兩個(gè)航天器于同一時(shí)間、在軌道同一位置、以相同速度和姿態(tài)會(huì)合并在結(jié)構(gòu)上連為一個(gè)整體，被稱為交會(huì)對(duì)接。這是建設(shè)中國(guó)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(huì)、對(duì)接兩個(gè)階段，英文為Rendezvous and Docking（RVD）。
Rendezvous源自法語(yǔ)。有國(guó)外同行在交流中告訴筆者，他們?cè)谌粘？谡Z(yǔ)中也會(huì)用rendezvous表達(dá)跟誰(shuí)在哪兒會(huì)合，但一定是到一個(gè)比較遠(yuǎn)的地方，至少是另一個(gè)城市或城市的另一端；去隔壁房間碰個(gè)頭，算不上rendezvous。由此看來(lái)，交會(huì)對(duì)接就是指航天器不遠(yuǎn)千萬(wàn)里地會(huì)合、然后連接裝配在一起。
當(dāng)兩個(gè)航天器合為一體，交會(huì)對(duì)接完成。而這一切的帷幕在火箭發(fā)射之前已然開(kāi)啟。空間上，交會(huì)對(duì)接所包含的元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越對(duì)接航天器本身；時(shí)間上，它是由多個(gè)動(dòng)態(tài)步驟依次構(gòu)建的過(guò)程。
天宮將竣，結(jié)果源自開(kāi)頭，起點(diǎn)通往終點(diǎn)；新器有為，牽一發(fā)而動(dòng)千鈞，謀全盤而成良局。交會(huì)對(duì)接為航天這一系統(tǒng)工程作出了有力注解。
▲中國(guó)空間站建設(shè)動(dòng)畫示意。來(lái)源：CCTV
上篇：交會(huì)
01
軌道規(guī)律奠定交會(huì)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(jì)交會(huì)對(duì)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(shí)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(gè)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(guò)程中，飛船逐漸抬高軌道，則其與空間站的相對(duì)速度也隨之逐漸減小。當(dāng)飛船與空間站軌道高度相同時(shí)，兩者的相對(duì)速度為零，對(duì)接就可望實(shí)現(xiàn)了。
交會(huì)對(duì)接常常被比喻為“萬(wàn)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(guò)程中的高度差和飛船逐次升軌的時(shí)機(jī)，需要精確測(cè)定兩飛行器的軌道，實(shí)時(shí)獲知兩飛行器相對(duì)位置與速度，精準(zhǔn)計(jì)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(dòng)。勻速圓周運(yùn)動(dòng)不僅有利于地面的跟蹤和觀測(cè)，而且結(jié)合軌道規(guī)律一可知，兩個(gè)飛行器在同高度的圓軌道飛行時(shí)，其相對(duì)速度會(huì)持續(xù)保持為零。這就讓我們能夠?yàn)榻粫?huì)對(duì)接設(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(dòng)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(jí)的速度增量方可實(shí)現(xiàn)。而在萬(wàn)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(duì)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(huì)對(duì)接時(shí)，從起飛到對(duì)接的全過(guò)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(huì)時(shí)無(wú)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(gè)飛行器可以同時(shí)到達(dá)同一位置，但此時(shí)它們的速度方向不同，相對(duì)速度無(wú)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(duì)速度，在整個(gè)軌道周期中，這個(gè)交會(huì)點(diǎn)的相對(duì)速度恰好是最大的。如果一定要讓二者在此時(shí)刻相對(duì)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(duì)接，變速過(guò)程必須在極短時(shí)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(lái)，控制難度是比較大的，而且一旦控制不好，就會(huì)“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(duì)接創(chuàng)造好的初始條件。
▲軌道面相交的兩飛行器相對(duì)速度關(guān)系示意。
02
交會(huì)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(dòng)，脫離地表的直接束縛獨(dú)立飛入太空。因此，起飛時(shí)刻就是飛船進(jìn)入飛行軌道的起點(diǎn)，這一時(shí)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(shí)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(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)，應(yīng)通過(guò)事先對(duì)空間站軌道的精確測(cè)定和預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)出理論發(fā)射時(shí)刻，然后通過(guò)地面與火箭的協(xié)同讓火箭盡可能在理論時(shí)刻起飛。這就是飛船發(fā)射“零寬度時(shí)間窗口”（也稱“點(diǎn)窗口”或“零窗口”）的由來(lái)。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(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭發(fā)射升空，將神舟十三號(hào)載人飛船送入太空。來(lái)源：新華社
03
交會(huì)第二步：入軌與追蹤
空間站為什么在交會(huì)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(shí)間內(nèi)追上空間站。因此，入軌點(diǎn)是對(duì)兩飛行器相對(duì)關(guān)系（高度差與位置差）的設(shè)計(jì)。不同的相對(duì)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(duì)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(shí)間占比越大，追蹤越快，交會(huì)總時(shí)長(zhǎng)越短。
既然兩個(gè)飛行器存在相對(duì)關(guān)系，空間站可以配合交會(huì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。火箭的入軌點(diǎn)范圍有限，因而空間站最常見(jiàn)的配合措施是在飛船發(fā)射前通過(guò)升降高度調(diào)整其軌道角速度，使得飛船入軌時(shí)二者的相對(duì)位置恰好在一個(gè)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(shí)，空間站則有可能在其前方0°到360°的任何位置。當(dāng)然，兩個(gè)飛行器離得遠(yuǎn)，飛船可以在低軌道多飛一段時(shí)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(duì)固定的變軌策略進(jìn)行交會(huì)，飛行時(shí)間也就相對(duì)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(shí)刻保證同軌道面），任務(wù)實(shí)施的約束少，但交會(huì)時(shí)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(huì)時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)且是確定的；而貨運(yùn)飛船沒(méi)有交會(huì)時(shí)間的強(qiáng)約束，多用后一種方案。
▲神舟十三號(hào)徑向交會(huì)對(duì)接示意圖。來(lái)源：空間技術(shù)研究院
04
交會(huì)第三步：遠(yuǎn)距離追蹤與近距離接近
兩個(gè)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(shí)，工程分別對(duì)飛船和空間站的軌道進(jìn)行測(cè)定，獨(dú)立確定各自的軌道，基于此制定變軌策略。其實(shí)時(shí)軌道可以由地面站進(jìn)行測(cè)定和預(yù)測(cè)，也可以通過(guò)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(shí)的軌道測(cè)定成為可能。
距離足夠近，兩個(gè)飛行器能夠“呼應(yīng)”彼此了，就能通過(guò)飛船上安裝的測(cè)量設(shè)備（雷達(dá)、光學(xué)測(cè)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(duì)位置和速度。此時(shí)，不需要依賴地面測(cè)量的絕對(duì)數(shù)據(jù)，而是基于相對(duì)軌道關(guān)系進(jìn)行變軌計(jì)算即可。之所以這樣選擇，是因?yàn)樵浇嚯x，相對(duì)測(cè)量的精度越高；軌道的相對(duì)關(guān)系經(jīng)線性簡(jiǎn)化后，能夠在保證精度的同時(shí)大大減少計(jì)算量，可以通過(guò)飛船的控制計(jì)算機(jī)在軌實(shí)時(shí)自主計(jì)算，更提高了處置實(shí)時(shí)性。
交會(huì)段最后的約100到200米被稱為平移靠攏階段。此時(shí)，雖然兩個(gè)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(duì)關(guān)系對(duì)飛船進(jìn)行類似直線飛行的動(dòng)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(gè)方向及3軸姿態(tài)的6自由度控制，以確保對(duì)接接觸時(shí)刻飛船和空間站不僅位置和相對(duì)速度一致，相對(duì)姿態(tài)及角速度也吻合。二者對(duì)準(zhǔn)了，交會(huì)對(duì)接才能進(jìn)入下一階段，也就是“對(duì)接”的機(jī)械裝配過(guò)程。
▲神舟八號(hào)-天宮一號(hào)近距離接近示意圖。來(lái)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(gè)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(shí)機(jī)，根據(jù)實(shí)際偏差情況進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、并決定是否實(shí)施修正。而所有階段的測(cè)量和計(jì)算誤差都會(huì)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(cè)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(cè)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(shí)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(wàn)物的運(yùn)動(dòng)變化。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，以交會(huì)對(duì)接為代表的航天任務(wù)在每一階段所面對(duì)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(duì)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(guò)最高效的控制節(jié)省燃料。
對(duì)軌控過(guò)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(cè)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(huì)末段和對(duì)接過(guò)程要在測(cè)控可見(jiàn)的弧段內(nèi)進(jìn)行，以利于及時(shí)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(huì)是典型的約束條件下多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。
▲神舟八號(hào)-天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接軌道控制示意圖。來(lái)源：新華社
06
交會(huì)需要停泊點(diǎn)
航天器為什么“走走停停”？
空間站沿圓軌道飛行。飛船追蹤過(guò)程中，若通過(guò)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(duì)距離和速度保持不變，飛船相對(duì)于空間站來(lái)說(shuō)就“停泊”了。這樣的停泊是由軌道規(guī)律保證的，即被動(dòng)安全：只要不做動(dòng)作，就沒(méi)有相撞風(fēng)險(xiǎn)。
交會(huì)對(duì)接飛行過(guò)程中設(shè)置停泊點(diǎn)是必要的，主要用于以下操作或場(chǎng)景：
（1）切換相對(duì)測(cè)量敏感器。飛船從數(shù)百公里追蹤至對(duì)接，很難由一套設(shè)備從頭測(cè)到底。因此，與空間站相對(duì)距離不變且安全的停泊點(diǎn)，是進(jìn)行不同測(cè)量距離的設(shè)備切換的最佳位置。也就是說(shuō)，停下來(lái)?yè)Q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(huì)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(shuō)，停下來(lái)檢查。
（3）對(duì)接時(shí)間調(diào)整。軌控執(zhí)行有誤差，則飛行時(shí)間與預(yù)計(jì)也會(huì)有偏差，設(shè)置停泊點(diǎn)可以“吃掉”此前的飛行時(shí)間誤差，以保證后續(xù)步驟按預(yù)定時(shí)間計(jì)劃執(zhí)行。也就是說(shuō)，停下來(lái)糾偏。對(duì)于有對(duì)接段測(cè)控可見(jiàn)等時(shí)間約束的交會(huì)方案來(lái)說(shuō)，這一調(diào)整能力是非常重要的。
（4）解決光學(xué)敏感器受陽(yáng)光干擾的問(wèn)題。通俗地說(shuō)就是，陽(yáng)光晃眼時(shí)在停泊點(diǎn)等待，太陽(yáng)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)程，直至進(jìn)入平移靠攏階段。
▲神舟九號(hào)-天宮一號(hào)手動(dòng)交會(huì)對(duì)接中的停泊點(diǎn)設(shè)置。來(lái)源：CCTV
07
徑向交會(huì)有利有弊
飛船為什么不從側(cè)面對(duì)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(duì)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(duì)接。2021年10月16日，神舟十三號(hào)載人飛船成功發(fā)射并完成我國(guó)首次徑向交會(huì)對(duì)接。
徑向交會(huì)的兩個(gè)航天器保持在同一軌道面內(nèi)，從能量消耗及最終的對(duì)接條件來(lái)說(shuō)仍然是較為理想的。徑向交會(huì)讓空間站在不改變飛行姿態(tài)的情況下，增加了接納來(lái)訪飛行器的能力。同時(shí)，得益于干凈的太空背景，徑向交會(huì)過(guò)程中飛船向上觀測(cè)空間站條件好。
徑向交會(huì)的難點(diǎn)也是軌道規(guī)律帶來(lái)的。因?yàn)轱w船始終低于空間站，無(wú)法利用軌道角速度特性實(shí)現(xiàn)被動(dòng)停泊，若需停泊就得使用燃料持續(xù)控制。此外，徑向交會(huì)時(shí)飛船處于頭沖天、尾向地的“直立”姿態(tài)，地球敏感器、測(cè)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(jì)或調(diào)整。
同一軌道面內(nèi)的前、后、徑三個(gè)方向是空間站接納來(lái)訪飛行器的常用端口，也是目前在軌飛行的天舟二號(hào)、天舟三號(hào)和神舟十三號(hào)在空間站中的對(duì)接方向。在本文第一節(jié)闡述的軌道規(guī)律四中，已經(jīng)說(shuō)明了通常不直接進(jìn)行側(cè)向?qū)拥脑?。?cè)向交會(huì)對(duì)接兩飛行器處于不同軌道面，兩個(gè)軌道面的交點(diǎn)處相對(duì)速度最大，如實(shí)施交會(huì)對(duì)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?，一般是先前、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(duì)接的飛船示意圖。來(lái)源：36kr
08
自動(dòng)手動(dòng)模式并存
高精度自動(dòng)控制條件下為什么還要手動(dòng)交會(huì)？
交會(huì)有自動(dòng)與手動(dòng)兩種模式。
整個(gè)交會(huì)飛行建立于軌道計(jì)算的基礎(chǔ)上。只有到了平移靠攏階段，航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)符合航天員的直接觀察、位姿感覺(jué)以及操控習(xí)慣，人在回路、也就是人在控制過(guò)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(huì)利用自動(dòng)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(dòng)、也就是人控交會(huì)模式的一大優(yōu)勢(shì)是控制精度好，這源自人眼精準(zhǔn)的立體視覺(jué)和人腦-手指精細(xì)的操控能力——航天員經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，可以達(dá)到極高的觀測(cè)和控制精度。在早期的交會(huì)對(duì)接技術(shù)驗(yàn)證時(shí)代，受限于當(dāng)時(shí)測(cè)量敏感器、控制計(jì)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(duì)接機(jī)構(gòu)時(shí)專門以人控方式完成最后的交會(huì)對(duì)接操作，以獲得更優(yōu)的控制精度。
當(dāng)代的自動(dòng)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(lái)。這是因?yàn)闄C(jī)器無(wú)法替代人在現(xiàn)場(chǎng)的臨機(jī)處置能力。兩個(gè)飛行器非常接近時(shí)若發(fā)生異常，地面干預(yù)的實(shí)時(shí)性比不上現(xiàn)場(chǎng)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(shì)，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(hào)空間站交會(huì)對(duì)接，進(jìn)而維修恢復(fù)了空間站。當(dāng)時(shí)的禮炮-7號(hào)處于完全無(wú)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(duì)接口靠近并對(duì)上的。針對(duì)禮炮-7號(hào)這樣的非合作又無(wú)控的目標(biāo)，由于其狀態(tài)事先不確知，最后的接近和對(duì)接無(wú)法利用前文所述的軌道規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，只有人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(hào)在對(duì)接前拍攝的禮炮7號(hào)。來(lái)源：arstechnica
09
從兩天到6.5小時(shí)
快速交會(huì)是怎樣實(shí)現(xiàn)的？
2021年6月17日，神舟十二號(hào)載人飛船與天和核心艙形成組合體，交會(huì)對(duì)接全程時(shí)長(zhǎng)從過(guò)去我國(guó)載人飛船通常需要的兩天左右縮短至6.5小時(shí)。
交會(huì)過(guò)程快，就是要在盡可能少的飛行圈次內(nèi)，在很少的幾個(gè)軌道特征點(diǎn)上完成所需的交會(huì)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(huì)時(shí)間。這又對(duì)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(cè)定軌實(shí)時(shí)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(shí)軌控規(guī)劃與計(jì)算精準(zhǔn)。在北斗提供實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)定軌的前提下，要么飛船的船載計(jì)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(shí)段寬裕，注入時(shí)刻不構(gòu)成約束。
（4）軌控精度足夠高，不會(huì)產(chǎn)生新的偏差項(xiàng)，且偏差足夠小，不超過(guò)規(guī)劃的調(diào)整能力。
因此，快速交會(huì)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(hào)與天和核心艙準(zhǔn)備對(duì)接。來(lái)源：CCTV
下篇：對(duì)接
01
對(duì)接初始條件
什么情況下可以對(duì)接？
交會(huì)的終點(diǎn)就是對(duì)接的起點(diǎn)。此時(shí)，飛船相對(duì)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(jì)的接近速度。工程以這些參數(shù)的狀態(tài)作為對(duì)接開(kāi)始的條件。此條件對(duì)于飛行控制系統(tǒng)而言是交會(huì)控制目標(biāo)，對(duì)于對(duì)接系統(tǒng)則是要適應(yīng)的初始范圍。從系統(tǒng)全局來(lái)看，交會(huì)終點(diǎn)精度越高越好，而對(duì)接機(jī)構(gòu)的容差范圍則越大越好，這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)在進(jìn)行分配時(shí)需要留余量的界面。
這一刻，交會(huì)系統(tǒng)完成“交班”，交會(huì)對(duì)接任務(wù)的接力棒交到了對(duì)接系統(tǒng)手中。
交會(huì)飛行結(jié)束時(shí)，兩個(gè)航天器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“1+1”。接下來(lái)的對(duì)接將使二者在艙體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)“=1”，成為運(yùn)動(dòng)控制、能源、信息、環(huán)境等艙內(nèi)資源“=1”的基礎(chǔ)。
▲神舟十號(hào)與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接。來(lái)源：CCTV
02
從單航天器到組合體
對(duì)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(guò)程，對(duì)接主要包括三個(gè)步驟。
（1）接觸、接納和幾何位置校正。
前文說(shuō)到了交會(huì)飛行中為了消除誤差而進(jìn)行的軌道修正。交會(huì)飛行完成時(shí)，飛船和空間站的位置、相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)、角速度都是一致的，也就是說(shuō)，對(duì)正了。但偏差仍然存在。因此，兩個(gè)飛行器的對(duì)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(duì)正”。這個(gè)動(dòng)作，類似擰螺釘時(shí)先對(duì)準(zhǔn)螺孔的扶正動(dòng)作。
地球上造房子常常用到我國(guó)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(duì)接的接觸面構(gòu)造類似更加精密的榫卯，通過(guò)特殊的幾何導(dǎo)向特征，讓兩個(gè)航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)越接近、越對(duì)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(jiàn)的螺釘頭和螺孔邊緣就是一對(duì)錐面組合，而導(dǎo)向瓣則如兩只岔開(kāi)手指的手相互插合。
位置校正之后，為了使兩個(gè)航天器的相對(duì)關(guān)系不再變化，捕獲機(jī)構(gòu)將在此時(shí)“抓住”對(duì)方，使彼此不再脫開(kāi)。
▲俄羅斯的桿錐式對(duì)接機(jī)構(gòu)。來(lái)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(guò)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(duì)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(dòng)控制環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)低沖擊捕獲，并通過(guò)電磁參數(shù)的調(diào)整控制適應(yīng)更大范圍的對(duì)接飛行器質(zhì)量及對(duì)接初始條件。
實(shí)際工程中，緩沖阻尼系統(tǒng)只在飛船的對(duì)接機(jī)構(gòu)上安裝，稱為“主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)”?？臻g站安裝無(wú)緩沖系統(tǒng)的“被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)”。這樣做的好處在于，空間站一側(cè)沒(méi)有復(fù)雜機(jī)構(gòu)，有利于長(zhǎng)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(jì)和在軌維護(hù)的難度不大。
▲神舟八號(hào)飛船上的緩沖阻尼系統(tǒng)。來(lái)源：新華社
（3）機(jī)械連接。
兩個(gè)航天器接觸的碰撞能量被緩沖、吸收之后，兩對(duì)接端面被拉近、靠攏，然后通過(guò)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(duì)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(guò)兩個(gè)航天器的對(duì)接通道往來(lái)。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(duì)接后的艙段環(huán)境連通，經(jīng)歷了一個(gè)有趣的發(fā)展過(guò)程。載人航天器第一代對(duì)接機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)突破交會(huì)對(duì)接技術(shù)，沒(méi)有考慮密封艙段連接。換句話說(shuō)，對(duì)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(hào)和聯(lián)盟-5號(hào)飛船成功實(shí)施人類首次載人交會(huì)對(duì)接后，航天員通過(guò)出艙才到達(dá)“隔壁房間”。后來(lái)的第二代桿錐式對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為對(duì)接后可翻轉(zhuǎn)拆卸的形式。再后來(lái)，出現(xiàn)了周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)——機(jī)構(gòu)按環(huán)形布局，中間能開(kāi)艙門，主被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接后即形成了對(duì)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(hào)、五號(hào)對(duì)接藝術(shù)圖。來(lái)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(shí)，飛船作為天地往返的運(yùn)輸工具和非永久對(duì)接的飛行器，在任務(wù)結(jié)束后需要可靠分離。因此，對(duì)接鎖系能上鎖也能解鎖，必須是可以逆向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。為了確保分離可靠性，有些對(duì)接機(jī)構(gòu)在鎖系上配置了火工品，以便在發(fā)生故障時(shí)將連接部位“炸開(kāi)”。
通常情況下，彈簧機(jī)構(gòu)提供分離的動(dòng)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(jì)要點(diǎn)是確保長(zhǎng)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(duì)角速度足夠小，以平動(dòng)的形式安全分離。
▲貨運(yùn)龍飛船離開(kāi)國(guó)際空間站。來(lái)源：NASA
03
對(duì)接動(dòng)力學(xué)相關(guān)問(wèn)題
怎樣保證飛船不把空間站掀翻了？
前面說(shuō)到了，對(duì)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(jì)與這一問(wèn)題相關(guān)。
第一，主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)上配置的緩沖阻尼系統(tǒng)在對(duì)接撞擊過(guò)程中隔離了兩個(gè)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(dòng)力學(xué)特性（而不是整個(gè)飛行器的特性）去撞擊目標(biāo)。因此，通過(guò)對(duì)這套系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，可對(duì)不同的對(duì)接目標(biāo)及各種對(duì)接初始條件進(jìn)行適應(yīng)。
第二，為了不干擾緩沖阻尼過(guò)程，對(duì)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(shí)緩沖系統(tǒng)不再有能量輸入，只需將對(duì)接撞擊能量消耗即可。
第三，對(duì)接動(dòng)力學(xué)較難處理的一個(gè)問(wèn)題是偏心條件下的對(duì)接，此時(shí)需要對(duì)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(guó)航天飛機(jī)與蘇聯(lián)和平號(hào)空間站對(duì)接的合作項(xiàng)目中，航天飛機(jī)的對(duì)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(shí)已有的對(duì)接機(jī)構(gòu)無(wú)法在此條件下完成對(duì)接。為此，蘇聯(lián)專門研制了APAS-89對(duì)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(guó)方面也修改了控制方案，對(duì)接接觸后用航天飛機(jī)頭尾的平移發(fā)動(dòng)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(hào)多次對(duì)接成功。
偏心工況在徑向?qū)又惺浅Ｒ?jiàn)的。我國(guó)神舟十三號(hào)飛船徑向?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(gè)原因。
▲和平號(hào)空間站上的APAS-89對(duì)接機(jī)構(gòu)及和平號(hào)-航天飛機(jī)對(duì)接。來(lái)源：NASA
04
異體同構(gòu)的提出和應(yīng)用
對(duì)接機(jī)構(gòu)為什么不長(zhǎng)成一個(gè)樣？
飛船和空間站對(duì)接，兩個(gè)航天器上的機(jī)械對(duì)接裝置有所不同，一個(gè)主動(dòng)一個(gè)被動(dòng)。1970年代，對(duì)接機(jī)構(gòu)的研究者們提出一個(gè)設(shè)計(jì)理念：異體同構(gòu)。這個(gè)詞對(duì)應(yīng)的英文Androgynous源于拉丁語(yǔ)，本意是雌雄同體，現(xiàn)在仍是動(dòng)植物學(xué)的術(shù)語(yǔ)。
“異體同構(gòu)”的核心在于，主被動(dòng)兩端的對(duì)接機(jī)構(gòu)完全一樣，任意兩個(gè)飛行器可以互為主被動(dòng)進(jìn)行對(duì)接；如果完全實(shí)現(xiàn)，在軌飛行器可以任意相互對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)接系統(tǒng)”。蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)師們將錐形導(dǎo)向的幾何特征做成反對(duì)稱的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，任意一對(duì)“花朵”面對(duì)面，它們的花瓣即可相互插合。第一代異體同構(gòu)對(duì)接機(jī)構(gòu)APAS-75應(yīng)用于ASTP-75聯(lián)盟-阿波羅對(duì)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(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了兩次“太空握手”。
這一設(shè)計(jì)有效統(tǒng)一了主/被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，被各國(guó)研制者所接受。蘇/俄的對(duì)接機(jī)構(gòu)升級(jí)到了APAS-89和APAS-95，在緩沖裝置上分主被動(dòng)，但導(dǎo)向結(jié)構(gòu)保持同構(gòu)，至今仍在國(guó)際空間站服役。歐洲新研的自適應(yīng)電磁式對(duì)接機(jī)構(gòu)也采用了類似的導(dǎo)向瓣。我國(guó)的對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)。
▲聯(lián)盟-阿波羅對(duì)接任務(wù)中的異體同構(gòu)對(duì)接機(jī)構(gòu)。來(lái)源：Mir Hardware Heritage
蘇/俄和美國(guó)很早就試圖規(guī)范、統(tǒng)一對(duì)接機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，并且在與國(guó)際空間站參與國(guó)的多輪討論之后制定了對(duì)接接口標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際上這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各國(guó)沒(méi)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(méi)有遵照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。加之對(duì)接機(jī)構(gòu)研制和使用周期長(zhǎng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在國(guó)際空間站上就有4種相互不具有兼容性的對(duì)接和停泊系統(tǒng)并存提供服務(wù)，包括美方的3對(duì)APAS-89、超過(guò)16對(duì)的CMB以及俄方的13個(gè)包含兩種不兼容改型的“桿-錐”系統(tǒng)。比解決對(duì)接接口一致性更現(xiàn)實(shí)的一個(gè)做法是，對(duì)接誰(shuí)的艙，就用誰(shuí)家的對(duì)接機(jī)構(gòu)。比如ESA研制的ATV貨運(yùn)飛船要對(duì)接俄羅斯的艙段，就直接采購(gòu)、安裝了俄制對(duì)接機(jī)構(gòu)。
對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)。地上組裝艙段時(shí)可以通過(guò)工裝設(shè)備保證對(duì)接精度，直接擰螺釘就行，而天上則必須使用對(duì)接機(jī)構(gòu)彌補(bǔ)空間交會(huì)偏差造成的裝配精度不足。未來(lái)的交會(huì)控制精度足夠高之后，對(duì)接機(jī)構(gòu)可以直接演變?yōu)樽詣?dòng)裝配機(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(duì)接機(jī)構(gòu)。來(lái)源：ESA
05
機(jī)械臂作為另一種對(duì)接選擇
為什么說(shuō)傳統(tǒng)對(duì)接方式仍有優(yōu)勢(shì)？
早期航天活動(dòng)中，測(cè)定軌、飛行器自主測(cè)量與控制能力相對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)的容差能力，因此當(dāng)時(shí)的對(duì)接機(jī)構(gòu)都是類似于桿-錐的設(shè)計(jì)，對(duì)接初始偏差可以寬至30cm。隨著技術(shù)發(fā)展與測(cè)定軌、控制能力的增強(qiáng)，對(duì)接初始條件范圍縮小，對(duì)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(huì)撞擊能量減小，因而也可以簡(jiǎn)化緩沖吸能裝置。由此發(fā)展出弱撞擊對(duì)接機(jī)構(gòu)以及機(jī)械臂捕獲后對(duì)接的技術(shù)和應(yīng)用。
機(jī)械臂抓捕后再對(duì)接的方案，實(shí)際上是將飛船交會(huì)終點(diǎn)設(shè)為目標(biāo)附近的懸停點(diǎn)，將對(duì)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(dòng)控制和機(jī)械臂的功能性能優(yōu)勢(shì)，極大降低了對(duì)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(lái)訪飛行器，來(lái)訪者的對(duì)接機(jī)構(gòu)則可以簡(jiǎn)化、輕量化。這種方案的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于，機(jī)械臂捕獲飛船或來(lái)訪艙段后可以將其轉(zhuǎn)移到任意方向的對(duì)接口對(duì)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(huì)對(duì)接在安全性上仍有優(yōu)勢(shì)：對(duì)接過(guò)程異?？呻S時(shí)撤離，組合體飛行期間飛船也能隨時(shí)應(yīng)急分離，并且只需飛船一方執(zhí)行中止對(duì)接或撤離動(dòng)作即可。而使用機(jī)械臂輔助對(duì)接的話，轉(zhuǎn)移過(guò)程中出現(xiàn)異常無(wú)法即刻分離，應(yīng)急撤離的過(guò)程也復(fù)雜得多、慢得多。SpaceX合理利用了兩種對(duì)接方式：貨運(yùn)龍飛船交會(huì)懸停后由機(jī)械臂抓捕后對(duì)接，載人龍飛船則直接交會(huì)對(duì)接。
隨著技術(shù)進(jìn)步，交會(huì)對(duì)接發(fā)展出更多各有所長(zhǎng)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(guó)空間站機(jī)械臂抓取飛船再對(duì)接示意圖。來(lái)源：科普中國(guó)
尾聲：
工程哲學(xué)語(yǔ)境中的交會(huì)對(duì)接
從飛船發(fā)射前空間站的配合調(diào)軌時(shí)刻起，以最終對(duì)接為目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接就開(kāi)始了。在這個(gè)過(guò)程中，交會(huì)飛行逐步消除了火箭發(fā)射與入軌偏差以及軌道測(cè)量和各次軌道機(jī)動(dòng)引入的偏差，在交會(huì)結(jié)束時(shí)刻為對(duì)接創(chuàng)造了初始條件；對(duì)接過(guò)程繼續(xù)消除兩飛行器接觸時(shí)刻的相對(duì)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(jiàn)——
交會(huì)對(duì)接是一個(gè)在空間要素上延展分布、在時(shí)間坐標(biāo)上動(dòng)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(huì)對(duì)接是一套通過(guò)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(jì)，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(wèn)題的科學(xué)方法。
交會(huì)對(duì)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(dòng)，體現(xiàn)了系統(tǒng)哲學(xué)知行互長(zhǎng)、體（結(jié)構(gòu)）用（功能）互動(dòng)的科學(xué)實(shí)踐。
肩負(fù)以上多維度探索使命的中國(guó)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(duì)世界的理解。
監(jiān)制：李曉云
編輯：郭建偉 祁麗君
校對(duì)：馬宇聰
來(lái)源：新華網(wǎng)思客
掃碼下載APP
科普中國(guó)APP
科普中國(guó)
科普中國(guó)
京公網(wǎng)安備11010202008423號(hào)