交会对接:1+1=1

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今年11月3日，我国“神舟”8号无人宇宙飞船与“天宫一号”目标飞行器顺利进行了首次空间交会对接试验，实现了“1+1=1”，成为世界第3个完全独立掌握空间交会对接技术的国家。

交会对接的难点

空间交会对接是指两个航天器(包括宇宙飞船、航天飞机、空间站等)在太空轨道上按预定位置和时间相会后在机械结构上连成一个整体，被称为载人航天的三大基本技术之一。即使在无人航天器之间，空间交会对接技术也有广泛的用途。例如，用于对己方在轨卫星进行加注和维修，还可捕捉敌方卫星。

不过，空间交会对接技术很复杂，有人形容它就像在太空中放了一根针，然后在相距几百千米的地面控制一根线去穿过那个针眼，属于“高难度”动作。迄今为止，全世界共进行了300多次空间交会对接活动，只有美国和苏联／俄罗斯掌握了完整的空间交会对接技术。欧洲和日本的转移飞行器在“国际空间站”的空间交会对接技术方面，分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。航天器进行空间交会对接经常发生故障，2010年还出现过问题。至今，已发生过17次空间交会对接故障，其中最大的一次是1997年俄罗斯“进步”M-34货运飞船与“和平号”空间站交会相撞，导致“和平号”光谱号舱和太阳电池翼损坏。

空间站交会对接容易发生故障是因为在技术上有四大难点。

速度极高拟对接的两个航天器时速达2.8万千米，如果控制不好很危险，容易“追尾”。

在实现空间交会时要一边绕地球运行，一边缩短两个航天器的距离。两个航天器都是在三维空间飞行，一个航天器飞向另～个航天器时不能随意进行，必须沿着各自的轨道飞行，要缩短两个航天器的距离不能像地面车辆或空中飞机那样加速，否则会离开原来轨道，进入较高的轨道。因此，追踪飞行器的航天器通常比目标飞行器的航天器轨道稍低，经过多次轨道调整，逐步追上目标飞行器。

高精度要实现超高精度的测量与控制，必须精确地测量和计算出双方的轨道、距离和速度，才能使两个航天器在同一轨道上运行。另外，两个航天器在对接时还要精确地控制它们的朝向，即姿态控制，使对接面处于相对的位置，而且两个航天器的对接面中心轴要在同一条对接轴上，如果错位就无法对接了。最后，还要求两个航天器在相互接近时相对速度趋于零，不能有激烈的碰撞。在两个航天器即将对接时，横向误差小于18厘米，姿态误差小于5°，相对速度小于0.2米／秒。

需研制出复杂而精巧的对接机构

对接机构由不少活动部件组成，一次对接要完成捕获、伸展、收缩、阻尼、锁定、解锁和分离等一系列动作，而且在太空高真空、超低温、微重力等条件下，机械活动部件容易出现故障。另外，对接后的通道必须密封，以保证无气体泄漏。

如何实现交会对接

航天器在空间交会对接包括交会和对接两个部分。交会是指两个航天器利用测量设备按预定时间和位置相会：对接是指两个航天器通过对接机构相互接触、停靠并连成一个整体。所以，航天器之间要先通过测量设备交会，即相互接近，然后利用对接机构“合二为一”。

测量设备是航天器之间进行交会靠拢的“眼睛”，目前主要有四种：一是微波雷达，其测量范围从相对距离100千米到100米，距离小于100米时误差较大；二是激光雷达，其测量范围从相对距离20千米到10米：三是光学成像敏感器，测量范围从相对距离100米到1米；四是对接敏感器，其测量范围从相对距离10米到0米。另外，还可使用卫星导航定位系统。所以，两个航天器相距较远时使用微波雷达、激光雷达、卫星导航定位接收机：相距较近时使用光学成像敏感器和对接敏感器。另外，交会测量设备在每个飞行阶段都应有备份。

对接机构两个航天器要想在太空对接，主要依靠航天器上对接机构，它是航天器之间“手拉手”的“纽带”，具有关节的作用。目前主要使用两种对接机构：“杆-锥”式对接机构和“异体同构周边”式对接机构。

“杆-锥”式对接机构由“杆”和“锥”两部分构成，有主动和被动之分，“杆”为主动部分，装在追踪飞行器上，“锥”为被动部分，装在目标飞行器上。

对接时将“杆”插入“锥”内后，“锥”将杆锁定；接着，可伸缩的“杆”逐渐缩短，拉紧两个航天器；最终，对接面上的锁将两个对接面锁定。

其优点是结构简单，质量较轻；缺点是对接机构全部安装在航天器壳体内部，对接后占据较大内部空间，承载能力也比较低。目前，俄罗斯“联盟”系列载人飞船、“进步”系列货运飞船与空间站的对接均采用“杆-锥”式对接机构。

“异体同构周边”式对接机构中的“异体同构”是指追踪飞行器和目标飞行器上的对接机构采用同样结构，没有主动、被动之分；“周边式”是指机构不设置在中间，而是设置在周边(“杆-锥”式是设置在中间)。

对接时，追踪航天器上的对接机构伸出，周边的三个板状导向器完成导向作用，使两个对接机构准确的接触。锁定后对接机构回缩，对接面拉紧，最终锁定两个对接面，完成对接。

其优点是对接后通道畅通，因对接连接环直径较大承载能力大，所以适宜大质量航天器间对接；缺点是结构比较复杂，质量较大。目前，航天飞机与空间站之间、“国际空间站”各舱段之间、我国天宫1号与神舟8号之间的对接均采用“异体同构周边”式对接机构。

“异体同构周边”式对接机构大体上有两类导向器外翻和内翻。外翻的只在1975年美苏飞船对接飞行时使用过。目前使用的都是导向器内翻，优点是对接后机构组件全部在对接面里侧的增压舱内，便于航天员检查维护；对接面直径更大，承载能力更强。

纵观国外航天器的空间交会对接，尽管并不完全一样，但基本过程很相似，大致分为四个阶段。

地面导引阶段刚开始，作为追踪飞行器的航天器要在地面控制中心的操纵下，经过若干次变轨机动，进入到追踪飞行器上的交会测量设备能捕获目标航天器的范围，一般为100千米以内。

自动寻的阶段在两个航天器相距100千米～100米时，追踪飞行器通过双方携带的交会测量设备自动引导到目标飞行器附近，进入对接走廊。