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空间交会对接技术(组图)

2011年08月17日08:12中国载人航天工程网我要评论(0)
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空间交会对接技术(组图)

国际空间站与哥伦布号实验舱对接(来源:《国际太空》杂志)

1.空间交会对接技术概述

空间交会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。空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术、轨道交会控制技术、对接机构设计技术、空间交会对接测控技术等。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。目前为止,只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术,欧洲的ATV和日本的HTV在交会对接技术方面分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。

什么是空间交会对接

空间的两个航天器在同一时刻以同样的速度到达同一个地点的轨道控制过程及结果称做轨道交会。在空间将两个航天器对接起来形成一个航天器的事件称做空间对接。所谓空间交会对接是轨道交会和空间对接的总称。

空间交会对接技术包括空间交会对接轨道设计技术、轨道交会控制技术、对接机构设计技术、空间交会对接测控技术等。

对接过程通常分为4个阶段。两个航天器在完成交会后保持一定的距离,进入共面的相对飞行阶段。在进行下一个步骤之前,两个航天器都要确定对接姿态。当两个航天器完成了最后的对接准备以后,目标航天器(被动方)保持原状态,对接航天器(主动方)则进行主动靠近。为了保证对接的准确性,航天员(或自动对接系统)必须在确保两个航天器的对接设备处于同一直线上之后,再小心翼翼地进行对接。最初的接触会触发一些小型撞锁来连接两个航天器(软对接),它们能够起到对接过程中的缓冲作用。在对接完成后,对接设备将两个航天器拉近紧贴在一起,一些能够进行密封连接的对接系统的对接口进行密封(硬对接)。

空间交会对接技术的作用

空间交会对接技术的作用主要体现在三个方面。一是为长期运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务。例如,除早期试验阶段外,俄罗斯联盟号载人飞船和进步号货运飞船的全部飞行任务,以及美国航天飞机与和平号空间站及国际空间站对接的主要任务都是如此。二是为大型空间设施的建造和运行服务。和平号空间站的6舱段构型是通过交会对接直接在轨组装完成的,国际空间站的建造既利用了交会对接直接组装舱段,又利用了航天飞机强大的运输能力和航天员的操作完成了包括桁架、帆板和舱段的组装;航天飞机对哈勃望远镜的维修则是由交会对接技术支撑的在轨维修服务活动的典范事例。没有交会对接技术,这些复杂的空间设施的建造和可靠运行是无法实现的。三是进行空间飞行器重构以实现系统优化。例如在阿波罗登月任务中,在地球轨道和月球轨道要分别进行一次交会对接,地球轨道交会对接解决了降低火箭上升段逃逸质量与人员进入登月飞行器通道之间的矛盾,月球轨道交会对接实现了将登月飞行器与返回地球飞行器的功能区分和独立,大幅降低了对火箭运载能力的需求。

交会对接技术的另一个重大潜在应用领域是载人登月和深空探测任务。这些任务所需运载能力巨大,通过多次发射和交会对接技术在近地轨道完成轨道转移飞行器的组装,是降低对单发运载火箭能力需求的有效途径,特别是对于诸如火星及其以远的载人任务而言,这可能是目前技术水平上可工程实现的最佳、甚至唯一途径。

因此,交会对接技术是发展航天技术、增强人类探索和开发太空资源能力的一项重大关键技术。它与载人天地往返、出舱活动并称载人航天的三大基本技术。

交会对接技术的发展

目前世界上有美国、俄罗斯、欧洲和日本研制的飞行器分别完成了与运行在地球轨道上目标飞行器的交会对接。1966年3月16日,美国双子星座8号飞船与由阿金纳火箭末级改装的对接目标实现了世界上首次交会对接,其中,最后的近距离交会对接是由航天员人工控制完成的,称为人控交会对接。1967年10月,苏联宇宙188号飞船与宇宙186号飞船实现了世界上首次无人自动交会对接。1969年7月,美国阿波罗登月舱与指令服务舱实现了首次月球轨道人控交会对接。欧洲和日本分别于2008和2009年实现了自动转移飞行器ATV(Automated Transfer Vehicle)和H-II转运飞行器HTV(H-II Transfer Vehicle)与国际空间站的交会对接。迄今为止,美国和俄罗斯共计进行了300多次交会对接飞行,美、俄的交会对接技术已经成熟并在空间站和载人登月中发挥了重要作用,两国交会对接技术也具有近距离交会段分别以人控和自控为主的各自鲜明特色。同时,两国都在不断提升交会对接过程中飞行器的自主能力。

目前为止,只有美国和俄罗斯掌握完整的交会对接技术。欧洲和日本的ATV和HTV 在交会对接技术方面分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。ATV的对接机构由俄罗斯提供,HTV的对接机构由美国提供,其最后的对接过程是由空间站机械臂控制完成的。二者在飞行任务中均需要美国和俄罗斯的数据中继卫星系统(Tracking and Data Relay Satellite,TDRS)支持。(部分引自周建平:“载人航天交会对接技术”,载《载人航天》,2011年2月)

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