基本介紹
- 中文名：空間交會對接
- 涉及設備：兩個太空飛行器、空間軌道
- 階段：遠程導引段、近程導引段等
- 控制類型：遙控操作、手動操作
對接過程,對接階段,遠程導引段,近程導引段,最終逼近段,對接停靠段,控制類型,遙控操作,手動操作,自動控制,自主控制,對接機構,測量系統,對接太空飛行器,主要作用,發展及套用,國內項目,神八對接,神九對接,神十對接,神十一對接,前景展望,
對接過程
1、地面發射追蹤太空飛行器，由地面控制，使它按比目標太空飛行器稍微低一點的圓軌道運行；
2、通過霍曼變軌，使其進入與目標太空飛行器高度基本一致的軌道，並與目標太空飛行器建立通信關係；
3、追蹤太空飛行器調整自己與目標太空飛行器的相對距離和姿態，向目標太空飛行器靠近；
4、當兩個太空飛行器的距離為零時，完成對接合攏操作，結束對接過程。
對接階段
在交會對接過程中，追蹤飛行器的飛行可以分為遠程導引、近程導引、最終逼近和對接停靠四個階段：
遠程導引段
在地面測控的支持下，追蹤飛行器經過若干次變軌機動，進入到追蹤太空飛行器上的敏感器能捕獲目標飛行器的範圍（一般為15～100千米）。
近程導引段
追蹤飛行器根據自身的微波和雷射敏感器測得的與目標飛行器的相對運動參數，自動引導到目標飛行器附近的初始瞄準點（距目標飛行器0.5～1千米）。
最終逼近段
追蹤飛行器首先捕獲目標飛行器的對接軸，當對接軸線不沿軌道飛行方向時，要求追蹤飛行器在軌道平面外進行繞飛機動，以進入對接走廊，此時兩個飛行器之間的距離約100米，相對速度約1～3米/秒。
對接停靠段
追蹤飛行器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統精確測量兩個飛行器的距離、相對速度和姿態，同時啟動小發動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最後逼近。在對接前關閉發動機，以0.15～0.18米/秒的停靠速度與目標相撞，最後利用栓-錐或異體同構周邊對接裝置的抓手、緩衝器、傳力機構和鎖緊機構使兩個飛行器在結構上實現硬連線，完成信息傳輸匯流排、電源線和流體管線的連線。 
國際空間站就是通過若干艙段對接而成
國際空間站就是通過若干艙段對接而成控制類型
太空飛行器空間交會對接技術的實施必須由高級控制系統來完成，根據航天員及地面站的參與程度可將控制方式劃分為遙控操作、手動操作、自動控制和自主控制四種類型：
遙控操作
手動操作
在地面測控站的指導下，航天員在軌道上對追蹤太空飛行器的姿態和軌道進行觀察和判斷，然後動手操作。這是比較成熟的方法。
自動控制
不依靠航天員，由船載設備和地面站相結合實現交會對接。該控制方法亦要求全球設站或有中繼衛星協助。
自主控制
不依靠航天員與地面站，完全由船上設備自主實現交會對接。
從本質上說，上述分類可歸結為人工控制方式或自動控制方式。迄今為止，美國較多地套用人工控制方式，而蘇聯/俄羅斯則主要採用自動控制方式。
對接機構
按對接機構的不同結構和工作原理，空間對接機構可分為“環-錐式、“桿-錐”式”、“異體同構周邊”式和“抓手-碰撞鎖”式四種：
“環-錐”式
“環-錐”式機構是最早期的對接機構，它由內截頂圓錐和外截頂圓錐組成。內截頂圓錐安裝在一系列緩衝器上，使它能吸收衝擊能量。
這種結構曾用於美國的“雙子星座”飛船與“阿金納”火箭以及美國“雙子星座”飛船之間的對接等。
“桿-錐”式
“桿-錐”式機構（也叫“栓-錐”式結構）是在兩個太空飛行器對接面上分別裝有栓和錐的對接機構，即一個太空飛行器的對接機構內裝有接收錐，另一個太空飛行器上裝有對接碰撞桿，在對接時，碰撞桿漸漸指向接收錐內，接收錐將桿頭鎖定。由於這種對接結構不具備既有主動又有被動的功能，所以不利於實施空間營救。
“異體同構周邊”式
“異體同構周邊”式對接機構可以克服“桿-錐”式機構的缺點，因為它滿足了下面兩個要求：
①對接機構是異體同構，使太空飛行器既可作主動方，也能作被動方，這一點對空間救援特別重要；
②對接機構必須是周邊的，即所有定向和動力部件都安裝於中央艙口的四周，從而保證中央成為來往通道空間。
蘇聯“聯盟-19”飛船與美國“阿波羅-18”飛船、太空梭與“和平”號空間站、太空梭與國際空間站等對接，都採用這種對接機構。其中，太空梭與國際空間站的對接系統還增加了先進的綜合測量系統，包括GPS導航接收系統、數據跟蹤與中繼導航與通信接收系統、微波交會雷達系統、雷射對接雷達系統、光學對接攝像系統等，此外，還包括航天員顯示裝置（空間六分儀、望遠鏡、顯示器、螢光屏等）。
“抓手-碰撞鎖”式
“抓手-碰撞鎖”式機構分為十字交叉和三點式兩種。這兩種機構實際上性質相同，只是布局上的差別。前者在周邊布置四個抓手與撞鎖，後者在周邊布置三個抓手與撞鎖。
這兩種對接機構都是無密封性能、無通道口的設計，適合與不載人太空飛行器之間的對接，如無人空間平台、空間拖船等。
測量系統
測量系統可以稱作是太空飛行器間進行交會與對接時的眼睛。
俄羅斯飛船與空間站對接使用的交會測量系統最早叫“針”，後來增加了數字計算機又改名為“航向”。“航向”測量系統具有可靠性高、作用距離遠的特點，尤其是不需要龐大的“和平”號空間站作任何機動和姿態變化，航天員也可藉助顯示器和鍵盤進行手動控制。該系統在中遠距離採用S頻段微波雷達，近距離有雷射測距儀、目視光學瞄準器。其S頻段微波雷達裝在飛船上，包括自動導引頭、測距儀和徑向速度測量裝置；空間站上設有信標、應答機和通信設備等相應的搜尋、捕獲定向敏感器。“航向”系統共有9部天線組成搜尋捕獲和跟蹤測量系統（追蹤太空飛行器上5部，目標太空飛行器上4部），其中6部天線用於搜尋捕獲和初定向，1部用於停靠階段定向，2部用於相互跟蹤、相對運動測量和停靠階段定向。用於搜尋的天線為螺盤天線，用於跟蹤的為拋物面天線。
美國“雙子星座”飛船與“阿金納”火箭對接，使用的交會測量系統為L頻段非相干脈衝微波交會雷達、目視光學瞄準器。其中雷達作用距離為150米～450千米，目標太空飛行器上安裝應答機，由航天員通過光學瞄準器以手控方式進行交會與對接操作。美國“阿波羅”飛船指令艙與登月艙對接，使用的交會測量系統為X頻段單脈衝連續波雷達、目視光學瞄準器。“阿波羅”與“聯盟”飛船對接也採用這套測量系統。美國太空梭與空間站對接，使用的交會測量系統是Ku頻段脈衝都卜勒雷達、目視光學瞄準器。它具有通信、收發功能，作用範圍為30米～220千米，但接近與對接仍由手動完成。
近年來，雷射雷達因具有可固化、重量輕、體積小，以及測量精度高、易於測量相對姿態的優點而倍受青睞。但它在國際交會與對接中尚處於試驗階段。而GPS導航定位技術相對成熟，已對空間交會與對接提供了有力的支持。
對接太空飛行器
在空間交會與對接的兩個太空飛行器中，一個稱目標太空飛行器，一般是空間站或其他的大型太空飛行器，是準備對接的目標；另一個稱追蹤太空飛行器，一般是地面發射的宇宙飛船、太空梭等，是與目標太空飛行器對接的對象。對接對象也可以是太空中失控的或出現故障的太空飛行器。
主要作用
空間交會對接技術的作用主要體現在三個方面。
1、為長期運行的空間設施提供物資補給和人員運輸服務。例如，除早期試驗階段外，俄羅斯聯盟號載人飛船和進步號貨運飛船的全部飛行任務，以及美國太空梭與和平號空間站及國際空間站對接的主要任務都是如此。
2、為大型空間設施提供建造和運行維護服務，如和平號空間站的6 艙段構型就是由交會對接直接在軌組裝完成的，而國際空間站的建造既利用了交會對接直接組裝艙段，又利用了太空梭強大的運輸能力和航天員的操作完成了包括桁架、太陽電池帆板和艙段的組裝，而太空梭對哈勃望遠鏡的維修則是由交會對接技術支撐的在軌維修服務活動的典範事例。沒有交會對接技術，這些複雜空間設施的建造和可靠運行是無法實現的。
3、進行空間飛行器重構以實現系統最佳化，例如在阿波羅登月任務中，在地球軌道和月球軌道要分別進行一次交會對接，地球軌道交會對接解決了降低火箭上升段逃逸質量與人員進入登月飛行器通道之間的矛盾，月球軌道交會對接實現了將登月飛行器與返回地球飛行器的功能區分和獨立，大幅降低了對火箭運載能力的需求。
發展及套用
在未來的空間交會與對接測量技術發展中，微波交會雷達仍將是可靠的遠距離測量手段之一，並由L、S、C頻段向Ku頻段和毫米波頻段發展；在最後逼近和對接階段，光學成像敏感器有更突出的優點，所以也是國際上普遍使用的敏感器；雷射雷達的優點是波束窄、解析度高、體積小、重量輕、精度高，適合於近距離測量，在各國得到廣泛重視；GPS差分測量可大大提高測量精度，日本、歐空局都將GPS作為交會對接過程中的輔助測量手段。交會對接在測量方法上已由依靠地面的非自主式測量過渡到不依靠地面的自主式測量；由航天員操作的非自主式對接發展到不依賴於航天員的自動對接。
無人太空飛行器也廣泛使用交會與對接技術。例如，美國軌道復活公司研製的“軌道延壽飛行器” 裝有一種“萬能”錐型接口裝置，它可與壽命終止的通信衛星的遠地點發動機對接，構成衛星與推進艙的組合體，然後為組合體提供軌道保持和姿態控制能力，從而延長在軌通信衛星的工作壽命。美國還把自主交會對接技術用於“軌道快車”項目，它可像空中加油機一樣為“有病”的衛星治療、加注推進劑，利用這一技術也可以直接捕獲敵方衛星。
交會對接技術的另一個重大潛在套用領域是載人登月和深空探測任務。這些任務所需運載能力巨大，通過多次發射和交會對接技術在近地軌道完成飛行器的組裝，是降低對單發運載火箭能力需求的有效途徑，特別是對於諸如火星及其以遠的載人任務而言，這可能是目前技術水平上可工程實現的最佳、甚至唯一途徑。
國內項目
神八對接
2011年9月29日21時16分，天宮一號作為目標飛行器由長征二號FT1運載火箭順利發射升空。
2011年11月1日5時58分，神舟八號飛船由改進型“長征二號”F遙八火箭順利發射升空。
2011年11月3日凌晨從對接機構接觸開始，經過捕獲、緩衝、拉近、鎖緊4個步驟，“神舟八號”飛船與“天宮一號”目標飛行器成功實現剛性連線，形成組合體，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得成功。
神舟八號天宮一號目標飛行器完成交會對接
神舟八號天宮一號目標飛行器完成交會對接太空飛行器組合體飛行段由“天宮一號”目標飛行器負責組合體飛行控制，“神舟八號”飛船處於停靠狀態。組合體飛行12天后，神舟八號飛船脫離天宮一號並再次與之成功進行交會對接試驗，這標誌著我國已經成功突破了空間交會對接及組合體運行等一系列關鍵技術。
神九對接
2012年6月16日18時37分，中國“長征二號F”遙九運載火箭在酒泉衛星發射中心載人航天發射場點火起飛，10分鐘後準確入軌，將神舟九號載人飛船順利送入太空。
船箭塔組合體轉運至發射塔前
船箭塔組合體轉運至發射塔前2012年6月18日14時許，在完成捕獲、緩衝、拉近和鎖緊程式後，神舟九號與天宮一號對接成功，中國首次載人交會對接取得成功。
2012年6月24日，3名航天員將返回飛船，依次關閉各艙段艙門。飛船自主撤離至距目標飛行器約400米處，然後自主控制接近目標飛行器，在140米處停泊，轉由航天員手動控制。航天員隨後將通過操作姿態和平移控制手柄，瞄準目標飛行器十字靶標，控制飛船逐步接近目標飛行器，至對接機構接觸，完成手控交會對接。3名航天員再次進入天宮一號駐留。
神舟九號將與天宮一號目標飛行器進行我國首次載人空間交會對接，這意味著中國的飛船將成為真正的載人天地往返工具，能把人送到空間站或者空間實驗室中去。這將是中國載人航天史上具有重大意義的一步。
神十對接
2013年6月11日，神舟十號順利升空。至6月13日，神十已進入預定軌道，並於6月13日中午神舟十號與天宮一號進行首次交會對接。在這次太空飛行中，聶海勝、張曉光、王亞平3名航天員，在太空工作生活15天。神舟十號飛船先後與天宮一號進行1次自動交會對接和1次航天員手控交會對接。
神十一對接
神舟十一號載人飛船將於2016年10月17日搭載兩名航天員發射升空，飛船將與“天宮二號”空間實驗室進行交會對接，形成組合體。航天員將在此工作生活30天。這將是我國迄今為止時間最長的一次載人飛行，也將是神舟飛船在建造空間站之前的最後一次載人飛行。
目前，天宮二號已調整至393公里的近圓交會對接軌道，建立了交會對接姿態和載人環境。經評估確認，天宮二號滿足載人交會對接和航天員駐留的要求，已經做好了與神舟十一號交會對接的準備。
前景展望
交會對接技術是建設我國載人空間站、確保載人航天工程可持續發展的技術基石之一。交會對接技術涉及系統眾多、技術複雜，要求載人航天工程各系統在若干技術領域的進一步發展和突破。同時，交會對接技術的突破也將帶動我國航天技術的整體進步，增強中國航天的整體實力。
根據技術本身發展趨勢和未來空間技術在軍用與民用領域的需要, 我們可以對未來交會對接技術和套用前景作如下概述:
(1)交會對接會儘快發展成為一個自主、簡便、經常使用的例行空間操作技術。首先對無人太空飛行器來說, 提高自主性程度, 一直到實現全自主。對有關載人太空飛行器, 要從總體安全可靠角度權衡太空人和自主之間關係。然後進一步讓交會對接所使用設備簡單化(包括輕型, 低功耗),運行安全可靠, 軟體智慧型化, 讓交會對接成為軍用和民用的空間任務隨時隨地都可以使用的一種成熟技術。
(2)發展輕型簡便自主空間交會與捕獲敏感器技術。迄今為止, 空間交會對接飛行階段劃分和操作(包括制導)都是按相對測量敏感器種類來劃分。為此若能發展既能自主, 又能簡便測量的敏感器, 對空間交會對接水平和可靠性將有重大意義。所謂簡便測量敏感器, 就是交會對接相對幾百千米距離到幾十米(或幾米)逼近距離, 所採用測量敏感器種類少,結構簡單, 重量輕, 功耗少, 而且滿足導航和制導精度的要求。
(3)發展多種形式對接機構。根據交會對接不同用途, 應該發展多種不同形式的對接機構。首先是為送人、送貨的對接。這種對接機構必須有封閉通道。目前要求這種對接機構結構輕便,性能可靠, 可多次重複使用。其次是非載人太空飛行器,對接目的是把不同飛行器聯結在一起, 組成一個大型空間結構。這類對接機構要求結構牢靠、簡單。例如三叉形對接機構或者撞鎖與手柄結構。第三是修理在軌故障太空飛行器, 這類對接機構目前正在研製,並且要求模組化、標準化, 以便廣泛使用。對接方式要與對接機構特點相匹配, 對接方式有兩種:一種稱為在軌對接, 另一種是先停靠後由機械臂抓獲(捕獲), 然後依靠機械臂幫助實現對接。
