太空对接

**太空對接**是指兩個或以上的太空載具在外太空中構成剛性連接的過程。該連接既可以是臨時性的（如貨運飛船及載人飛船的停泊滯留），也可以是永久性的（如太空站的組成艙段）。太空載具在進行太空對接之前須首先完成太空會合（即兩太空載具在同一軌道上近距離運行），故掌握太空對接能力的同時也必須掌握太空會合能力（合稱「**交會對接**」）。

現階段的太空會合對接技術主要用途有三：其一是為長期在軌運行的太空設施（如太空站）提供人員與貨物的天地往返運輸服務；其二是為方便空間設施的在軌組裝建造、保障修復和服務運行（如國際太空站高達 423 噸重量的各組成模組便極度依賴太空對接技術以便分次發射並在軌模組化組裝）；其三是為方便對太空載具進行分段重構以優化任務流程（如阿波羅計畫得益於太空對接技術的發展而得以將飛船拆分為登月部分和非登月部分並實施月球軌道交會方案）。

## 歷史

在人類航太史上，美國為掌握太空會合對接技術而在雙子星計畫中率先規劃了交會對接測試任務，曾計劃在 1965 年 10 月讓雙子座 6 號乘組在瓦爾特・施艾拉的指揮下與無人的阿金納目標飛行器進行交會對接測試，但原計劃先期發射升空的阿金納目標飛行器在發射過程中爆炸，雙子座 6 號任務取消，相關對接測試計劃也被迫推遲。在其後經過修改的雙子座 6A 號任務中，施艾拉駕駛雙子座 6A 號於 1965 年 12 月成功與雙子座 7 號載人飛船完成了太空會合任務，任務中雙方的最近距離僅為 0.3 公尺（1 英尺），但兩艘雙子座飛船均沒有進行對接的能力。1966 年 3 月 16 日，尼爾・阿姆斯特朗駕駛雙子座 8 號飛船成功完成了與阿金納目標飛行器間的交會對接，這是人類航太史上的首次太空對接。此後的三次雙子座任務中亦進行了手動操作交會對接。

在其後的阿波羅計畫中，太空人在登陸月球前後需要至少兩次在阿波羅指令 / 服務艙（CSM）和登月艙（LM）之間進行人員轉移和撤離，而太空會合對接作為太空人在指令 / 服務艙和登月艙間進行轉移時的重要步驟而被極其重視。在一次標準的阿波羅登月任務中，飛船在被送入地月轉移軌道不久後指令 / 服務艙就需首先與火箭的第三級分離，然後與登月艙進行太空對接，將其從火箭中抽出並撤離。其後太空人在完成登月任務並駕駛登月艙上升段起飛後，上升段上的兩名太空人也必須在月球軌道上與指令 / 服務艙進行另外一次交會對接才能轉移人員和月表樣品並返回地球。阿波羅飛船在設計上首次採用了艙內轉移通道，可允許太空人乘組通過指令艙和登月艙前端對接口之間的通道直接進行艙內轉移。這套登月對接機動流程首先於 1969 年 3 月 7 日通過阿波羅 9 號任務在地球軌道上進行了測試，其後通過 1969 年 5 月進行的阿波羅 10 號任務在月球軌道上進行了全流程演練，此後的七次阿波羅任務均在任務過程中進行了該交會對接流程，其中在阿波羅 13 號任務中登月艙並非用於登月，而是被臨時當作救生艙使用。

與在雙子星計畫、阿波羅計畫、太空實驗室計劃和早期的太空梭計劃中一直使用手動操作交會對接的美國所不同，蘇聯在其早期的交會對接測試中便開始嘗試使用自動對接系統。其首個自動對接導航系統「Igla」於 1967 年 10 月 30 日通過兩艘無人測試太空載具「宇宙 186 號」和「宇宙 188 號」之間的自主太空會合對接而成功完成測試，這也是蘇聯首次成功的交會對接試驗。其後蘇聯繼續進行發展交會對接技術並開始嘗試載人對接。蘇聯於 1968 年 10 月 25 日完成了聯盟 2 號無人飛船與聯盟 3 號載人飛船之間的太空會合；但對接嘗試失敗。蘇聯的首次成功的載人交會對接任務於 1969 年 1 月 16 日由聯盟 4 號和聯盟 5 號飛船完成。與美國的阿波羅飛船所不同，早期蘇聯並未嘗試通過太空載具之間的對接口來構築氣密性艙內轉移通道，故聯盟 5 號三名太空人中的兩人需要通過艙外活動來從聯盟 5 號轉移至聯盟 4 號才能按照任務目標以最終搭乘聯盟 4 號返回地球。

蘇聯在 1970 年代初對聯盟號飛船的對接機構進行了升級更替，新對接機構設計中增設了一個加壓的艙內轉移通道，以便在禮炮計劃中太空人能夠通過對接口在飛船與太空站之間進行直接轉移。首次成功的太空站對接任務在 1971 年 6 月 7 日由聯盟 11 號載人飛船與禮炮 1 號太空站完成。美國緊隨其後，於 1973 年 5 月完成了阿波羅飛船指令 / 服務艙與太空實驗室太空站之間的對接。1975 年 7 月，美蘇兩國合作完成了阿波羅 - 聯盟測試計劃，通過專門設計的新對接機構和對接艙來適配兩國不同標準的對接系統和艙內氣壓以支持阿波羅飛船指令 / 服務艙與聯盟號飛船之間的交會對接能力。

從 1978 年的禮炮 6 號太空站起，蘇聯開始在太空站上設置一個以上的對接口，並同時啟用無人的進步號貨運飛船以定期向太空站補給物資，大大延長了太空人乘組的在軌滯留時間。作為一艘無人飛船，進步號與太空站之間的對接完全自主。1986 年，聯盟號飛船上的「Igla」自動對接導航系統被更新的「Kurs」系統所替代，幾年後進步號飛船獲得了同樣的升級。「Kurs」自動對接系統至今仍用於國際太空站俄羅斯軌道段的交會對接。

### 非合作目標交會對接

太空載具之間的「非合作目標交會對接」（英語：Berthing）最早可以追溯到太空梭貨艙內的酬載的釋放和捕獲，主要目的是對載荷進行在軌保養或返地維修。最早用於幫助捕獲 / 釋放這一類沒有自主配合能力的酬載的輔助裝置便是太空梭上搭載的加拿大臂。太空梭時代的非合作目標交會對接會根據任務需要而使用了幾種不同的對接口。

## 過程

一個典型的，由太空會合和太空對接共同組成的交會對接過程一般可分為 4 個階段，包括遠距離導引段、近距離導引段、逼近段和對接段。從廣義上講，還可包括對接完成之後的組合體飛行段、分離與撤離段。其基本過程如下：

* 遠距離導引段：遠距離導引段從追蹤飛行器入軌開始，到追蹤飛行器上的敏感器捕獲到目標飛行器並轉入自主控制為止。根據地面測控系統的指導能力和船載測量設備 的性能，遠距離導引結束時，兩太空載具之間的距離約為一百多千米至幾十千米。
* 近距離導引段：近距離導引段從追蹤飛行器上的敏感器捕獲到目標飛行器開始，到星載交會控制系統採用相對導航，將追蹤飛行器導引到接近走廊外的位置保持點為止，該位置保持點通常在距目標飛行器幾百米位置。
* 逼近段：逼近段的交會範圍在幾百米以內，可進一步分為繞飛段和平移靠攏段：繞飛段是指追蹤飛行器在距離幾百米時，開始圍繞目標進行相對運動控制，將相對位置調節到對接走廊；而平移靠攏段則是指從追蹤飛行器進入接近走廊開始，到追蹤飛行器與目標飛行器的對接機構互相開始接觸為止。
* 對接段：從追蹤飛行器與目標飛行器對接機構首次接觸開始，到對接機構將兩個太空載具連接為一個整體的階段稱為對接段。在對接段，對接機構主要負責完成對太空載具的捕獲，並形成剛性連接。

### 對接任務實例

具體至實際應用中，以神舟八號與天宮一號之間的交會對接類型為例，由於「目標飛行器」（交會對接試驗中的被動目標）與「追蹤飛行器」（晚於目標飛行器發射，入軌後主動接近目標飛行器）均具備配合能力且交會對接過程中對兩太空載具的控制大部分由地面站與船載設備聯合完成，這次對接任務可以被大致歸類為「合作目標自動交會對接」。其主要流程為：

#### 遠距離導引段

以神舟八號對接任務為例，「遠距離導引段」是飛船在發射入軌之後，到飛船遠距離導引終點為止的一個飛行階段。這期間主要由地面測控系統在中繼衛星及測量船的協助下進行導航計算和控制指令生成，然後將指令注入飛行器並執行相應操作（即「地面導引控制」交會）。此時追蹤飛行器的主要飛控工作是通過 5 次軌道控制，使飛船在預定時刻到達天宮一號（目標飛行器）後下方約 52 公里處（即遠距離導引終點），控制飛船與目標飛行器建立相對導航，並做好下一步自主控制的準備。

#### 自主控制段

以神舟八號對接任務為例，「自主控制段」是追蹤飛行器從地面導引控制轉入自主控制開始，到與目標飛行器完成對接機構接觸為止的一個飛行階段。還可具體分為以下三個部分：

1. **尋的段**：指神舟八號轉入自主控制開始，至進入 5 公里停泊點為止的一個飛行階段，飛行時間約為 70 分鐘，追蹤飛行器和目標飛行器間的距離由 52 公里縮短至約 5 公里。
2. **接近段**：指兩飛行器從 5 公里處，經 400 米停泊點，到達 140 米停泊點並準備最終靠攏的一個飛行階段，飛行時間約為 62 分鐘。
3. **平行靠攏段**：指兩飛行器從 140 米停泊點到對接機構最終互相接觸的一個飛行階段，飛行時間約為 10 分 30 秒。其中，神舟八號從 140 米停泊點靠攏至 30 米停泊點後，地面會對兩太空載具的對接準備狀況進行最終確認；從 30 米停泊點到對接環接觸過程中，神舟八號以約 0.2 米 / 秒的相對速度，接近天宮一號，直至對接機構初步接觸，平移靠攏段結束。

#### 對接段

以神舟八號對接任務為例，「對接段」是指從兩個太空載具的對接機構完成初步接觸開始，到徹底鎖緊並形成剛性連接的組合體這一飛行階段。在對接機構完成鎖緊後，天宮一號接管組合體的姿態控制，建立起組合體飛行模式，開始組合體運行階段。對階段全程約 15 分鐘，主要由「**接觸**」、「**捕獲**」、「**緩衝 & 校正**」、「**拉回**」、「**鎖緊**」共五個部分組成。

## 對接裝置

### 對接機構

太空對接機構按照其不同的結構和原理大致可分為以下四種：

* **「環 - 錐」式機構**：人類航太史上最早出現的對接機構類型，通常由內截頂圓錐與外截頂圓錐組成。前者被安裝在一系列緩衝器上以使其能吸收衝擊能量。使用該類對接機構的太空載具包括美國的「雙子星座」飛船以及「阿金納」目標飛行器。
* **「杆 - 錐」式機構**：通常為異體異構式設計，即主動方與被動方飛行器的對接機構互不相同。使用這種對接機構類型的太空載具會在被動方的對接口內裝有接收錐，在主動方的對接口內裝有對接碰撞杆。兩艘太空載具進行對接時，碰撞杆會逐漸向接收錐內移動，然後接收錐會鎖定桿頭。使用該類對接機構的太空載具包括蘇 / 俄的聯盟號飛船、禮炮系列太空站以及和平號太空站；美國阿波羅飛船的登月艙與指令 / 服務艙以及太空實驗室等等。
* **周邊式機構**：通常為異體同構式設計，即主動方與被動方飛行器的對接機構可相互兼容。這種設計會在太空載具的對接口上設置導向瓣（通常為內翻式導向瓣），以軟對接和硬對接兩個環節完成整個對接過程。以美制的「APAS-95」式對接機構為例，其軟對接結構包括一個軟對接環，上有 3 個導向瓣和撞鎖的撞扣。硬對接結構則位於軟對接機構的後端外圍，包括硬對接環，上有 12 組硬對接鉤子和 3 組硬對接插銷。在對接過程中，飛船上伸出的軟對接環會首先與太空站進行對接，接著兩個軟對接環上的引導花瓣互相插入，並將上面的撞鎖鎖住，將飛船和太空站鎖在一起，完成軟對接環的對接。軟對接環完成對接之後，飛船會根據太空站接口上的十字輔助圖像繼續調整自己的位置，當從飛船上看該十字圖案恰好在中心位置時，便可以開始硬對接。硬對接環上的 3 組插銷裝置可保證硬對接處於準確位置，硬對接實現後，兩邊的 12 組鉤子也會完全鉤上，這也標誌著飛船和太空站對接成功。阿波羅 - 聯盟測試計劃中的聯盟 7K-TM 型飛船和阿波羅對接艙、和平號太空站對接艙、美國的太空梭以及國際太空站等太空載具都曾採用過這種對接機構。
* **「抓手 - 碰撞鎖」式機構**：可分為歐空局研製的十字交叉式對接機構和日本制的三點式對接機構。通常為異體異構式設計，兩者的共同特點是既不具備氣密性對接能力、也沒有對接通道的設計。適合包括無人空間平台、空間拖船在內的無人太空載具之間所進行的交會對接。中國的嫦娥五號 / 六號探測器的返回器 / 上升器也均採用這種對接機構。

**^A** 異體同構式標準對接機構（僅聯盟 TM-16），異體異構式被動對接機構（晶體號實驗艙、和平號太空站核心艙） 
**^B** 異體同構式標準對接機構（太空梭、曙光號功能貨艙、PMA-1），異體異構式被動對接機構（PMA-2、PMA-3） 
**^C** 異體同構式標準對接機構（神舟飛船、天舟飛船、問天 / 夢天實驗艙、巡天號光學艙），異體異構式被動對接機構（天宮一號 / 二號、天和核心艙） 
**^D** 異體同構式標準對接機構（商業載人太空飛行飛行器、獵戶座飛船），異體異構式被動對接機構（國際對接適配器）

### 對接艙 / 對接適配器

「對接艙」或「對接適配器」是一種專門用於適配不同對接機構以及 (或) 艙內氣壓標準的過渡模組。「對接艙」（Docking Module）主要用於指代可加壓的獨立過渡艙段，而「對接適配器」（Docking Adapter）通常只是一個對接過渡環或過渡通道而非獨立艙段。下表列出現役和已退役的一些對接艙或對接適配器：

### 輔助對接裝置

## 參見

* 太空會合
* 月球軌道集合
* 地球軌道集合
* 太空站
* 貨運飛船
* 載人太空飛行

## 注釋

## 參考資料

## 外部連結

* 太空會合對接技術概述 - 中國載人太空飛行工程網 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）