空间交会对接 (人类航空航天技术)

空间交会对接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,是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。它是载人航天活动的三大基本技术之一。交会对接过程包括四个阶段,同时根据航天员介入的程度和智能控制水平可分为四种操作方式。2017年9月12日,天舟一号货运飞船顺利完成了与天宫二号实验室的自主快速交会对接试验,整个过程仅仅耗时6.5个小时。中国成为了继美国、俄罗斯之后第三个独立掌握近地轨道交会对接技术的国家。

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    中文名
    空间交会对接
    涉及设备
    两个航天器、空间轨道
    阶    段
    远程导引段、近程导引段等
    控制类型
    遥控操作、手动操作





    1对接过程

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    1、地面发射追踪航天器,由地面控制,使它按比目标航天器稍微低一点的圆轨道运行;

    2、通过霍曼变轨,使其进入与目标航天器高度基本一致的轨道,并与目标航天器建立通信关系;

    3、追踪航天器调整自己与目标航天器的相对距离和姿态,向目标航天器靠近;

    4、当两个航天器的距离为零时,完成对接合拢操作,结束对接过程。

    对接的不同阶段对接的不同阶段


    2对接阶段

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    在交会对接过程中,追踪飞行器的飞行可以分为远程导引、近程导引、最终逼近和对接停靠四个阶段:

    远程导引段

    在地面测控的支持下,追踪飞行器经过若干次变轨机动,进入到追踪航天器上的敏感器能捕获目标飞行器的范围(一般为15~100千米)。

    近程导引段

    追踪飞行器根据自身的微波和激光敏感器测得的与目标飞行器的相对运动参数,自动引导到目标飞行器附近的初始瞄准点(距目标飞行器0.5~1千米)。

    最终逼近段

    追踪飞行器首先捕获目标飞行器的对接轴,当对接轴线不沿轨道飞行方向时,要求追踪飞行器在轨道平面外进行绕飞机动,以进入对接走廊,此时两个飞行器之间的距离约100米,相对速度约1~3米/秒。

    对接停靠段

    追踪飞行器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个飞行器的距离、相对速度和姿态,同时启动小发动机进行机动,使之沿对接走廊向目标最后逼近。在对接前关闭发动机,以0.15~0.18米/秒的停靠速度与目标相撞,最后利用栓-锥或异体同构周边对接装置的抓手、缓冲器、传力机构和锁紧机构使两个飞行器在结构上实现硬连接,完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接。

    3控制类型

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    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遥控操作、手动操作、自动控制和自主控制四种类型:

    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。这是比较成熟的方法。

    自动控制

    不依靠航天员,由船载设备和地面站相结合实现交会对接。该控制方法亦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,完全由船上设备自主实现交会对接。

    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。

    4对接机构

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    按对接机构的不同结构和工作原理,空间对接机构可分为“环-锥式、“杆-锥”式”、“异体同构周边”式和“抓手-碰撞锁”式四种:

    “环-锥”式

    “环-锥”式机构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

    “杆-锥”式机构(也叫“栓-锥”式结构)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。

    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

    “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:

    ①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;

    ②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系统还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

    “抓手-碰撞锁”式机构分为十字交叉和三点式两种。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。

    5测量系统

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    测量系统可以称作是航天器间进行交会与对接时的眼睛。

    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。

    6对接航天器

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    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。

    7主要作用

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    空间交会对接技术的作用主要体现在三个方面。

    1、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。

    2、为大型空间设施提供建造和运行维护服务,如和平号空间站的6 舱段构型就是由交会对接直接在轨组装完成的,而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、太阳电池帆板和舱段的组装,而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,这些复杂空间设施的建造和可靠运行是无法实现的。

    3、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。

    8发展趋势及应用

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    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;激光雷达的优点是波束窄、分辨率高、体积小、重量轻、精度高,适合于近距离测量,在各国得到广泛重视;GPS差分测量可大大提高测量精度,日本、欧空局都将GPS作为交会对接过程中的辅助测量手段。交会对接在测量方法上已由依靠地面的非自主式测量过渡到不依靠地面的自主式测量;由航天员操作的非自主式对接发展到不依赖于航天员的自动对接。

    无人航天器也广泛使用交会与对接技术。例如,美国轨道复活公司研制的“轨道延寿飞行器” 装有一种“万能”锥型接口装置,它可与寿命终止的通信卫星的远地点发动机对接,构成卫星与推进舱的组合体,然后为组合体提供轨道保持和姿态控制能力,从而延长在轨通信卫星的工作寿命。美国还把自主交会对接技术用于“轨道快车”项目,它可像空中加油机一样为“有病”的卫星治疗、加注推进剂,利用这一技术也可以直接捕获敌方卫星。

    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。

    9中国成功对接项目

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    神八对接

    2011年9月29日21时16分,天宫一号作为目标飞行器由长征二号FT1运载火箭顺利发射升空。

    2011年11月1日5时58分,神舟八号飞船由改进型“长征二号”F遥八火箭顺利发射升空。

    2011年11月3日凌晨从对接机构接触开始,经过捕获、缓冲、拉近、锁紧4个步骤,“神舟八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器成功实现刚性连接,形成组合体,中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功。

    航天器组合体飞行段由“天宫一号”目标飞行器负责组合体飞行控制,“神舟八号”飞船处于停靠状态。组合体飞行12天后,神舟八号飞船脱离天宫一号并再次与之成功进行交会对接试验,这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。

    神舟八号与天宫一号,交会对接全过程示意图神舟八号与天宫一号,交会对接全过程示意图


    神九对接

    2012年6月16日18时37分,中国“长征二号F”遥九运载火箭在酒泉卫星发射中心载人航天发射场点火起飞,10分钟后准确入轨,将神舟九号载人飞船顺利送入太空。

    2012年6月18日14时许,在完成捕获、缓冲、拉近和锁紧程序后,神舟九号与天宫一号对接成功,中国首次载人交会对接取得成功。

    2012年6月24日,3名航天员将返回飞船,依次关闭各舱段舱门。飞船自主撤离至距目标飞行器约400米处,然后自主控制接近目标飞行器,在140米处停泊,转由航天员手动控制。航天员随后将通过操作姿态和平移控制手柄,瞄准目标飞行器十字靶标,控制飞船逐步接近目标飞行器,至对接机构接触,完成手控交会对接。3名航天员再次进入天宫一号驻留。

    神舟九号将与天宫一号目标飞行器进行我国首次载人空间交会对接,这意味着中国的飞船将成为真正的载人天地往返工具,能把人送到空间站或者空间实验室中去。这将是中国载人航天史上具有重大意义的一步。

    神十对接

    2013年6月11日,神舟十号顺利升空。至6月13日,神十已进入预定轨道,并于6月13日中午神舟十号与天宫一号进行首次交会对接。在这次太空飞行中,聂海胜、张晓光、王亚平3名航天员,在太空工作生活15天。神舟十号飞船先后与天宫一号进行1次自动交会对接和1次航天员手控交会对接。

    神十一对接

    神舟十一号载人飞船于2016年10月17日搭载两名航天员发射升空,飞船与“天宫二号”空间实验室进行交会对接,形成组合体。航天员将在此工作生活30天。这将是我国迄今为止时间最长的一次载人飞行,也将是神舟飞船在建造空间站之前的最后一次载人飞行。

    目前,天宫二号已调整至393公里的近圆交会对接轨道,建立了交会对接姿态和载人环境。经评估确认,天宫二号满足载人交会对接和航天员驻留的要求,已经做好了与神舟十一号交会对接的准备。

    货运飞船与空间实验站对接

    2017年4月22日,中国成功实现货运飞船和空间实验室首次交会对接。

    天舟一号与天宫二号对接

    2017年9月12日,天舟一号货运飞船顺利完成了与天宫二号实验室的自主快速交会对接试验,整个过程仅仅耗时6.5个小时。此次试验的目的是验证货运飞船的快速交会对接能力,进一步发挥任务的综合效益,为未来空间站工程的研制与建设奠定更加坚实的技术基础。此次快速交会对接区别于中国以往空间交会对接,从发射到具备交会对接条件的时间短,从以天机算缩短到了仅仅几个小时。

    10前景展望

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    交会对接技术是建设我国载人空间站、确保载人航天工程可持续发展的技术基石之一。交会对接技术涉及系统众多、技术复杂,要求载人航天工程各系统在若干技术领域的进一步发展和突破。同时,交会对接技术的突破也将带动我国航天技术的整体进步,增强中国航天的整体实力。

    根据技术本身发展趋势和未来空间技术在军用与民用领域的需要, 我们可以对未来交会对接技术和应用前景作如下概述:

    (1)交会对接会尽快发展成为一个自主、简便、经常使用的例行空间操作技术。首先对无人航天器来说, 提高自主性程度, 一直到实现全自主。对有关载人航天器, 要从总体安全可靠角度权衡宇航员和自主之间关系。然后进一步让交会对接所使用设备简单化(包括轻型, 低功耗),运行安全可靠, 软件智能化, 让交会对接成为军用和民用的空间任务随时随地都可以使用的一种成熟技术。

    (2)发展轻型简便自主空间交会与捕获敏感器技术。迄今为止, 空间交会对接飞行阶段划分和操作(包括制导)都是按相对测量敏感器种类来划分。为此若能发展既能自主, 又能简便测量的敏感器, 对空间交会对接水平和可靠性将有重大意义。所谓简便测量敏感器, 就是交会对接相对几百千米距离到几十米(或几米)逼近距离, 所采用测量敏感器种类少,结构简单, 重量轻, 功耗少, 而且满足导航和制导精度的要求。

    (3)发展多种形式对接机构。根据交会对接不同用途, 应该发展多种不同形式的对接机构。首先是为送人、送货的对接。这种对接机构必须有封闭通道。目前要求这种对接机构结构轻便,性能可靠, 可多次重复使用。其次是非载人航天器,对接目的是把不同飞行器联结在一起, 组成一个大型空间结构。这类对接机构要求结构牢靠、简单。例如三叉形对接机构或者撞锁与手柄结构。第三是修理在轨故障航天器, 这类对接机构目前正在研制,并且要求模块化、标准化, 以便广泛使用。对接方式要与对接机构特点相匹配, 对接方式有两种:一种称为在轨对接, 另一种是先停靠后由机械臂抓获(捕获), 然后依靠机械臂帮助实现对接。

    11意义

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    中国成为了继美国、俄罗斯之后第三个独立掌握近地轨道交会对接技术的国家。

    参考资料

    [添加]
    [1].神九天宫手控交会对接比自动对接省3分钟
    [2].空间交会对接

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    标签: 航空航天技术

    空间交会对接 图册
    • 浏览次数: 367 次
    • 更新时间:2017-09-13
    • 创建者:yujinjin
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