大器厚成:中國空間站的交會對接

發表于:2021-12-07 09:54:22

  兩個航天器于同一時間、在軌道同一位置、以相同速度和姿態會合並在結構上連為一個整體,被稱為交會對接。這是建設中國空間站的關鍵技術,是實現“1+1=1”的前提,也是航天器在軌運行中最復雜的技術之一。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,他們在日常口語中也會用rendezvous表達跟誰在哪兒會合,但一定是到一個比較遠的地方,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千萬裏地會合、然後連接裝配在一起。

  當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射之前已然開啟。空間上,交會對接所包含的元素遠遠超越對接航天器本身;時間上,它是由多個動態步驟依次構建的過程。

  天宮將竣,結果源自開頭,起點通往終點;新器有為,牽一發而動千鈞,謀全盤而成良局。交會對接為航天這一係統工程作出了有力注解。

中國空間站建設動畫示意。來源:CCTV


上篇:交會

01 軌道規律奠定交會基礎
航天器為什麼這樣飛?


  航天器是沿著軌道飛行的,軌道是有規律的。宇宙天體的軌道規律,就是設計交會對接的基礎。

  軌道規律一:軌道越低,則運行角速度越快。空間站飛行在約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。那麼,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,對接就可望實現了。

  交會對接常常被比喻為“萬裏穿針”,其實距離並不與難度成正比,追蹤距離遠甚至也不一定多耗燃料,關鍵在于精準控制飛行過程中的高度差和飛船逐次升軌的時機,需要精確測定兩飛行器的軌道,實時獲知兩飛行器相對位置與速度,精準計算與執行軌道控制。這些才是難點所在。

  軌道規律二:圓軌道上的飛行器做近似勻速圓周運動。勻速圓周運動不僅有利于地面的跟蹤和觀測,而且結合軌道規律一可知,兩個飛行器在同高度的圓軌道飛行時,其相對速度會持續保持為零。這就讓我們能夠為交會對接設置軌道停泊點。

  軌道規律三:同一軌道面內的變軌機動比改變軌道面節省能量。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,需要與現有速度同量級的速度增量方可實現。而在萬有引力規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律,在籌劃交會對接時,從起飛到對接的全過程都應盡可能地讓飛船與空間站飛行于同一軌道面內。

  軌道規律四: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。同樣因為速度的矢量特性,在軌道的交叉點上,兩個飛行器可以同時到達同一位置,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完成,而這相當于要把相交軌道逐漸增大的接近速度穩定地降下來,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,一定要設法修正其中一方(通常是飛船),使二者最終在同一軌道面內相遇,才能為對接創造好的初始條件。


軌道面相交的兩飛行器相對速度關係示意。

02 交會旅程的起點:火箭升空
飛船發射為什麼需要“零窗口”?


  發射之前的火箭以及包裹在火箭內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。從起飛的那一瞬間起,火箭飛船不再隨地球運動,脫離地表的直接束縛獨立飛入太空。因此,起飛時刻就是飛船進入飛行軌道的起點,這一時刻的精準性決定了火箭是否被地球帶著偏離了預期的初始條件。

  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,規劃交會對接任務時,應通過事先對空間站軌道的精確測定和預測設計出理論發射時刻,然後通過地面與火箭的協同讓火箭盡可能在理論時刻起飛。這就是飛船發射“零寬度時間窗口”(也稱“點窗口”或“零窗口”)的由來。起飛之後,火箭的控制係統在飛行中還將進一步修正殘留的偏差,以保證入軌點的精度。

2021年10月16日,長徵二號F運載火箭發射升空,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
空間站為什麼在交會前調整軌道?


  入軌點,就是將飛船送至與空間站處于同一軌道面、且在其後下方的特定點,則後續飛船按照規劃好的變軌策略逐次抬升軌道,即可在預定時間內追上空間站。因此,入軌點是對兩飛行器相對關係(高度差與位置差)的設計。不同的相對關係需要採取不同的變軌策略進行追蹤,某一特定的相對關係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佔比越大,追蹤越快,交會總時長越短。

  既然兩個飛行器存在相對關係,空間站可以配合交會進行相應調整。火箭的入軌點范圍有限,因而空間站最常見的配合措施是在飛船發射前通過升降高度調整其軌道角速度,使得飛船入軌時二者的相對位置恰好在一個合適的區間,有利于飛船後續的追蹤飛行。如果空間站不調整,飛船入軌時,空間站則有可能在其前方0°到360°的任何位置。當然,兩個飛行器離得遠,飛船可以在低軌道多飛一段時間,只要持續比空間站低,總能追上。

  兩種方案各有利弊。空間站調整,有利于飛船以相對固定的變軌策略進行交會,飛行時間也就相對固定,更有利于飛行程序和天地協同的一致性;空間站不調整,飛船每天都可以發射(只要發射時刻保證同軌道面),任務實施的約束少,但交會時間不確定,1到5天都有可能。因此,載人飛船通常採取前一種方案,空間站適當配合,以保證交會時間不會太長且是確定的;而貨運飛船沒有交會時間的強約束,多用後一種方案。


神舟十三號徑向交會對接示意圖。來源:空間技術研究院

04 交會第三步:遠距離追蹤與近距離接近
兩個飛行器怎樣找到彼此?


  由遠及近,飛船追蹤空間站。

  相距較遠時,工程分別對飛船和空間站的軌道進行測定,獨立確定各自的軌道,基于此制定變軌策略。其實時軌道可以由地面站進行測定和預測,也可以通過飛行器上的衛星導航數據獲得。北鬥全球導航的應用,使得精確實時的軌道測定成為可能。

  距離足夠近,兩個飛行器能夠“呼應”彼此了,就能通過飛船上安裝的測量設備(雷達、光學測量設備等)以及空間站上相應配置的合作目標(應答機、光學靶標等)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據,而是基于相對軌道關係進行變軌計算即可。之所以這樣選擇,是因為越近距離,相對測量的精度越高;軌道的相對關係經線性簡化後,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在軌實時自主計算,更提高了處置實時性。

  交會段最後的約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立地按各自的軌道規律飛行,但由于軌道間的偏差已經非常小了,直接根據相對關係對飛船進行類似直線飛行的動作調整已經不再需要消耗太大能量,因此可以、也必須在此區間進行3個方向及3軸姿態的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,相對姿態及角速度也吻合。二者對準了,交會對接才能進入下一階段,也就是“對接”的機械裝配過程。

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
軌道控制難在哪裏?


  從火箭發射入軌到兩個飛行器追蹤接近,步步有序。而在實際飛行中,每一步都可能産生誤差。因此,飛行軌道控制規劃需要預留軌道修正的時機,根據實際偏差情況進行實時計算、並決定是否實施修正。而所有階段的測量和計算誤差都會轉化為軌控參數的誤差,並且與變軌執行偏差疊加,體現在軌控後的飛行狀態中。

  因此,飛船入軌,工程即以實測軌道規劃後續的各次變軌,消除入軌偏差;每次軌控之後重新測定軌,再以當前狀態更新規劃後續的變軌策略和參數,在完成既有追蹤任務的同時消除上一次變軌産生的新偏差。

  “人不能兩次踏進同一條河流。”古希臘哲學家的這句話,表達了宇宙萬物的運動變化。從這個意義上來説,以交會對接為代表的航天任務在每一階段所面對的,都是又一次全新的任務。

  軌道控制在按照以上原則進行規劃、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地點、近地點實施,利用霍曼轉移實現能量最優;變軌道面盡可能在軌道交點處實施,通過最高效的控制節省燃料。

  對軌控過程的實施影響較大的約束條件包括兩類。一類是技術條件,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進行,以利于及時處置故障、保證安全。約束條件因任務實施條件和能力而異,也隨著技術進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規劃問題。

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
航天器為什麼“走走停停”?


  空間站沿圓軌道飛行。飛船追蹤過程中,若通過變軌達到空間站後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説就“停泊”了。這樣的停泊是由軌道規律保證的,即被動安全:只要不做動作,就沒有相撞風險。

  交會對接飛行過程中設置停泊點是必要的,主要用于以下操作或場景:

  (1)切換相對測量敏感器。飛船從數百公裏追蹤至對接,很難由一套設備從頭測到底。因此,與空間站相對距離不變且安全的停泊點,是進行不同測量距離的設備切換的最佳位置。也就是説,停下來換裝備。

  (2)故障處置。敏感器等典型故障,即可在停泊點等待處置。實際上,有些交會方案將停泊點作為全係統狀態檢查的點,確認一切正常才放行。也就是説,停下來檢查。

  (3)對接時間調整。軌控執行有誤差,則飛行時間與預計也會有偏差,設置停泊點可以“吃掉”此前的飛行時間誤差,以保證後續步驟按預定時間計劃執行。也就是説,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説,這一調整能力是非常重要的。

  (4)解決光學敏感器受陽光幹擾的問題。通俗地説就是,陽光晃眼時在停泊點等待,太陽轉過去了再走。

  停泊點可以設置在空間站的後方,也可以在其前方。從後向停泊點繼續接近空間站,需要略降軌,追近後再升軌、停泊。從前向接近則是先升軌,等待空間站靠近後再降軌停泊,正反向分別重復這一過程,直至進入平移靠攏階段。

神舟九號-天宮一號手動交會對接中的停泊點設置。來源:CCTV

07 徑向交會有利有弊
飛船為什麼不從側面對接空間站?


  除了利用停泊點從前、後方向接近空間站直至最後對接,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射並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,從能量消耗及最終的對接條件來説仍然是較為理想的。徑向交會讓空間站在不改變飛行姿態的情況下,增加了接納來訪飛行器的能力。同時,得益于幹凈的太空背景,徑向交會過程中飛船向上觀測空間站條件好。

  徑向交會的難點也是軌道規律帶來的。因為飛船始終低于空間站,無法利用軌道角速度特性實現被動停泊,若需停泊就得使用燃料持續控制。此外,徑向交會時飛船處于頭衝天、尾向地的“直立”姿態,地球敏感器、測控天線等適應與地面平行飛行常規姿態的設備布局,需要專門設計或調整。

  同一軌道面內的前、後、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。在本文第一節闡述的軌道規律四中,已經説明了通常不直接進行側向對接的原因。側向交會對接兩飛行器處于不同軌道面,兩個軌道面的交點處相對速度最大,如實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向對接口的話,一般是先前、後或徑向對接,然後在機械臂或轉位機構的輔助下“搬家”到側向。

天和核心艙前向、後向、徑向端口上對接的飛船示意圖。來源:36kr

08 自動手動模式並存
高精度自動控制條件下為什麼還要手動交會?


  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上。只有到了平移靠攏階段,航天器的相對運動符合航天員的直接觀察、位姿感覺以及操控習慣,人在回路、也就是人在控制過程中的參與才能實現。事實上,為了確保安全,即便在這一階段,工程也會利用自動控制係統保持飛行器的基本姿態,航天員只需在此基礎上進行平移控制和姿態調整。

  但手動、也就是人控交會模式的一大優勢是控制精度好,這源自人眼精準的立體視覺和人腦-手指精細的操控能力——航天員經過訓練後,可以達到極高的觀測和控制精度。在早期的交會對接技術驗證時代,受限于當時測量敏感器、控制計算機等設備的技術水平,自控不如人控精度高。蘇聯曾經在試驗新型對接機構時專門以人控方式完成最後的交會對接操作,以獲得更優的控制精度。

  當代的自動控制精度足夠高且穩定,但人控仍然作為一種冗余手段保留了下來。這是因為機器無法替代人在現場的臨機處置能力。兩個飛行器非常接近時若發生異常,地面幹預的實時性比不上現場的航天員,並且航天員可以進行綜合情況的判斷和處置,更有利于保證安全。正是基于這一優勢,聯盟T-13航天員靠手控操作實現了與失控的禮炮-7號空間站交會對接,進而維修恢復了空間站。當時的禮炮-7號處于完全無控自由漂移的狀態(所幸角速度不大),聯盟T-13是先繞著它轉圈觀察後,才一邊跟著轉、一邊瞄著對接口靠近並對上的。針對禮炮-7號這樣的非合作又無控的目標,由于其狀態事先不確知,最後的接近和對接無法利用前文所述的軌道規律進行設計與優化,只有人根據現場觀察判斷並制定解決策略,才能克服困難、成功實施。

俄羅斯聯盟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
快速交會是怎樣實現的?


  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,在很少的幾個軌道特徵點上完成所需的交會變軌。因此,規劃的變軌次數少、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。由于需要調整修正的量小,不必規劃太多的軌控次數。
  (2)測定軌實時精確。在北鬥全球導航係統的支撐下,此條件已實現。
  (3)實時軌控規劃與計算精準。在北鬥提供實時精準測定軌的前提下,要麼飛船的船載計算機運算能力足夠高,能夠自主進行規劃和軌控;要麼地面注入軌控參數時段寬裕,注入時刻不構成約束。
  (4)軌控精度足夠高,不會産生新的偏差項,且偏差足夠小,不超過規劃的調整能力。

  因此,快速交會的實現是由地面、運載火箭、飛行器、導航與中繼衛星等等構成的大係統整體能力提升與協同保障的結果。


神舟十二號與天和核心艙準備對接。來源:CCTV


下篇:對接

01 對接初始條件
什麼情況下可以對接?


  交會的終點就是對接的起點。此時,飛船相對于空間站的橫向位置與速度、三軸姿態與角速度都盡可能接近零,只有軸向飛行方向保持預先設計的接近速度。工程以這些參數的狀態作為對接開始的條件。此條件對于飛行控制係統而言是交會控制目標,對于對接係統則是要適應的初始范圍。從係統全局來看,交會終點精度越高越好,而對接機構的容差范圍則越大越好,這也是係統設計指標在進行分配時需要留余量的界面。

  這一刻,交會係統完成“交班”,交會對接任務的接力棒交到了對接係統手中。

  交會飛行結束時,兩個航天器已經實現了“1+1”。接下來的對接將使二者在艙體結構上實現“=1”,成為運動控制、能源、信息、環境等艙內資源“=1”的基礎。

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械連接並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。

  前文説到了交會飛行中為了消除誤差而進行的軌道修正。交會飛行完成時,飛船和空間站的位置、相對速度、相對姿態、角速度都是一致的,也就是説,對正了。但偏差仍然存在。因此,兩個飛行器的對接機構相互接觸後,第一件事就是消除初始偏差,讓雙方的機械裝置相互接納,並且校正相互的位置關係,實現完完全全的“對正”。這個動作,類似擰螺釘時先對準螺孔的扶正動作。

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

  位置校正之後,為了使兩個航天器的相對關係不再變化,捕獲機構將在此時“抓住”對方,使彼此不再脫開。

俄羅斯的桿錐式對接機構。來源:ESA

  (2)緩衝並消耗碰撞能量。

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

  彈簧阻尼和液壓伺服機構是自始至終隨著對接技術發展而不斷演化的緩衝形式,電磁阻尼裝置的研究也在近年興起。自適應電磁裝置可以將捕獲與緩衝耗能的工作合一,更突出的優點是由于其加入了主動控制環節,可以實現低衝擊捕獲,並通過電磁參數的調整控制適應更大范圍的對接飛行器質量及對接初始條件。

  實際工程中,緩衝阻尼係統只在飛船的對接機構上安裝,稱為“主動對接機構”。空間站安裝無緩衝係統的“被動對接機構”。這樣做的好處在于,空間站一側沒有復雜機構,有利于長期飛行;飛船一側雖然機構復雜,但由于工作壽命較短,設計和在軌維護的難度不大。

神舟八號飛船上的緩衝阻尼係統。來源:新華社

  (3)機械連接。

  兩個航天器接觸的碰撞能量被緩衝、吸收之後,兩對接端面被拉近、靠攏,然後通過機械鎖係剛性連接為一體。除了要保證足夠的連接剛度和承載能力,對于載人航天器,還要實現兩航天器間的密封,以保證人員能夠通過兩個航天器的對接通道往來。與緩衝係統的配置原則類似,飛船一側通常配置橡膠密封圈,空間站一側配置金屬密封面。

  對接後的艙段環境連通,經歷了一個有趣的發展過程。載人航天器第一代對接機構瞄準突破交會對接技術,沒有考慮密封艙段連接。換句話説,對接機構是“實心”且固定的。1969年1月16日,蘇聯的聯盟-4號和聯盟-5號飛船成功實施人類首次載人交會對接後,航天員通過出艙才到達“隔壁房間”。後來的第二代桿錐式對接機構設計為對接後可翻轉拆卸的形式。再後來,出現了周邊式對接機構——機構按環形布局,中間能開艙門,主被動對接機構對接後即形成了對接通道,能構建直接連通兩飛行器的密封艙環境。

聯盟四號、五號對接藝術圖。來源:Russianspacenews


  至此,兩航天器結構固連合一形成組合體,電路、液路可連通,載人環境貫通,“1+1=1”的物理基礎已全部具備。

  同時,飛船作為天地往返的運輸工具和非永久對接的飛行器,在任務結束後需要可靠分離。因此,對接鎖係能上鎖也能解鎖,必須是可以逆向運動的機構。為了確保分離可靠性,有些對接機構在鎖係上配置了火工品,以便在發生故障時將連接部位“炸開”。

  通常情況下,彈簧機構提供分離的動力,這使兩飛行器具備一定的初始分離速度。彈簧機構的設計要點是確保長期壓縮後仍能保證穩定的分離力,並且輔以導向機構,使兩飛行器的相對角速度足夠小,以平動的形式安全分離。

貨運龍飛船離開國際空間站。來源:NASA

03 對接動力學相關問題
怎樣保證飛船不把空間站掀翻了?


  前面説到了,對接將産生撞擊能量。除了航天器上的緩衝、耗能裝置,空間站工程還有幾項設計與這一問題相關。

  第一,主動對接機構上配置的緩衝阻尼係統在對接撞擊過程中隔離了兩個飛行器本身,實際起到的效果相當于以這套係統的等效動力學特性(而不是整個飛行器的特性)去撞擊目標。因此,通過對這套係統的動力學參數設計,可對不同的對接目標及各種對接初始條件進行適應。

  第二,為了不幹擾緩衝阻尼過程,對接後兩航天器均要停止姿態控制,組合體處于自由漂移狀態。此時緩衝係統不再有能量輸入,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,此時需要對接機構有承受較大偏心翻轉載荷並吸收該方向輸入能量的能力。在美國航天飛機與蘇聯和平號空間站對接的合作項目中,航天飛機的對接口設置在背部,遠離質心,加上飛機巨大的質量,當時已有的對接機構無法在此條件下完成對接。為此,蘇聯專門研制了APAS-89對接機構,第一次採用了導向瓣內翻布局以擴大主結構尺寸、提高承載能力,並在緩衝係統中串聯了電磁阻尼器;美國方面也修改了控制方案,對接接觸後用航天飛機頭尾的平移發動機配合執行噴氣脈衝,以部分抵消翻轉力矩。在雙方的技術配合下,航天飛機與和平號多次對接成功。

  偏心工況在徑向對接中是常見的。我國神舟十三號飛船徑向對接中,空間站組合體在姿態停控期間的自由漂移偏轉角度遠大于之前歷次軸向對接的漂移轉角,也是這個原因。

和平號空間站上的APAS-89對接機構及和平號-航天飛機對接。來源:NASA

04 異體同構的提出和應用
對接機構為什麼不長成一個樣?


  飛船和空間站對接,兩個航天器上的機械對接裝置有所不同,一個主動一個被動。1970年代,對接機構的研究者們提出一個設計理念:異體同構。這個詞對應的英文Androgynous源于拉丁語,本意是雌雄同體,現在仍是動植物學的術語。

  “異體同構”的核心在于,主被動兩端的對接機構完全一樣,任意兩個飛行器可以互為主被動進行對接;如果完全實現,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。


異體同構概念示意


  異體同構的完美設想未能在世界航天工程中完全實現,但在對接機構的接納和導向校正裝置等方面得到了很好的局部應用。上一節提到的蘇聯對接機構定名APAS(Androgynous Peripheral Attachment System),可翻譯為“雌雄同體/異體同構周邊式對接係統”。蘇聯的設計師們將錐形導向的幾何特徵做成反對稱的花瓣狀結構,任意一對“花朵”面對面,它們的花瓣即可相互插合。第一代異體同構對接機構APAS-75應用于ASTP-75聯盟-阿波羅對接項目,美蘇雙方按約定的尺寸規格做出了同樣的外翻式導向瓣,並且配置了各自研制的緩衝阻尼裝置。雙方航天器互為主被動,成功實現了兩次“太空握手”。

  這一設計有效統一了主/被動對接機構的主體結構設計,被各國研制者所接受。蘇/俄的對接機構升級到了APAS-89和APAS-95,在緩衝裝置上分主被動,但導向結構保持同構,至今仍在國際空間站服役。歐洲新研的自適應電磁式對接機構也採用了類似的導向瓣。我國的對接機構同樣屬于導向瓣內翻的異體同構周邊式對接機構。

聯盟-阿波羅對接任務中的異體同構對接機構。來源:Mir Hardware Heritage


  蘇/俄和美國很早就試圖規范、統一對接機構標準,並且在與國際空間站參與國的多輪討論之後制定了對接接口標準。但實際上這個標準對各國沒有強制約束力,由于技術和非技術的原因,即使是俄美自己也沒有遵照標準執行。加之對接機構研制和使用周期長,據不完全統計,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係統並存提供服務,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”係統。比解決對接接口一致性更現實的一個做法是,對接誰的艙,就用誰家的對接機構。比如ESA研制的ATV貨運飛船要對接俄羅斯的艙段,就直接採購、安裝了俄制對接機構。

  對接機構的“天下大同”是理想,更理想的情況是根本就不需要對接機構。地上組裝艙段時可以通過工裝設備保證對接精度,直接擰螺釘就行,而天上則必須使用對接機構彌補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後,對接機構可以直接演變為自動裝配機構,實現更加高效的空間設施組裝。

歐洲ATV貨運飛船上的俄制對接機構。來源:ESA

05 機械臂作為另一種對接選擇
為什麼説傳統對接方式仍有優勢?

  
  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,為了達成係統目標,盡量利用成熟的機械技術擴大對接機構的容差能力,因此當時的對接機構都是類似于桿-錐的設計,對接初始偏差可以寬至30cm。隨著技術發展與測定軌、控制能力的增強,對接初始條件范圍縮小,對接機構可以做得更加精巧,減小容差和導向結構,減小體積和重量。精準的交會撞擊能量減小,因而也可以簡化緩衝吸能裝置。由此發展出弱撞擊對接機構以及機械臂捕獲後對接的技術和應用。

  機械臂抓捕後再對接的方案,實際上是將飛船交會終點設為目標附近的懸停點,將對接初始條件的接近速度也控為零。該方案充分發揮飛行器高精度運動控制和機械臂的功能性能優勢,極大降低了對接機構容差和緩衝能力的要求。機械臂作為通用工具可以服務于所有來訪飛行器,來訪者的對接機構則可以簡化、輕量化。這種方案的另一個獨特優勢在于,機械臂捕獲飛船或來訪艙段後可以將其轉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。

  傳統的交會對接在安全性上仍有優勢:對接過程異常可隨時撤離,組合體飛行期間飛船也能隨時應急分離,並且只需飛船一方執行中止對接或撤離動作即可。而使用機械臂輔助對接的話,轉移過程中出現異常無法即刻分離,應急撤離的過程也復雜得多、慢得多。SpaceX合理利用了兩種對接方式:貨運龍飛船交會懸停後由機械臂抓捕後對接,載人龍飛船則直接交會對接。

  隨著技術進步,交會對接發展出更多各有所長的分支技術,以適應和滿足更加細分的應用需求,保障著從例行天地往返到復雜空間設施建設的空間任務。

中國空間站機械臂抓取飛船再對接示意圖。來源:科普中國


尾聲:
工程哲學語境中的交會對接


  從飛船發射前空間站的配合調軌時刻起,以最終對接為目標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射與入軌偏差以及軌道測量和各次軌道機動引入的偏差,在交會結束時刻為對接創造了初始條件;對接過程繼續消除兩飛行器接觸時刻的相對位置、速度、姿態偏差,緩衝並消耗掉撞擊能量,最終完成物理連接,為“1+1=1”的組合體融合奠定基礎。由此可見——

  交會對接是一個在空間要素上延展分布、在時間坐標上動態發展的復雜係統,承載了整體性、係統性、關聯性的係統科學思維。

  交會對接是一套通過以控制為核心的技術實現總體最優的工程設計,貫穿了係統工程解決多因素、多約束、多目標、多階段、多變性問題的科學方法。

  交會對接是一項基于軌道科學規律和航天技術而構建大型空間設施的活動,體現了係統哲學知行互長、體(結構)用(功能)互動的科學實踐。

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


監制:李曉雲
編輯:郭建偉 祁麗君
校對:馬宇聰