空间交会对接:太空演绎“高难度”

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　　我国已宣布将于今年下半年择机发射天宫一号目标飞行器和神舟八号载人飞船，在轨道上进行首次空间交会对接试验。这将是我国载人航天发展史上又一重要里程碑，也是世界载人航天史上的一件大事，势必引起国人和世人的密切关注。
　　空间交会对接试验吸引人们关注的重要原因不仅是空间交会对接的意义重大，而且更主要的是它是一项用途很广、难度极高的关键技术。
　　
　　空间交会对接的用途
　　
　　空间交会对接是指两个航天器，例如两艘飞船或一艘飞船与一个空间站，在太空中先会合，再对接。
　　空间交会对接包括前后衔接的两项操作：“交会”是指两个航天器在同一时刻到达轨道上同一位置，且速度相等，停靠在一起；“对接”是指两个航天器相互碰撞接触，连接成一个刚性的整体。
　　实现空间交会对接是建造和利用载人空间站，进一步实现载人月球、载人火星等航行，推进载人航天事业持续发展不可逾越的一步。
　　掌握空间交会对接技术是建造空间实验室和空间站的先决条件。交会对接技术主要用于以下几个方面：
　　①运送和接返航天员的载人飞船或航天飞机需要同空间实验室或空间站实现交会对接，以便航天员进入或离开空间实验室或空间站。
　　②运送给养和物资的货运飞船需要与空间实验室或空间站交会对接，以便向空间实验室或空间站补充给养和物资。
　　③在紧急情况下，营救航天员的救生飞行器必须与在轨道上遇险的飞船、空间站或空间实验室进行交会对接。
　　④建造国际空间站等特大型航天器，需要化整为零，将组成航天器的舱段和构件，分批送入轨道，在太空中装配。从地面发射上天的舱段、构件需要与在轨的舱段、构件交会对接。
　　⑤航天飞机在轨道上检查、维修或回收有故障的卫星，需要与卫星实现交会，但不对接。
　　
　　空间交会对接的难点
　　
　　两个航天器在太空实现交会对接是一项非常复杂、难度极高的技术。
　　
　　难点之一：航天器以极高的速度运行，而且需要6自由度控制
　　准备交会对接的两个航天器都是以极高的速度在太空飞行。如所周知，两辆时速为200千米的汽车在高速公路上行驶时，为保证安全，两车之间必须保持至少200米的距离，焉敢并驾齐驶，更不用说在行驶中会合对接，这样做岂非玩命!航天器在轨道上运行的时速高达28000千米，是汽车速度的100多倍，让这样两个高速运动的物体进行交会并对接起来，是何等的危险和艰巨!如果说，两辆汽车在公路交会需要控制汽车的前后、左右2个方向的位置和速度，那么，两个航天器在轨道上交会，除需要控制前后、左右外，还要控制上下方向，也就是3自由度控制；如要实现对接，还要增加3个转动自由度的姿态控制。
　　
　　难点之二：边环绕地球运行，边进行交会
　　航天器必须在服从环绕地球运行规律的约束下实现交会，即边环绕地球，边缩短距离。现以两艘飞船即一艘目标船、一艘追踪船为例说明边环绕、边交会的过程。目标船已经在轨道上或者先行送入预定轨道(为简单起见，假定为圆轨道)；追踪船后发射，首先要用运载火箭将它送入与目标船相同的轨道，这已经不容易。追踪船即使进入了同一轨道，一般情况下也不可能到达与目标船同一个位置。假定目标船在前，追踪船在后。
　　追踪船要追上目标船，不能像地面车辆或空中飞机那样，对准目标加速飞去，因为追踪船一旦加速，它就离开原来轨道，进入另外一条较高的椭圆轨道。为了缩短距离，追踪船应该减速，使自己进入一条比原轨道略低的椭圆轨道，使轨道周期缩短。这样，两艘船各自绕地球运行的同时，相互间的距离(技术上常用“相位差”表示)就会缩短(相位差缩小)，经过几次这样的调整(技术上称为“调相”)，才能逐步在轨道上到达同一位置。
　　追踪船与目标船的交会对接一般分成四步：
　　第一步：追踪船在地面测控站的指挥控制下，完成几次加速或减速，使两船之间的距离缩短到10千米～100千米。这时，追踪船上的交会雷达开始跟踪目标船。
　　第二步：追踪船靠自己的交会雷达测量到目标船的距离，按照“边环绕，边接近”的规律，引导追踪船靠近目标船，使距离缩短到几百米。
　　第三步：追踪船继续调整轨道，使两船的距离缩短到10米左右，并调整姿态，使两艘船的纵轴平行。
　　第四步：当追踪船上的接近敏感器测出与目标船的距离已缩短到只有几十厘米，相对速度小于几十厘米／秒，两船的纵轴对齐时，发出对接信号，对接机构上的撞锁打开，两船碰撞，对接机构接触、啮合、锁定，并完成各种管道、线路的连接。
　　
　　难点之三：超高精度的测量与控制
　　载人飞船在实现交会对接时，可以采取自动方式，也可以采取人工手动方式。无论是自动还是手动，追踪船上都必须装有超高精度的距离、速度和姿态的测量和控制系统。以俄罗斯的联盟号飞船为例，船上装有名为“航向”的自动交会对接系统，配备有微波雷达，GPS测距器、激光测距仪、接近敏感器等设备；仅天线就有8副，分别用于交会过程不同阶段、不同距离的测控。这个系统在目标航天器距离为400千米时开始工作。微波雷达从200千米开始引导飞船向目标航天器靠拢，到距目标37千米时，转由激光测距仪、接近敏感器进行精确测量，并由3台计算机进行导航和控制。
　　“航向”交会对接系统在目标距离为100千米～75千米范围内时，距离测量精度为0.5米，速度测量精度为0.02米／秒，角度测量精度0.3度。当距离缩小到10米以内时，测距精度为距离的10－2～10-3，测角精度为0.05度。
　　
　　难点之四：复杂而精巧的对接机构
　　航天器上专门用来与另一航天器对接的对接机构是一种非常复杂而又十分精巧的活动机构，由十几个活动部件组成。一次对接过程要完成十几个动作。理论和实践都证明：在太空高真空、超低温、微重力的条件下，机械活动部件最容易出故障，航天器上的活动部件和机构一向是航天设计师特别关注的关键环节。
　　目前使用的最先进的对接机构是由构造完全相同的两半组成，追踪航天器和目标航天器上各装一半，称为“异体同构”。所有的定向、引导、抓获、伸展、收缩、阻尼，锁定、解锁、分离等十几种活动和动力部件，都必须置于四周，构成一个环形对接框，所以这种机构称为“异体同构周边”对接机构。机构中央形成一个直径1米大小的通道，以便两航天器对接后，航天员及其他物体可以通过。对接后的通道必须密封，以保证载人航天器座舱的大气无泄漏。对接机构既要使两航天器牢固锁定，连接成一个刚性整体，又要在分离时，能方便地解锁、脱开，并能多次完成对接、分离的功能。
　　两航天器每一次交会对接需要经过多次加速或减速，调整姿态，历经数小时，甚至十几小时。有时一次对接不上，则需要调整轨道，再次对接，甚至 多次对接尝试。由于每次对接都要消耗推进剂，载人航天器携带的推进剂有限，必须保证最后一次对接尝试，无论成功失败，追踪航天器应留有足够的推进剂，以便航天器能分离、减速、脱轨、调整姿态和返回地面。若最后一次仍对接不成，则对接失败，追踪航天器就不得不返回地面。不过，迄今为止，这种完全失败的情况是极少的。绝大多数情况都一次成功，只有很少几次是经过2次或多次尝试才对接成功的。
　　
　　地面仿真试验
　　
　　两航天器在空间交会对接是复杂的航天动力学与航天控制技术。为了尽快掌握这项技术，保证在太空的交会对接试验能取得成功，需要预先在地面实验室进行仿真试验。仿真试验包括建立两个航天器动力学与控制的数学模型，用计算机进行交会对接的数学仿真；实验室的设备条件成熟时，可用有6自由度或12自由度的航天器实物模型和对接机构实物进行碰撞对接试验。目标航天器模型固定不动，追踪航天器模型运动，有6个自由度；若两个航天器模型都运动，则共有12个自由度。自由度越多，控制越复杂，试验难度也越大。
　　
　　空间交会对接的发展
　　
　　最先掌握空间交会对接技术的是美国。1966年3月，美国的双子星座8号载人飞船与“阿金纳”目标航天器，在航天员手动操作下，完成世界上首次(手动)交会对接，为“阿波罗”登月飞船在飞行过程中的2次对接奠定基础。第一次是在环地轨道上，“阿波罗”飞船的指令舱一服务舱与登月舱分离，调头180度后，再次与登月舱对接；第二次是登月舱从月面返回到环月轨道上，与指令舱一服务舱实现交会并对接。
　　1967年10月，苏联“宇宙186”和“宇宙188”两艘无人飞船在轨道上完成了世界上第一次自动交会对接。1969年1月，“联盟4号”和“联盟5号”二艘飞船成功地进行了手动空间交会对接。从1971年发射成功第一个空间站“礼炮1号”以来，苏联／俄罗斯的联盟号载人飞船与礼炮1号～7号、和平号空间站进行了近百次兼有自动和手动的交会对接；进步号货运飞船与空间站进行了约90次的无人自动交会对接。载人飞船和货运飞船交会对接的成功率均达到95％以上。
　　1975年7月，美国的阿波罗飞船与苏联的联盟号飞船在太空实现了交会对接，两国航天员在太空握手。在当年的冷战时代，美、苏两个超级大国“太空握手”，一时引起轰动，被认为是世界局势出现缓和的征兆，是政治上的重大突破。同时，这也是技术上的新突破。两国的飞船在结构上、舱内气压体制上均不相同。为了实现对接，研制了一种双方均能使用的、也就是前文所述的“异体同构周边”对接机构，对接机构中间的密封通道，作为两飞船之间的过渡段，它的一端连接使用1／3大气压纯氧大气的“阿波罗”，另一端连接一个大气压氮氧混合大气的“联盟号”。
　　自九十年代末以来，俄罗斯的联盟号载人飞船和进步号货运飞船，以其高度成熟的空间交会对接技术，为“国际空间站”进行了数十次送接航天员，补充给养、物资，带走垃圾废物，尤其是在航天飞机失事停飞期间，为维持“国际空间站”的建造和应用，避免工程中断，发挥了无可取代的作用。
　　美国自1970年起致力于发展和使用航天飞机。自放弃“天空实验室”空间站后，一直没有进行过空间对接的活动。为了检查、维修或回收轨道上的故障航天器，用航天飞机与卫星进行过多次交会，但没有对接过。与俄罗斯相比，对接经验不足。
　　空间交会对接是建造“国际空间站”的必由之路。“国际空间站”由几十个舱段和桁架、太阳电池阵、可移动机械臂等大型构件组成。这些舱段和大型构件，由于尺寸大，重量重，只有用航天飞机才能将它们运送到轨道上，与在轨的舱段、大型构件或半成品空间站交会对接。为取得两航天器对接的经验，美国在“国际空间站”开工建造之前，从1995年到1998年间，用航天飞机与俄罗斯和平号空间站先后进行了9次交会对接演练，掌握了对接技术。此后，在“国际空间站”建造的十多年间，顺利地完成了与“国际空间站”的全部交会对接任务，为“国际空间站”建造立下了不朽的功勋。
　　欧洲空间局先后发射了两个“自动转移飞行器”――凡尔纳号和开普勒号，实现了与“国际空间站”交会对接，为后者运去物资给养；日本较早在1998年成功进行了无人航天器的自动交会对接试验，现已发射过2艘H-2转移飞行器，也实现了与“国际空间站”交会对接，为空间站运送物资及进行技术试验。
　　
　　空间交会对接技术是空间站建设的基础
　　
　　我国目前正在执行载人航天工程第二期的任务，最终目的是建立短期有人照料、长期自主飞行的空间实验室，开展一定规模的空间应用。我国载人航天工程第三期的目标是建造长期性载人空间站，开展较大规模的空间应用。为此，需要用载人飞船和货运飞船作天地之间的运输器，为空间实验室和空间站运送和接回航天员，补充各种物资和给养。即将进行的天宫一号目标飞行器和神舟八号载人飞船的空间交会对接试验，就是为了掌握这项复杂的技术。我国已顺利地完成了载人航天工程第一期全部和第二期第一步的建设任务，取得了从“神舟一号”到“神舟七号”飞船多种状态下的飞行经验和试验成果。我国的首次空间交会对接试验将为空间实验室和空间站的建造和应用奠定技术基础，也将为未来开展载人月球、火星航行等创造条件。
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