构首次接触开始，到对接机构将两个航天器连接为一个整体的阶段称为对接段。在对接段，对接机构主要负责完成对航天器的捕获，并形成刚性连接。 具体至实际应用中，以神舟八号与天宫一号之间的交会对接类型为例，由于“目标飞行器”（交会对接试验中的被动目标）与“追踪飞行器”（晚于目标飞行器发射，入轨后主动接近目标飞行器）均具备配合能力且交会对接过程中对两航天器的控制大部分由地面站与船载设备联合完成，这次对接任务可以被大致归类为“合作目标自动交会对接”。其主要流程为： 以神舟八号对接任务为例，“远距离导引段”是飞船在发射入轨之后，到飞船远距离导引终点为止的一个飞行阶段。这期间主要由地面测控系统在中继卫星及测量船的协助下进行导航计算和控制指令生成，然后将指令注入飞行器并执行相应操作（即“地面导引控制”交会）。此时追踪飞行器的主要飞控工作是通过5次轨道控制，使飞船在预定时刻到达天宫一号（目标飞行器）后下方约52公里处（即远距离导引终点），控制飞船与目标飞行器建立相对导航，并做好下一步自主控制的准备。 以神舟八号对接任务为例，“自主控制段”是追踪飞行器从地面导引控制转入自主控制开始，到与目标飞行器完成对接机构接触为止的一个飞行阶段。还可具体分为以下三个部分： 寻的段：指神舟八号转入自主控制开始，至进入5公里停泊点为止的一个飞行阶段，飞行时间约为70分钟，追踪飞行器和目标飞行器间的距离由52公里缩短至约5公里。 接近段：指两飞行器从5公里处，经400米停泊点，到达140米停泊点并准备最终靠拢的一个飞行阶段，飞行时间约为62分钟。 平行靠拢段：指两飞行器从140米停泊点到对接机构最终互相接触的一个飞行阶段，飞行时间约为10分30秒。其中，神舟八号从140米停泊点靠拢至30米停泊点后，地面会对两航天器的对接准备状况进行最终确认；从30米停泊点到对接环接触过程中，神舟八号以约0.2米/秒的相对速度，接近天宫一号，直至对接机构初步接触，平移靠拢段结束。 以神舟八号对接任务为例，“对接段”是指从两个航天器的对接机构完成初步接触开始，到彻底锁紧并形成刚性连接的组合体这一飞行阶段。在对接机构完成锁紧后，天宫一号接管组合体的姿态控制，建立起组合体飞行模式，开始组合体运行阶段。对阶段全程约15分钟，主要由“接触”、“捕获”、“缓冲&校正”、“拉回”、“锁紧”共五个部分组成。 空间对接机构按照其不同的结构和原理大致可分为以下四种： “环-锥”式机构：人类航天史上最早出现的对接机构类型，通常由内截顶圆锥与外截顶圆锥组成。前者被安装在一系列缓冲器上以使其能吸收冲击能量。使用该类对接机构的航天器包括美国的“双子星座”飞船以及“阿金纳”目标飞行器。 “杆-锥”式机构：通常为异体异构式设计，即主动方与被动方飞行器的对接机构互不相同。使用这种对接机构类型的航天器会在被动方的对接口内装有接收锥，在主动方的对接口内装有对接碰撞杆。两艘航天器进行对接时，碰撞杆会逐渐向接收锥内移动，然后接收锥会锁定杆头。使用该类对接机构的航天器包括苏/俄的联盟号飞船、礼炮系列空间站以及和平号空间站；美国阿波罗飞船的登月舱与指令/服务舱以及天空实验室等等。 周边式机构：通常为异体同构式设计，即主动方与被动方飞行器的对接机构可相互兼容。这种设计会在航天器的对接口上设置导向瓣（通常为内翻式导向瓣），以软对接和硬对接两个环节完成整个对接过程。以美制的“APAS-95”式对接机构为例，其软对接结构包括一个软对接环，上有3个导向瓣和撞锁的撞扣。硬对接结构则位于软对接机构的后端外围，包括硬对接环，上有12组硬对接钩子和3组硬对接插销。在对接过程中，飞船上伸出的软对接环会首先与空间站进行对接，接着两个软对接环上的引导花瓣互相插入，并将上面的撞锁锁住，将飞船和空间站锁在一起，完成软对接环的对接。软对接环完成对接之后，飞船会根据空间站接口上的十字辅助图像继续调整自己的位置，当从飞船上看该十字图案恰好在中心位置时，便可以开始硬对接。硬对接环上的3组插销装置可保证硬对接处于准确位置，硬对接实现后，两边的12组钩子也会完全钩上，这也标志着飞船和空间站对接成功。阿波罗-联盟测试计划中的联盟7K-TM型飞船和阿波罗对接舱、和平号空间站对接舱、美国的航天飞机以及国际空间站等航天器都曾采用过这种对接机构。 “抓手-碰撞锁”式机构：可分为欧空局研制的十字交叉式对接机构和日本制的三点式对接机构。通常为异体异构式设计，两者的共同特点是既不具备气密性对接能力、也没有对接通道的设计。适合包括无人空间平台、空间拖船在内的无人航天器之间所进行的交会对接。中国的嫦娥五号/六号探测器的返回器/上升器也均采用这种对接机构。 ^A 异体同构式标准对接机构（仅联盟TM-16），异体异构式被动对接机构（晶体号实验舱、和平号空间站核心舱） ^B 异体同构式标准对接机构（航天飞机、曙光号功能货舱、PMA-1），异体异构式被动对接机构（PMA-2、PMA-3） ^C 异体同构式标准对接机构（神舟飞船、天舟飞船、问天/梦天实验舱、巡天号光学舱），异体异构式被动对接机构（天宫一号/二号、天和核心舱） ^D 异体同构式标准对接机构（商业载人航天飞行器、猎户座飞船），异体异构式被动对接机构（国际对接适配器） “对接舱”或“对接适配器”是一种专门用于适配不同对接机构以及(或)舱内气压标准的过渡模块。“对接舱”（Docking Module）主要用于指代可加压的独立过渡舱段，而“对接适配器”（Docking Adapter）通常只是一个对接过渡环或过渡通道而非独立舱段。下表列出现役和已退役的一些对接舱或对接适配器： 空间交会 月球轨道集合 地球轨道集合 空间站 货运飞船 载人航天 航天主题 天宫空间站的每个舱段均存在一个备份。空间站的一期工程结束之后，备份舱段会根据任务需要择机发射完成二期工程的扩容。 神舟十二号载人飞船撤离空间站组合体. 新华网. 2021-09-16 [2022-08-24]. （原始内容存档于2022-08-24） （中文（中国大陆））.  天舟三号货运飞船已撤离空间站组合体 空间站将迎接问天实验舱. 央视新闻客户端. 2022-07-17 [2022-08-24]. （原始内容存档于2022-08-24） –通过环球网 （中文（中国大陆））.  许建文. “问天”十问——详解中国空间站问天实验舱发射任务. 新华网. 2022-07-26 [2022-08-24]. （原始内容存档于2022-07-27） （中文（中国大陆））.  王翔. 大器厚成：中国空间站的交会对接. 思客. 新华网. 2021-12-07 [2022-08-14]. （原始内容存档于2022-08-14） 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