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兩個航天器于同一時間、在軌道同一位置、以相同速度和姿態(tài)會合并在結(jié)構(gòu)上連為一個整體，被稱為交會對接。這是建設(shè)中國空間站的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)“1+1=1”的前提，也是航天器在軌運(yùn)行中最復(fù)雜的技術(shù)之一。它分為交會、對接兩個階段，英文為Rendezvous and Docking（RVD）。

Rendezvous源自法語。有國外同行在交流中告訴筆者，他們在日?？谡Z中也會用rendezvous表達(dá)跟誰在哪兒會合，但一定是到一個比較遠(yuǎn)的地方，至少是另一個城市或城市的另一端；去隔壁房間碰個頭，算不上rendezvous。由此看來，交會對接就是指航天器不遠(yuǎn)千萬里地會合、然后連接裝配在一起。

當(dāng)兩個航天器合為一體，交會對接完成。而這一切的帷幕在火箭發(fā)射之前已然開啟?？臻g上，交會對接所包含的元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越對接航天器本身；時間上，它是由多個動態(tài)步驟依次構(gòu)建的過程。

天宮將竣，結(jié)果源自開頭，起點(diǎn)通往終點(diǎn)；新器有為，牽一發(fā)而動千鈞，謀全盤而成良局。交會對接為航天這一系統(tǒng)工程作出了有力注解。

▲中國空間站建設(shè)動畫示意。來源：CCTV

上篇：交會

01

軌道規(guī)律奠定交會基礎(chǔ)

航天器為什么這樣飛？

航天器是沿著軌道飛行的，軌道是有規(guī)律的。宇宙天體的軌道規(guī)律，就是設(shè)計交會對接的基礎(chǔ)。

軌道規(guī)律一：軌道越低，則運(yùn)行角速度越快?？臻g站飛行在約400km高度的軌道，1.5小時繞地球一圈；同步軌道衛(wèi)星高度為36000km，1天繞地球一圈；月球在380000km高，一個月繞地球一圈。那么，只要保持飛船的軌道低于空間站，飛船“自然”就以更快的角速度追上空間站。追蹤過程中，飛船逐漸抬高軌道，則其與空間站的相對速度也隨之逐漸減小。當(dāng)飛船與空間站軌道高度相同時，兩者的相對速度為零，對接就可望實(shí)現(xiàn)了。

交會對接常常被比喻為“萬里穿針”，其實(shí)距離并不與難度成正比，追蹤距離遠(yuǎn)甚至也不一定多耗燃料，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制飛行過程中的高度差和飛船逐次升軌的時機(jī)，需要精確測定兩飛行器的軌道，實(shí)時獲知兩飛行器相對位置與速度，精準(zhǔn)計算與執(zhí)行軌道控制。這些才是難點(diǎn)所在。

軌道規(guī)律二：圓軌道上的飛行器做近似勻速圓周運(yùn)動。勻速圓周運(yùn)動不僅有利于地面的跟蹤和觀測，而且結(jié)合軌道規(guī)律一可知，兩個飛行器在同高度的圓軌道飛行時，其相對速度會持續(xù)保持為零。這就讓我們能夠?yàn)榻粫釉O(shè)置軌道停泊點(diǎn)。

軌道規(guī)律三：同一軌道面內(nèi)的變軌機(jī)動比改變軌道面節(jié)省能量。航天器以大約7km/s的速度在軌道中高速飛行，由于速度具有方向性（即速度的矢量特性），若要有限地改變其方向，需要與現(xiàn)有速度同量級的速度增量方可實(shí)現(xiàn)。而在萬有引力規(guī)律下軌道半徑與速度的平方成反比，如果原方向不變，相對較小的速度增量就能在同一軌道面內(nèi)獲得顯著的高度變化。以400km軌道為例，若要將傾角改變30°，所需速度增量約4km/s；而同一軌道面內(nèi)只需約0.3km/s的速度增量，就能將軌道從400km提升到1000km。為了充分利用這一規(guī)律，在籌劃交會對接時，從起飛到對接的全過程都應(yīng)盡可能地讓飛船與空間站飛行于同一軌道面內(nèi)。

軌道規(guī)律四：軌道面不同，軌道相互交叉的飛行器在相會時無法獲得相同的速度。同樣因?yàn)樗俣鹊氖噶刻匦?，在軌道的交叉點(diǎn)上，兩個飛行器可以同時到達(dá)同一位置，但此時它們的速度方向不同，相對速度無法保持為零。不僅如此，如果只觀察垂直于軌道面的橫向相對速度，在整個軌道周期中，這個交會點(diǎn)的相對速度恰好是最大的。如果一定要讓二者在此時刻相對速度為零，則需要消耗較大的能量以改變其中一方的速度方向。為了對接，變速過程必須在極短時間內(nèi)完成，而這相當(dāng)于要把相交軌道逐漸增大的接近速度穩(wěn)定地降下來，控制難度是比較大的，而且一旦控制不好，就會“自然地”相撞。因此，如果兩飛行器軌道面有偏差，一定要設(shè)法修正其中一方（通常是飛船），使二者最終在同一軌道面內(nèi)相遇，才能為對接創(chuàng)造好的初始條件。

▲軌道面相交的兩飛行器相對速度關(guān)系示意。

02

交會旅程的起點(diǎn)：火箭升空

飛船發(fā)射為什么需要“零窗口”？

發(fā)射之前的火箭以及包裹在火箭內(nèi)部的飛船停留于地表，我們可以想象為地球帶著它們一起旋轉(zhuǎn)。從起飛的那一瞬間起，火箭飛船不再隨地球運(yùn)動，脫離地表的直接束縛獨(dú)立飛入太空。因此，起飛時刻就是飛船進(jìn)入飛行軌道的起點(diǎn)，這一時刻的精準(zhǔn)性決定了火箭是否被地球帶著偏離了預(yù)期的初始條件。

火箭是具備偏差修正能力的。但是，起飛時刻的偏差造成的恰好是軌道面的偏差，修正所需能量大。因此，規(guī)劃交會對接任務(wù)時，應(yīng)通過事先對空間站軌道的精確測定和預(yù)測設(shè)計出理論發(fā)射時刻，然后通過地面與火箭的協(xié)同讓火箭盡可能在理論時刻起飛。這就是飛船發(fā)射“零寬度時間窗口”（也稱“點(diǎn)窗口”或“零窗口”）的由來。起飛之后，火箭的控制系統(tǒng)在飛行中還將進(jìn)一步修正殘留的偏差，以保證入軌點(diǎn)的精度。

▲2021年10月16日，長征二號F運(yùn)載火箭發(fā)射升空，將神舟十三號載人飛船送入太空。來源：新華社

03

交會第二步：入軌與追蹤

空間站為什么在交會前調(diào)整軌道？

入軌點(diǎn)，就是將飛船送至與空間站處于同一軌道面、且在其后下方的特定點(diǎn)，則后續(xù)飛船按照規(guī)劃好的變軌策略逐次抬升軌道，即可在預(yù)定時間內(nèi)追上空間站。因此，入軌點(diǎn)是對兩飛行器相對關(guān)系（高度差與位置差）的設(shè)計。不同的相對關(guān)系需要采取不同的變軌策略進(jìn)行追蹤，某一特定的相對關(guān)系也可以有不同的追蹤策略——就相同的追蹤距離而言，在更低軌道上的飛行時間占比越大，追蹤越快，交會總時長越短。

既然兩個飛行器存在相對關(guān)系，空間站可以配合交會進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整?；鸺娜胲夵c(diǎn)范圍有限，因而空間站最常見的配合措施是在飛船發(fā)射前通過升降高度調(diào)整其軌道角速度，使得飛船入軌時二者的相對位置恰好在一個合適的區(qū)間，有利于飛船后續(xù)的追蹤飛行。如果空間站不調(diào)整，飛船入軌時，空間站則有可能在其前方0°到360°的任何位置。當(dāng)然，兩個飛行器離得遠(yuǎn)，飛船可以在低軌道多飛一段時間，只要持續(xù)比空間站低，總能追上。

兩種方案各有利弊?？臻g站調(diào)整，有利于飛船以相對固定的變軌策略進(jìn)行交會，飛行時間也就相對固定，更有利于飛行程序和天地協(xié)同的一致性；空間站不調(diào)整，飛船每天都可以發(fā)射（只要發(fā)射時刻保證同軌道面），任務(wù)實(shí)施的約束少，但交會時間不確定，1到5天都有可能。因此，載人飛船通常采取前一種方案，空間站適當(dāng)配合，以保證交會時間不會太長且是確定的；而貨運(yùn)飛船沒有交會時間的強(qiáng)約束，多用后一種方案。

▲神舟十三號徑向交會對接示意圖。來源：空間技術(shù)研究院

04

交會第三步：遠(yuǎn)距離追蹤與近距離接近

兩個飛行器怎樣找到彼此？

由遠(yuǎn)及近，飛船追蹤空間站。

相距較遠(yuǎn)時，工程分別對飛船和空間站的軌道進(jìn)行測定，獨(dú)立確定各自的軌道，基于此制定變軌策略。其實(shí)時軌道可以由地面站進(jìn)行測定和預(yù)測，也可以通過飛行器上的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲得。北斗全球?qū)Ш降膽?yīng)用，使得精確實(shí)時的軌道測定成為可能。

距離足夠近，兩個飛行器能夠“呼應(yīng)”彼此了，就能通過飛船上安裝的測量設(shè)備（雷達(dá)、光學(xué)測量設(shè)備等）以及空間站上相應(yīng)配置的合作目標(biāo)（應(yīng)答機(jī)、光學(xué)靶標(biāo)等）獲得二者間的相對位置和速度。此時，不需要依賴地面測量的絕對數(shù)據(jù)，而是基于相對軌道關(guān)系進(jìn)行變軌計算即可。之所以這樣選擇，是因?yàn)樵浇嚯x，相對測量的精度越高；軌道的相對關(guān)系經(jīng)線性簡化后，能夠在保證精度的同時大大減少計算量，可以通過飛船的控制計算機(jī)在軌實(shí)時自主計算，更提高了處置實(shí)時性。

交會段最后的約100到200米被稱為平移靠攏階段。此時，雖然兩個飛行器仍然獨(dú)立地按各自的軌道規(guī)律飛行，但由于軌道間的偏差已經(jīng)非常小了，直接根據(jù)相對關(guān)系對飛船進(jìn)行類似直線飛行的動作調(diào)整已經(jīng)不再需要消耗太大能量，因此可以、也必須在此區(qū)間進(jìn)行3個方向及3軸姿態(tài)的6自由度控制，以確保對接接觸時刻飛船和空間站不僅位置和相對速度一致，相對姿態(tài)及角速度也吻合。二者對準(zhǔn)了，交會對接才能進(jìn)入下一階段，也就是“對接”的機(jī)械裝配過程。

▲神舟八號-天宮一號近距離接近示意圖。來源：新華社

05

偏差修正與約束條件

軌道控制難在哪里？

從火箭發(fā)射入軌到兩個飛行器追蹤接近，步步有序。而在實(shí)際飛行中，每一步都可能產(chǎn)生誤差。因此，飛行軌道控制規(guī)劃需要預(yù)留軌道修正的時機(jī)，根據(jù)實(shí)際偏差情況進(jìn)行實(shí)時計算、并決定是否實(shí)施修正。而所有階段的測量和計算誤差都會轉(zhuǎn)化為軌控參數(shù)的誤差，并且與變軌執(zhí)行偏差疊加，體現(xiàn)在軌控后的飛行狀態(tài)中。

因此，飛船入軌，工程即以實(shí)測軌道規(guī)劃后續(xù)的各次變軌，消除入軌偏差；每次軌控之后重新測定軌，再以當(dāng)前狀態(tài)更新規(guī)劃后續(xù)的變軌策略和參數(shù)，在完成既有追蹤任務(wù)的同時消除上一次變軌產(chǎn)生的新偏差。

“人不能兩次踏進(jìn)同一條河流?！惫畔ＥD哲學(xué)家的這句話，表達(dá)了宇宙萬物的運(yùn)動變化。從這個意義上來說，以交會對接為代表的航天任務(wù)在每一階段所面對的，都是又一次全新的任務(wù)。

軌道控制在按照以上原則進(jìn)行規(guī)劃、以保證最終的對接精度之外，還要少消耗燃料。因此，變軌道高度盡可能在遠(yuǎn)地點(diǎn)、近地點(diǎn)實(shí)施，利用霍曼轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)；變軌道面盡可能在軌道交點(diǎn)處實(shí)施，通過最高效的控制節(jié)省燃料。

對軌控過程的實(shí)施影響較大的約束條件包括兩類。一類是技術(shù)條件，比如航天工程早期測定軌能力的不足。另一類是人為規(guī)定的安全性措施，比如交會末段和對接過程要在測控可見的弧段內(nèi)進(jìn)行，以利于及時處置故障、保證安全。約束條件因任務(wù)實(shí)施條件和能力而異，也隨著技術(shù)進(jìn)步和自主控制可靠性的提高而解除。

綜上所述，航天器交會是典型的約束條件下多目標(biāo)規(guī)劃問題。

▲神舟八號-天宮一號交會對接軌道控制示意圖。來源：新華社

06

交會需要停泊點(diǎn)

航天器為什么“走走停?！?？

空間站沿圓軌道飛行。飛船追蹤過程中，若通過變軌達(dá)到空間站后方同軌道高度的圓軌道上，則兩飛行器相對距離和速度保持不變，飛船相對于空間站來說就“停泊”了。這樣的停泊是由軌道規(guī)律保證的，即被動安全：只要不做動作，就沒有相撞風(fēng)險。

交會對接飛行過程中設(shè)置停泊點(diǎn)是必要的，主要用于以下操作或場景：

（1）切換相對測量敏感器。飛船從數(shù)百公里追蹤至對接，很難由一套設(shè)備從頭測到底。因此，與空間站相對距離不變且安全的停泊點(diǎn)，是進(jìn)行不同測量距離的設(shè)備切換的最佳位置。也就是說，停下來換裝備。

（2）故障處置。敏感器等典型故障，即可在停泊點(diǎn)等待處置。實(shí)際上，有些交會方案將停泊點(diǎn)作為全系統(tǒng)狀態(tài)檢查的點(diǎn)，確認(rèn)一切正常才放行。也就是說，停下來檢查。

（3）對接時間調(diào)整。軌控執(zhí)行有誤差，則飛行時間與預(yù)計也會有偏差，設(shè)置停泊點(diǎn)可以“吃掉”此前的飛行時間誤差，以保證后續(xù)步驟按預(yù)定時間計劃執(zhí)行。也就是說，停下來糾偏。對于有對接段測控可見等時間約束的交會方案來說，這一調(diào)整能力是非常重要的。

（4）解決光學(xué)敏感器受陽光干擾的問題。通俗地說就是，陽光晃眼時在停泊點(diǎn)等待，太陽轉(zhuǎn)過去了再走。

停泊點(diǎn)可以設(shè)置在空間站的后方，也可以在其前方。從后向停泊點(diǎn)繼續(xù)接近空間站，需要略降軌，追近后再升軌、停泊。從前向接近則是先升軌，等待空間站靠近后再降軌停泊，正反向分別重復(fù)這一過程，直至進(jìn)入平移靠攏階段。

▲神舟九號-天宮一號手動交會對接中的停泊點(diǎn)設(shè)置。來源：CCTV

07

徑向交會有利有弊

飛船為什么不從側(cè)面對接空間站？

除了利用停泊點(diǎn)從前、后方向接近空間站直至最后對接，飛船也可以從空間站下方，沿地球半徑方向向上接近空間站至對接。2021年10月16日，神舟十三號載人飛船成功發(fā)射并完成我國首次徑向交會對接。

徑向交會的兩個航天器保持在同一軌道面內(nèi)，從能量消耗及最終的對接條件來說仍然是較為理想的。徑向交會讓空間站在不改變飛行姿態(tài)的情況下，增加了接納來訪飛行器的能力。同時，得益于干凈的太空背景，徑向交會過程中飛船向上觀測空間站條件好。

徑向交會的難點(diǎn)也是軌道規(guī)律帶來的。因?yàn)轱w船始終低于空間站，無法利用軌道角速度特性實(shí)現(xiàn)被動停泊，若需停泊就得使用燃料持續(xù)控制。此外，徑向交會時飛船處于頭沖天、尾向地的“直立”姿態(tài)，地球敏感器、測控天線等適應(yīng)與地面平行飛行常規(guī)姿態(tài)的設(shè)備布局，需要專門設(shè)計或調(diào)整。

同一軌道面內(nèi)的前、后、徑三個方向是空間站接納來訪飛行器的常用端口，也是目前在軌飛行的天舟二號、天舟三號和神舟十三號在空間站中的對接方向。在本文第一節(jié)闡述的軌道規(guī)律四中，已經(jīng)說明了通常不直接進(jìn)行側(cè)向?qū)拥脑颉?cè)向交會對接兩飛行器處于不同軌道面，兩個軌道面的交點(diǎn)處相對速度最大，如實(shí)施交會對接控制難度大且安全性不佳，因此，艙段需要最終連接至側(cè)向?qū)涌诘脑挘话闶窍惹?、后或徑向?qū)?，然后在機(jī)械臂或轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的輔助下“搬家”到側(cè)向。

▲天和核心艙前向、后向、徑向端口上對接的飛船示意圖。來源：36kr

08

自動手動模式并存

高精度自動控制條件下為什么還要手動交會？

交會有自動與手動兩種模式。

整個交會飛行建立于軌道計算的基礎(chǔ)上。只有到了平移靠攏階段，航天器的相對運(yùn)動符合航天員的直接觀察、位姿感覺以及操控習(xí)慣，人在回路、也就是人在控制過程中的參與才能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，為了確保安全，即便在這一階段，工程也會利用自動控制系統(tǒng)保持飛行器的基本姿態(tài)，航天員只需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行平移控制和姿態(tài)調(diào)整。

但手動、也就是人控交會模式的一大優(yōu)勢是控制精度好，這源自人眼精準(zhǔn)的立體視覺和人腦-手指精細(xì)的操控能力——航天員經(jīng)過訓(xùn)練后，可以達(dá)到極高的觀測和控制精度。在早期的交會對接技術(shù)驗(yàn)證時代，受限于當(dāng)時測量敏感器、控制計算機(jī)等設(shè)備的技術(shù)水平，自控不如人控精度高。蘇聯(lián)曾經(jīng)在試驗(yàn)新型對接機(jī)構(gòu)時專門以人控方式完成最后的交會對接操作，以獲得更優(yōu)的控制精度。

當(dāng)代的自動控制精度足夠高且穩(wěn)定，但人控仍然作為一種冗余手段保留了下來。這是因?yàn)闄C(jī)器無法替代人在現(xiàn)場的臨機(jī)處置能力。兩個飛行器非常接近時若發(fā)生異常，地面干預(yù)的實(shí)時性比不上現(xiàn)場的航天員，并且航天員可以進(jìn)行綜合情況的判斷和處置，更有利于保證安全。正是基于這一優(yōu)勢，聯(lián)盟T-13航天員靠手控操作實(shí)現(xiàn)了與失控的禮炮-7號空間站交會對接，進(jìn)而維修恢復(fù)了空間站。當(dāng)時的禮炮-7號處于完全無控自由漂移的狀態(tài)（所幸角速度不大），聯(lián)盟T-13是先繞著它轉(zhuǎn)圈觀察后，才一邊跟著轉(zhuǎn)、一邊瞄著對接口靠近并對上的。針對禮炮-7號這樣的非合作又無控的目標(biāo)，由于其狀態(tài)事先不確知，最后的接近和對接無法利用前文所述的軌道規(guī)律進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，只有人根據(jù)現(xiàn)場觀察判斷并制定解決策略，才能克服困難、成功實(shí)施。

▲俄羅斯聯(lián)盟T13號在對接前拍攝的禮炮7號。來源：arstechnica

09

從兩天到6.5小時

快速交會是怎樣實(shí)現(xiàn)的？

2021年6月17日，神舟十二號載人飛船與天和核心艙形成組合體，交會對接全程時長從過去我國載人飛船通常需要的兩天左右縮短至6.5小時。

交會過程快，就是要在盡可能少的飛行圈次內(nèi)，在很少的幾個軌道特征點(diǎn)上完成所需的交會變軌。因此，規(guī)劃的變軌次數(shù)少、軌控之間的間隔短，才能有效縮短交會時間。這又對其他條件提出了要求：

（1）火箭入軌精度高。由于需要調(diào)整修正的量小，不必規(guī)劃太多的軌控次數(shù)。

（2）測定軌實(shí)時精確。在北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)的支撐下，此條件已實(shí)現(xiàn)。

（3）實(shí)時軌控規(guī)劃與計算精準(zhǔn)。在北斗提供實(shí)時精準(zhǔn)測定軌的前提下，要么飛船的船載計算機(jī)運(yùn)算能力足夠高，能夠自主進(jìn)行規(guī)劃和軌控；要么地面注入軌控參數(shù)時段寬裕，注入時刻不構(gòu)成約束。

（4）軌控精度足夠高，不會產(chǎn)生新的偏差項(xiàng)，且偏差足夠小，不超過規(guī)劃的調(diào)整能力。

因此，快速交會的實(shí)現(xiàn)是由地面、運(yùn)載火箭、飛行器、導(dǎo)航與中繼衛(wèi)星等等構(gòu)成的大系統(tǒng)整體能力提升與協(xié)同保障的結(jié)果。

▲神舟十二號與天和核心艙準(zhǔn)備對接。來源：CCTV

下篇：對接

01

對接初始條件

什么情況下可以對接？

交會的終點(diǎn)就是對接的起點(diǎn)。此時，飛船相對于空間站的橫向位置與速度、三軸姿態(tài)與角速度都盡可能接近零，只有軸向飛行方向保持預(yù)先設(shè)計的接近速度。工程以這些參數(shù)的狀態(tài)作為對接開始的條件。此條件對于飛行控制系統(tǒng)而言是交會控制目標(biāo)，對于對接系統(tǒng)則是要適應(yīng)的初始范圍。從系統(tǒng)全局來看，交會終點(diǎn)精度越高越好，而對接機(jī)構(gòu)的容差范圍則越大越好，這也是系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)在進(jìn)行分配時需要留余量的界面。

這一刻，交會系統(tǒng)完成“交班”，交會對接任務(wù)的接力棒交到了對接系統(tǒng)手中。

交會飛行結(jié)束時，兩個航天器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“1+1”。接下來的對接將使二者在艙體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)“=1”，成為運(yùn)動控制、能源、信息、環(huán)境等艙內(nèi)資源“=1”的基礎(chǔ)。

▲神舟十號與天宮一號交會對接。來源：CCTV

02

從單航天器到組合體

對接需要幾步？

作為兩飛行器完成機(jī)械連接并形成剛性組合體的物理過程，對接主要包括三個步驟。

（1）接觸、接納和幾何位置校正。

前文說到了交會飛行中為了消除誤差而進(jìn)行的軌道修正。交會飛行完成時，飛船和空間站的位置、相對速度、相對姿態(tài)、角速度都是一致的，也就是說，對正了。但偏差仍然存在。因此，兩個飛行器的對接機(jī)構(gòu)相互接觸后，第一件事就是消除初始偏差，讓雙方的機(jī)械裝置相互接納，并且校正相互的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)完完全全的“對正”。這個動作，類似擰螺釘時先對準(zhǔn)螺孔的扶正動作。

地球上造房子常常用到我國傳統(tǒng)的榫卯結(jié)構(gòu)。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)榫的頭部略細(xì)，而卯的入口稍寬，空間對接的接觸面構(gòu)造類似更加精密的榫卯，通過特殊的幾何導(dǎo)向特征，讓兩個航天器對接機(jī)構(gòu)越接近、越對正，從而嚴(yán)絲合縫、你中有我我中有你地結(jié)合在一起。這種接納和校正形式有桿錐組合、環(huán)錐組合以及外窄內(nèi)寬的導(dǎo)向瓣組合，我們常見的螺釘頭和螺孔邊緣就是一對錐面組合，而導(dǎo)向瓣則如兩只岔開手指的手相互插合。

位置校正之后，為了使兩個航天器的相對關(guān)系不再變化，捕獲機(jī)構(gòu)將在此時“抓住”對方，使彼此不再脫開。

▲俄羅斯的桿錐式對接機(jī)構(gòu)。來源：ESA

（2）緩沖并消耗碰撞能量。

高速飛行的大質(zhì)量航天器，即使以較小速度相互接觸，沖擊能量也是相當(dāng)可觀的。飛船和空間站中至少一方需要配置緩沖和耗能裝置，減緩沖擊過載，耗散或吸收撞擊能量。

彈簧阻尼和液壓伺服機(jī)構(gòu)是自始至終隨著對接技術(shù)發(fā)展而不斷演化的緩沖形式，電磁阻尼裝置的研究也在近年興起。自適應(yīng)電磁裝置可以將捕獲與緩沖耗能的工作合一，更突出的優(yōu)點(diǎn)是由于其加入了主動控制環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)低沖擊捕獲，并通過電磁參數(shù)的調(diào)整控制適應(yīng)更大范圍的對接飛行器質(zhì)量及對接初始條件。

實(shí)際工程中，緩沖阻尼系統(tǒng)只在飛船的對接機(jī)構(gòu)上安裝，稱為“主動對接機(jī)構(gòu)”?？臻g站安裝無緩沖系統(tǒng)的“被動對接機(jī)構(gòu)”。這樣做的好處在于，空間站一側(cè)沒有復(fù)雜機(jī)構(gòu)，有利于長期飛行；飛船一側(cè)雖然機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但由于工作壽命較短，設(shè)計和在軌維護(hù)的難度不大。

▲神舟八號飛船上的緩沖阻尼系統(tǒng)。來源：新華社

（3）機(jī)械連接。

兩個航天器接觸的碰撞能量被緩沖、吸收之后，兩對接端面被拉近、靠攏，然后通過機(jī)械鎖系剛性連接為一體。除了要保證足夠的連接剛度和承載能力，對于載人航天器，還要實(shí)現(xiàn)兩航天器間的密封，以保證人員能夠通過兩個航天器的對接通道往來。與緩沖系統(tǒng)的配置原則類似，飛船一側(cè)通常配置橡膠密封圈，空間站一側(cè)配置金屬密封面。

對接后的艙段環(huán)境連通，經(jīng)歷了一個有趣的發(fā)展過程。載人航天器第一代對接機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)突破交會對接技術(shù)，沒有考慮密封艙段連接。換句話說，對接機(jī)構(gòu)是“實(shí)心”且固定的。1969年1月16日，蘇聯(lián)的聯(lián)盟-4號和聯(lián)盟-5號飛船成功實(shí)施人類首次載人交會對接后，航天員通過出艙才到達(dá)“隔壁房間”。后來的第二代桿錐式對接機(jī)構(gòu)設(shè)計為對接后可翻轉(zhuǎn)拆卸的形式。再后來，出現(xiàn)了周邊式對接機(jī)構(gòu)——機(jī)構(gòu)按環(huán)形布局，中間能開艙門，主被動對接機(jī)構(gòu)對接后即形成了對接通道，能構(gòu)建直接連通兩飛行器的密封艙環(huán)境。

▲聯(lián)盟四號、五號對接藝術(shù)圖。來源：Russianspacenews

至此，兩航天器結(jié)構(gòu)固連合一形成組合體，電路、液路可連通，載人環(huán)境貫通，“1+1=1”的物理基礎(chǔ)已全部具備。

同時，飛船作為天地往返的運(yùn)輸工具和非永久對接的飛行器，在任務(wù)結(jié)束后需要可靠分離。因此，對接鎖系能上鎖也能解鎖，必須是可以逆向運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。為了確保分離可靠性，有些對接機(jī)構(gòu)在鎖系上配置了火工品，以便在發(fā)生故障時將連接部位“炸開”。

通常情況下，彈簧機(jī)構(gòu)提供分離的動力，這使兩飛行器具備一定的初始分離速度。彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計要點(diǎn)是確保長期壓縮后仍能保證穩(wěn)定的分離力，并且輔以導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使兩飛行器的相對角速度足夠小，以平動的形式安全分離。

▲貨運(yùn)龍飛船離開國際空間站。來源：NASA

03

對接動力學(xué)相關(guān)問題

怎樣保證飛船不把空間站掀翻了？

前面說到了，對接將產(chǎn)生撞擊能量。除了航天器上的緩沖、耗能裝置，空間站工程還有幾項(xiàng)設(shè)計與這一問題相關(guān)。

第一，主動對接機(jī)構(gòu)上配置的緩沖阻尼系統(tǒng)在對接撞擊過程中隔離了兩個飛行器本身，實(shí)際起到的效果相當(dāng)于以這套系統(tǒng)的等效動力學(xué)特性（而不是整個飛行器的特性）去撞擊目標(biāo)。因此，通過對這套系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)設(shè)計，可對不同的對接目標(biāo)及各種對接初始條件進(jìn)行適應(yīng)。

第二，為了不干擾緩沖阻尼過程，對接后兩航天器均要停止姿態(tài)控制，組合體處于自由漂移狀態(tài)。此時緩沖系統(tǒng)不再有能量輸入，只需將對接撞擊能量消耗即可。

第三，對接動力學(xué)較難處理的一個問題是偏心條件下的對接，此時需要對接機(jī)構(gòu)有承受較大偏心翻轉(zhuǎn)載荷并吸收該方向輸入能量的能力。在美國航天飛機(jī)與蘇聯(lián)和平號空間站對接的合作項(xiàng)目中，航天飛機(jī)的對接口設(shè)置在背部，遠(yuǎn)離質(zhì)心，加上飛機(jī)巨大的質(zhì)量，當(dāng)時已有的對接機(jī)構(gòu)無法在此條件下完成對接。為此，蘇聯(lián)專門研制了APAS-89對接機(jī)構(gòu)，第一次采用了導(dǎo)向瓣內(nèi)翻布局以擴(kuò)大主結(jié)構(gòu)尺寸、提高承載能力，并在緩沖系統(tǒng)中串聯(lián)了電磁阻尼器；美國方面也修改了控制方案，對接接觸后用航天飛機(jī)頭尾的平移發(fā)動機(jī)配合執(zhí)行噴氣脈沖，以部分抵消翻轉(zhuǎn)力矩。在雙方的技術(shù)配合下，航天飛機(jī)與和平號多次對接成功。

偏心工況在徑向?qū)又惺浅Ｒ姷摹Ｎ覈裰凼栵w船徑向?qū)又?，空間站組合體在姿態(tài)?？仄陂g的自由漂移偏轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)大于之前歷次軸向?qū)拥钠妻D(zhuǎn)角，也是這個原因。

▲和平號空間站上的APAS-89對接機(jī)構(gòu)及和平號-航天飛機(jī)對接。來源：NASA

04

異體同構(gòu)的提出和應(yīng)用

對接機(jī)構(gòu)為什么不長成一個樣？

飛船和空間站對接，兩個航天器上的機(jī)械對接裝置有所不同，一個主動一個被動。1970年代，對接機(jī)構(gòu)的研究者們提出一個設(shè)計理念：異體同構(gòu)。這個詞對應(yīng)的英文Androgynous源于拉丁語，本意是雌雄同體，現(xiàn)在仍是動植物學(xué)的術(shù)語。

“異體同構(gòu)”的核心在于，主被動兩端的對接機(jī)構(gòu)完全一樣，任意兩個飛行器可以互為主被動進(jìn)行對接；如果完全實(shí)現(xiàn)，在軌飛行器可以任意相互對接，至少能極大地方便相互救援。

▲異體同構(gòu)概念示意

異體同構(gòu)的完美設(shè)想未能在世界航天工程中完全實(shí)現(xiàn)，但在對接機(jī)構(gòu)的接納和導(dǎo)向校正裝置等方面得到了很好的局部應(yīng)用。上一節(jié)提到的蘇聯(lián)對接機(jī)構(gòu)定名APAS（Androgynous Peripheral Attachment System），可翻譯為“雌雄同體/異體同構(gòu)周邊式對接系統(tǒng)”。蘇聯(lián)的設(shè)計師們將錐形導(dǎo)向的幾何特征做成反對稱的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，任意一對“花朵”面對面，它們的花瓣即可相互插合。第一代異體同構(gòu)對接機(jī)構(gòu)APAS-75應(yīng)用于ASTP-75聯(lián)盟-阿波羅對接項(xiàng)目，美蘇雙方按約定的尺寸規(guī)格做出了同樣的外翻式導(dǎo)向瓣，并且配置了各自研制的緩沖阻尼裝置。雙方航天器互為主被動，成功實(shí)現(xiàn)了兩次“太空握手”。

這一設(shè)計有效統(tǒng)一了主/被動對接機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，被各國研制者所接受。蘇/俄的對接機(jī)構(gòu)升級到了APAS-89和APAS-95，在緩沖裝置上分主被動，但導(dǎo)向結(jié)構(gòu)保持同構(gòu)，至今仍在國際空間站服役。歐洲新研的自適應(yīng)電磁式對接機(jī)構(gòu)也采用了類似的導(dǎo)向瓣。我國的對接機(jī)構(gòu)同樣屬于導(dǎo)向瓣內(nèi)翻的異體同構(gòu)周邊式對接機(jī)構(gòu)。

▲聯(lián)盟-阿波羅對接任務(wù)中的異體同構(gòu)對接機(jī)構(gòu)。來源：Mir Hardware Heritage

蘇/俄和美國很早就試圖規(guī)范、統(tǒng)一對接機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，并且在與國際空間站參與國的多輪討論之后制定了對接接口標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際上這個標(biāo)準(zhǔn)對各國沒有強(qiáng)制約束力，由于技術(shù)和非技術(shù)的原因，即使是俄美自己也沒有遵照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。加之對接機(jī)構(gòu)研制和使用周期長，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅在國際空間站上就有4種相互不具有兼容性的對接和停泊系統(tǒng)并存提供服務(wù)，包括美方的3對APAS-89、超過16對的CMB以及俄方的13個包含兩種不兼容改型的“桿-錐”系統(tǒng)。比解決對接接口一致性更現(xiàn)實(shí)的一個做法是，對接誰的艙，就用誰家的對接機(jī)構(gòu)。比如ESA研制的ATV貨運(yùn)飛船要對接俄羅斯的艙段，就直接采購、安裝了俄制對接機(jī)構(gòu)。

對接機(jī)構(gòu)的“天下大同”是理想，更理想的情況是根本就不需要對接機(jī)構(gòu)。地上組裝艙段時可以通過工裝設(shè)備保證對接精度，直接擰螺釘就行，而天上則必須使用對接機(jī)構(gòu)彌補(bǔ)空間交會偏差造成的裝配精度不足。未來的交會控制精度足夠高之后，對接機(jī)構(gòu)可以直接演變?yōu)樽詣友b配機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更加高效的空間設(shè)施組裝。

▲歐洲ATV貨運(yùn)飛船上的俄制對接機(jī)構(gòu)。來源：ESA

05

機(jī)械臂作為另一種對接選擇

為什么說傳統(tǒng)對接方式仍有優(yōu)勢？

早期航天活動中，測定軌、飛行器自主測量與控制能力相對弱，為了達(dá)成系統(tǒng)目標(biāo)，盡量利用成熟的機(jī)械技術(shù)擴(kuò)大對接機(jī)構(gòu)的容差能力，因此當(dāng)時的對接機(jī)構(gòu)都是類似于桿-錐的設(shè)計，對接初始偏差可以寬至30cm。隨著技術(shù)發(fā)展與測定軌、控制能力的增強(qiáng)，對接初始條件范圍縮小，對接機(jī)構(gòu)可以做得更加精巧，減小容差和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，減小體積和重量。精準(zhǔn)的交會撞擊能量減小，因而也可以簡化緩沖吸能裝置。由此發(fā)展出弱撞擊對接機(jī)構(gòu)以及機(jī)械臂捕獲后對接的技術(shù)和應(yīng)用。

機(jī)械臂抓捕后再對接的方案，實(shí)際上是將飛船交會終點(diǎn)設(shè)為目標(biāo)附近的懸停點(diǎn)，將對接初始條件的接近速度也控為零。該方案充分發(fā)揮飛行器高精度運(yùn)動控制和機(jī)械臂的功能性能優(yōu)勢，極大降低了對接機(jī)構(gòu)容差和緩沖能力的要求。機(jī)械臂作為通用工具可以服務(wù)于所有來訪飛行器，來訪者的對接機(jī)構(gòu)則可以簡化、輕量化。這種方案的另一個獨(dú)特優(yōu)勢在于，機(jī)械臂捕獲飛船或來訪艙段后可以將其轉(zhuǎn)移到任意方向的對接口對接，使艙段組裝建造有了更靈活的選擇和更廣闊的拓展空間。

傳統(tǒng)的交會對接在安全性上仍有優(yōu)勢：對接過程異?？呻S時撤離，組合體飛行期間飛船也能隨時應(yīng)急分離，并且只需飛船一方執(zhí)行中止對接或撤離動作即可。而使用機(jī)械臂輔助對接的話，轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)異常無法即刻分離，應(yīng)急撤離的過程也復(fù)雜得多、慢得多。SpaceX合理利用了兩種對接方式：貨運(yùn)龍飛船交會懸停后由機(jī)械臂抓捕后對接，載人龍飛船則直接交會對接。

隨著技術(shù)進(jìn)步，交會對接發(fā)展出更多各有所長的分支技術(shù)，以適應(yīng)和滿足更加細(xì)分的應(yīng)用需求，保障著從例行天地往返到復(fù)雜空間設(shè)施建設(shè)的空間任務(wù)。

▲中國空間站機(jī)械臂抓取飛船再對接示意圖。來源：科普中國

尾聲：

工程哲學(xué)語境中的交會對接

從飛船發(fā)射前空間站的配合調(diào)軌時刻起，以最終對接為目標(biāo)的交會對接就開始了。在這個過程中，交會飛行逐步消除了火箭發(fā)射與入軌偏差以及軌道測量和各次軌道機(jī)動引入的偏差，在交會結(jié)束時刻為對接創(chuàng)造了初始條件；對接過程繼續(xù)消除兩飛行器接觸時刻的相對位置、速度、姿態(tài)偏差，緩沖并消耗掉撞擊能量，最終完成物理連接，為“1+1=1”的組合體融合奠定基礎(chǔ)。由此可見——

交會對接是一個在空間要素上延展分布、在時間坐標(biāo)上動態(tài)發(fā)展的復(fù)雜系統(tǒng)，承載了整體性、系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性的系統(tǒng)科學(xué)思維。

交會對接是一套通過以控制為核心的技術(shù)實(shí)現(xiàn)總體最優(yōu)的工程設(shè)計，貫穿了系統(tǒng)工程解決多因素、多約束、多目標(biāo)、多階段、多變性問題的科學(xué)方法。

交會對接是一項(xiàng)基于軌道科學(xué)規(guī)律和航天技術(shù)而構(gòu)建大型空間設(shè)施的活動，體現(xiàn)了系統(tǒng)哲學(xué)知行互長、體（結(jié)構(gòu)）用（功能）互動的科學(xué)實(shí)踐。

肩負(fù)以上多維度探索使命的中國空間站正在奔赴其科學(xué)、技術(shù)、工程目標(biāo)，也延伸著我們對世界的理解。

監(jiān)制：李曉云

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