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当代空间交会与对接技术一瞥(上)
    日期:2011年05月24日    字体:【】【】【

  空间交会与对接技术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。广泛用于空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型空间设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等领域。 


    
  “和平”空间站上的对接口


  意义重大 
  空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。只有掌握它们,人类才能自由出入太空,更有效地开发宇宙资源。对于国家来说,还能独立、平等地参加国际合作。 
  在突破并掌握了载人航天的基本技术之后,宇宙飞船的主要用途就是为空间站和月球基地等接送航天员和物资。在航天领域专家常说的一句话是:“造船为建站,建站为应用。”至今发射的宇宙飞船大多是作为空间站的天地往返交通工具和长期停靠在空间站上的救生艇。为了实现宇宙飞船的运输功能,就必须攻克两项关键技术,那就是宇宙飞船与空间站的空间交会技术与对接技术,主要设备是交会测量系统和对接机构。 
  航天器之间的空间交会对接技术很复杂。在国外载人航天活动早期,航天器之间的空间交会对接过程中经常发生故障与事故,即使在1997年,俄罗斯的两个航天器还发生过一次重大的空间交会对接事故——“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞,使“和平”号空间站上的“光谱”号舱被迫关闭,部分氧气泄漏,动力系统也受到影响。 
  通过多年的努力,目前美国和苏联/俄罗斯已完全掌握了在地面支持下的载人交会与对接技术。尤其是苏联/俄罗斯在掌握了空间交会与对接技术以后,先后利用飞船的运输能力发展了几代载人空间站,在空间交会与对接等方面一直占据着技术优势。 
  虽然起步较晚,但欧洲、日本等国家在空间交会与对接研究方面已取得长足进步,特别是某些单项技术和设备,如地面仿真、对接敏感器等,都取得了惊人的进步。日本曾于1998年通过两颗卫星成功进行了无人交会与对接在轨试验,2009年又用首个H2转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接。欧洲也在2008年用首个自动转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接。 
  
  技术概述 
  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。追踪航天器从发射入轨到最后与目标航天器完成刚性连接,整个过程大致可分为地面导引、自动寻的、最后逼近、对接合拢四个阶段。 
  航天器之间在空间进行对接时要先交会,即相互接近,它是一个航天器接近另一个航天器的过程。具体地说,就是在太空飞行中,两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调,在同一时间到达空间同一位置的过程。美国和苏联/俄罗斯曾使用过三种交会的方法,即相切法、共椭圆法和第一远地点法。它们细说起来一言难尽,但都是利用两个航天器的不同高度和霍曼变轨原理,使追踪航天器以不同的速度移向目标航天器。 


  
  美国航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站对接 


  两个航天器交会后要调整各自的位置,使两个航天器之间逐步达到零距离,最终启动对接机构实现对接,在机械上联成一体,形成更大的航天器复合体。实现交会与对接是由交会与对接系统完成的,它通常包括跟踪测量系统、姿态与轨道控制系统、对接机构机械系统等。两个航天器在太空进行对接时,其初始条件是两者保持对接机构的同轴接近方式和确定的纵向速度,以及在其他线坐标和角坐标上的速度为零。但两个航天器之间的实际相对运动参数总是有偏差。一般情况下,两个航天器之间的相对位置及其平动速度通常是靠主动航天器运动控制系统和两个航天器的定向与稳定系统来维持,前者适用于控制质心的平动运动,后者适用于控制绕质心的转动运动。 
  总之,空间交会与对接过程一般是首先由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;接着,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;接着,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;最后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。
  来源:太空探索杂志

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