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兩(liang) 個(ge) 航天器於(yu) 同一時間、在軌道同一位置、以相同速度和姿態會(hui) 合並在結構上連為(wei) 一個(ge) 整體(ti) ，被稱為(wei) 交會(hui) 對接。這是建設中國空間站的關(guan) 鍵技術，是實現“1+1=1”的前提，也是航天器在軌運行中最複雜的技術之一。它分為(wei) 交會(hui) 、對接兩(liang) 個(ge) 階段，英文為(wei) Rendezvous and Docking（RVD）。

Rendezvous源自法語。有國外同行在交流中告訴筆者，他們(men) 在日常口語中也會(hui) 用rendezvous表達跟誰在哪兒(er) 會(hui) 合，但一定是到一個(ge) 比較遠的地方，至少是另一個(ge) 城市或城市的另一端；去隔壁房間碰個(ge) 頭，算不上rendezvous。由此看來，交會(hui) 對接就是指航天器不遠千萬(wan) 裏地會(hui) 合、然後連接裝配在一起。

當兩(liang) 個(ge) 航天器合為(wei) 一體(ti) ，交會(hui) 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(hui) 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(ge) 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(wei) ，牽一發而動千鈞，謀全盤而成良局。交會(hui) 對接為(wei) 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(hui)

01

軌道規律奠定交會(hui) 基礎

航天器為(wei) 什麽(me) 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(ti) 的軌道規律，就是設計交會(hui) 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(wei) 36000km，1天繞地球一圈；月球在380000km高，一個(ge) 月繞地球一圈。那麽(me) ，隻要保持飛船的軌道低於(yu) 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(yu) 空間站的相對速度也隨之逐漸減小。當飛船與(yu) 空間站軌道高度相同時，兩(liang) 者的相對速度為(wei) 零，對接就可望實現了。

交會(hui) 對接常常被比喻為(wei) “萬(wan) 裏穿針”，其實距離並不與(yu) 難度成正比，追蹤距離遠甚至也不一定多耗燃料，關(guan) 鍵在於(yu) 精準控製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(liang) 飛行器的軌道，實時獲知兩(liang) 飛行器相對位置與(yu) 速度，精準計算與(yu) 執行軌道控製。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(jin) 有利於(yu) 地麵的跟蹤和觀測，而且結合軌道規律一可知，兩(liang) 個(ge) 飛行器在同高度的圓軌道飛行時，其相對速度會(hui) 持續保持為(wei) 零。這就讓我們(men) 能夠為(wei) 交會(hui) 對接設置軌道停泊點。

軌道規律三：同一軌道麵內(nei) 的變軌機動比改變軌道麵節省能量。航天器以大約7km/s的速度在軌道中高速飛行，由於(yu) 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(yu) 現有速度同量級的速度增量方可實現。而在萬(wan) 有引力規律下軌道半徑與(yu) 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麵內(nei) 獲得顯著的高度變化。以400km軌道為(wei) 例，若要將傾(qing) 角改變30°，所需速度增量約4km/s；而同一軌道麵內(nei) 隻需約0.3km/s的速度增量，就能將軌道從(cong) 400km提升到1000km。為(wei) 了充分利用這一規律，在籌劃交會(hui) 對接時，從(cong) 起飛到對接的全過程都應盡可能地讓飛船與(yu) 空間站飛行於(yu) 同一軌道麵內(nei) 。

軌道規律四：軌道麵不同，軌道相互交叉的飛行器在相會(hui) 時無法獲得相同的速度。同樣因為(wei) 速度的矢量特性，在軌道的交叉點上，兩(liang) 個(ge) 飛行器可以同時到達同一位置，但此時它們(men) 的速度方向不同，相對速度無法保持為(wei) 零。不僅(jin) 如此，如果隻觀察垂直於(yu) 軌道麵的橫向相對速度，在整個(ge) 軌道周期中，這個(ge) 交會(hui) 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(wei) 零，則需要消耗較大的能量以改變其中一方的速度方向。為(wei) 了對接，變速過程必須在極短時間內(nei) 完成，而這相當於(yu) 要把相交軌道逐漸增大的接近速度穩定地降下來，控製難度是比較大的，而且一旦控製不好，就會(hui) “自然地”相撞。因此，如果兩(liang) 飛行器軌道麵有偏差，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麵內(nei) 相遇，才能為(wei) 對接創造好的初始條件。

▲軌道麵相交的兩(liang) 飛行器相對速度關(guan) 係示意。

02

交會(hui) 旅程的起點：火箭升空

飛船發射為(wei) 什麽(me) 需要“零窗口”？

發射之前的火箭以及包裹在火箭內(nei) 部的飛船停留於(yu) 地表，我們(men) 可以想象為(wei) 地球帶著它們(men) 一起旋轉。從(cong) 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(jue) 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麵的偏差，修正所需能量大。因此，規劃交會(hui) 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，然後通過地麵與(yu) 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，火箭的控製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，長征二號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(hui) 第二步：入軌與(yu) 追蹤

空間站為(wei) 什麽(me) 在交會(hui) 前調整軌道？

入軌點，就是將飛船送至與(yu) 空間站處於(yu) 同一軌道麵、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(nei) 追上空間站。因此，入軌點是對兩(liang) 飛行器相對關(guan) 係（高度差與(yu) 位置差）的設計。不同的相對關(guan) 係需要采取不同的變軌策略進行追蹤，某一特定的相對關(guan) 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占比越大，追蹤越快，交會(hui) 總時長越短。

既然兩(liang) 個(ge) 飛行器存在相對關(guan) 係，空間站可以配合交會(hui) 進行相應調整。火箭的入軌點範圍有限，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(ge) 合適的區間，有利於(yu) 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(liang) 個(ge) 飛行器離得遠，飛船可以在低軌道多飛一段時間，隻要持續比空間站低，總能追上。

兩(liang) 種方案各有利弊。空間站調整，有利於(yu) 飛船以相對固定的變軌策略進行交會(hui) ，飛行時間也就相對固定，更有利於(yu) 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（隻要發射時刻保證同軌道麵），任務實施的約束少，但交會(hui) 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，空間站適當配合，以保證交會(hui) 時間不會(hui) 太長且是確定的；而貨運飛船沒有交會(hui) 時間的強約束，多用後一種方案。

▲神舟十三號徑向交會(hui) 對接示意圖。來源：空間技術研究院

04

交會(hui) 第三步：遠距離追蹤與(yu) 近距離接近

兩(liang) 個(ge) 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，基於(yu) 此製定變軌策略。其實時軌道可以由地麵站進行測定和預測，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(wei) 可能。

距離足夠近，兩(liang) 個(ge) 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，不需要依賴地麵測量的絕對數據，而是基於(yu) 相對軌道關(guan) 係進行變軌計算即可。之所以這樣選擇，是因為(wei) 越近距離，相對測量的精度越高；軌道的相對關(guan) 係經線性簡化後，能夠在保證精度的同時大大減少計算量，可以通過飛船的控製計算機在軌實時自主計算，更提高了處置實時性。

交會(hui) 段最後的約100到200米被稱為(wei) 平移靠攏階段。此時，雖然兩(liang) 個(ge) 飛行器仍然獨立地按各自的軌道規律飛行，但由於(yu) 軌道間的偏差已經非常小了，直接根據相對關(guan) 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(ge) 方向及3軸姿態的6自由度控製，以確保對接接觸時刻飛船和空間站不僅(jin) 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(hui) 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(yu) 約束條件

軌道控製難在哪裏？

從(cong) 火箭發射入軌到兩(liang) 個(ge) 飛行器追蹤接近，步步有序。而在實際飛行中，每一步都可能產(chan) 生誤差。因此，飛行軌道控製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(jue) 定是否實施修正。而所有階段的測量和計算誤差都會(hui) 轉化為(wei) 軌控參數的誤差，並且與(yu) 變軌執行偏差疊加，體(ti) 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產(chan) 生的新偏差。

“人不能兩(liang) 次踏進同一條河流。”古希臘哲學家的這句話，表達了宇宙萬(wan) 物的運動變化。從(cong) 這個(ge) 意義(yi) 上來說，以交會(hui) 對接為(wei) 代表的航天任務在每一階段所麵對的，都是又一次全新的任務。

軌道控製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(you) ；變軌道麵盡可能在軌道交點處實施，通過最高效的控製節省燃料。

對軌控過程的實施影響較大的約束條件包括兩(liang) 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(wei) 規定的安全性措施，比如交會(hui) 末段和對接過程要在測控可見的弧段內(nei) 進行，以利於(yu) 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製可靠性的提高而解除。

綜上所述，航天器交會(hui) 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(hui) 對接軌道控製示意圖。來源：新華社

06

交會(hui) 需要停泊點

航天器為(wei) 什麽(me) “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(liang) 飛行器相對距離和速度保持不變，飛船相對於(yu) 空間站來說就“停泊”了。這樣的停泊是由軌道規律保證的，即被動安全：隻要不做動作，就沒有相撞風險。

交會(hui) 對接飛行過程中設置停泊點是必要的，主要用於(yu) 以下操作或場景：

（1）切換相對測量敏感器。飛船從(cong) 數百公裏追蹤至對接，很難由一套設備從(cong) 頭測到底。因此，與(yu) 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，即可在停泊點等待處置。實際上，有些交會(hui) 方案將停泊點作為(wei) 全係統狀態檢查的點，確認一切正常才放行。也就是說，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(yu) 預計也會(hui) 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。也就是說，停下來糾偏。對於(yu) 有對接段測控可見等時間約束的交會(hui) 方案來說，這一調整能力是非常重要的。

（4）解決(jue) 光學敏感器受陽光幹擾的問題。通俗地說就是，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(cong) 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(cong) 前向接近則是先升軌，等待空間站靠近後再降軌停泊，正反向分別重複這一過程，直至進入平移靠攏階段。

▲神舟九號-天宮一號手動交會(hui) 對接中的停泊點設置。來源：CCTV

07

徑向交會(hui) 有利有弊

飛船為(wei) 什麽(me) 不從(cong) 側(ce) 麵對接空間站？

除了利用停泊點從(cong) 前、後方向接近空間站直至最後對接，飛船也可以從(cong) 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(hui) 對接。

徑向交會(hui) 的兩(liang) 個(ge) 航天器保持在同一軌道麵內(nei) ，從(cong) 能量消耗及最終的對接條件來說仍然是較為(wei) 理想的。徑向交會(hui) 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，得益於(yu) 幹淨的太空背景，徑向交會(hui) 過程中飛船向上觀測空間站條件好。

徑向交會(hui) 的難點也是軌道規律帶來的。因為(wei) 飛船始終低於(yu) 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製。此外，徑向交會(hui) 時飛船處於(yu) 頭衝(chong) 天、尾向地的“直立”姿態，地球敏感器、測控天線等適應與(yu) 地麵平行飛行常規姿態的設備布局，需要專(zhuan) 門設計或調整。

同一軌道麵內(nei) 的前、後、徑三個(ge) 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，已經說明了通常不直接進行側(ce) 向對接的原因。側(ce) 向交會(hui) 對接兩(liang) 飛行器處於(yu) 不同軌道麵，兩(liang) 個(ge) 軌道麵的交點處相對速度最大，如實施交會(hui) 對接控製難度大且安全性不佳，因此，艙段需要最終連接至側(ce) 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(ce) 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

高精度自動控製條件下為(wei) 什麽(me) 還要手動交會(hui) ？

交會(hui) 有自動與(yu) 手動兩(liang) 種模式。

整個(ge) 交會(hui) 飛行建立於(yu) 軌道計算的基礎上。隻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(xi) 慣，人在回路、也就是人在控製過程中的參與(yu) 才能實現。事實上，為(wei) 了確保安全，即便在這一階段，工程也會(hui) 利用自動控製係統保持飛行器的基本姿態，航天員隻需在此基礎上進行平移控製和姿態調整。

但手動、也就是人控交會(hui) 模式的一大優(you) 勢是控製精度好，這源自人眼精準的立體(ti) 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製精度。在早期的交會(hui) 對接技術驗證時代，受限於(yu) 當時測量敏感器、控製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(zhuan) 門以人控方式完成最後的交會(hui) 對接操作，以獲得更優(you) 的控製精度。

當代的自動控製精度足夠高且穩定，但人控仍然作為(wei) 一種冗餘(yu) 手段保留了下來。這是因為(wei) 機器無法替代人在現場的臨(lin) 機處置能力。兩(liang) 個(ge) 飛行器非常接近時若發生異常，地麵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，更有利於(yu) 保證安全。正是基於(yu) 這一優(you) 勢，聯盟T-13航天員靠手控操作實現了與(yu) 失控的禮炮-7號空間站交會(hui) 對接，進而維修恢複了空間站。當時的禮炮-7號處於(yu) 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，由於(yu) 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(yu) 優(you) 化，隻有人根據現場觀察判斷並製定解決(jue) 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(cong) 兩(liang) 天到6.5小時

快速交會(hui) 是怎樣實現的？

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

交會(hui) 過程快，就是要在盡可能少的飛行圈次內(nei) ，在很少的幾個(ge) 軌道特征點上完成所需的交會(hui) 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(hui) 時間。這又對其他條件提出了要求：

（1）火箭入軌精度高。由於(yu) 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(yu) 計算精準。在北鬥提供實時精準測定軌的前提下，要麽(me) 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；要麽(me) 地麵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(hui) 產(chan) 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(hui) 的實現是由地麵、運載火箭、飛行器、導航與(yu) 中繼衛星等等構成的大係統整體(ti) 能力提升與(yu) 協同保障的結果。

▲神舟十二號與(yu) 天和核心艙準備對接。來源：CCTV

下篇：對接

01

對接初始條件

什麽(me) 情況下可以對接？

交會(hui) 的終點就是對接的起點。此時，飛船相對於(yu) 空間站的橫向位置與(yu) 速度、三軸姿態與(yu) 角速度都盡可能接近零，隻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(wei) 對接開始的條件。此條件對於(yu) 飛行控製係統而言是交會(hui) 控製目標，對於(yu) 對接係統則是要適應的初始範圍。從(cong) 係統全局來看，交會(hui) 終點精度越高越好，而對接機構的容差範圍則越大越好，這也是係統設計指標在進行分配時需要留餘(yu) 量的界麵。

這一刻，交會(hui) 係統完成“交班”，交會(hui) 對接任務的接力棒交到了對接係統手中。

交會(hui) 飛行結束時，兩(liang) 個(ge) 航天器已經實現了“1+1”。接下來的對接將使二者在艙體(ti) 結構上實現“=1”，成為(wei) 運動控製、能源、信息、環境等艙內(nei) 資源“=1”的基礎。

▲神舟十號與(yu) 天宮一號交會(hui) 對接。來源：CCTV

02

從(cong) 單航天器到組合體(ti)

對接需要幾步？

作為(wei) 兩(liang) 飛行器完成機械連接並形成剛性組合體(ti) 的物理過程，對接主要包括三個(ge) 步驟。

（1）接觸、接納和幾何位置校正。

前文說到了交會(hui) 飛行中為(wei) 了消除誤差而進行的軌道修正。交會(hui) 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，也就是說，對正了。但偏差仍然存在。因此，兩(liang) 個(ge) 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(guan) 係，實現完完全全的“對正”。這個(ge) 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(chuan) 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，空間對接的接觸麵構造類似更加精密的榫卯，通過特殊的幾何導向特征，讓兩(liang) 個(ge) 航天器對接機構越接近、越對正，從(cong) 而嚴(yan) 絲(si) 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杆錐組合、環錐組合以及外窄內(nei) 寬的導向瓣組合，我們(men) 常見的螺釘頭和螺孔邊緣就是一對錐麵組合，而導向瓣則如兩(liang) 隻岔開手指的手相互插合。

位置校正之後，為(wei) 了使兩(liang) 個(ge) 航天器的相對關(guan) 係不再變化，捕獲機構將在此時“抓住”對方，使彼此不再脫開。

▲俄羅斯的杆錐式對接機構。來源：ESA

（2）緩衝(chong) 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(chong) 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(chong) 和耗能裝置，減緩衝(chong) 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(chong) 形式，電磁阻尼裝置的研究也在近年興(xing) 起。自適應電磁裝置可以將捕獲與(yu) 緩衝(chong) 耗能的工作合一，更突出的優(you) 點是由於(yu) 其加入了主動控製環節，可以實現低衝(chong) 擊捕獲，並通過電磁參數的調整控製適應更大範圍的對接飛行器質量及對接初始條件。

實際工程中，緩衝(chong) 阻尼係統隻在飛船的對接機構上安裝，稱為(wei) “主動對接機構”。空間站安裝無緩衝(chong) 係統的“被動對接機構”。這樣做的好處在於(yu) ，空間站一側(ce) 沒有複雜機構，有利於(yu) 長期飛行；飛船一側(ce) 雖然機構複雜，但由於(yu) 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(chong) 阻尼係統。來源：新華社

（3）機械連接。

兩(liang) 個(ge) 航天器接觸的碰撞能量被緩衝(chong) 、吸收之後，兩(liang) 對接端麵被拉近、靠攏，然後通過機械鎖係剛性連接為(wei) 一體(ti) 。除了要保證足夠的連接剛度和承載能力，對於(yu) 載人航天器，還要實現兩(liang) 航天器間的密封，以保證人員能夠通過兩(liang) 個(ge) 航天器的對接通道往來。與(yu) 緩衝(chong) 係統的配置原則類似，飛船一側(ce) 通常配置橡膠密封圈，空間站一側(ce) 配置金屬密封麵。

對接後的艙段環境連通，經曆了一個(ge) 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(hui) 對接技術，沒有考慮密封艙段連接。換句話說，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(hui) 對接後，航天員通過出艙才到達“隔壁房間”。後來的第二代杆錐式對接機構設計為(wei) 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(liang) 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(liang) 航天器結構固連合一形成組合體(ti) ，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(wei) 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(wei) 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(liang) 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(liang) 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(guan) 問題

怎樣保證飛船不把空間站掀翻了？

前麵說到了，對接將產(chan) 生撞擊能量。除了航天器上的緩衝(chong) 、耗能裝置，空間站工程還有幾項設計與(yu) 這一問題相關(guan) 。

第一，主動對接機構上配置的緩衝(chong) 阻尼係統在對接撞擊過程中隔離了兩(liang) 個(ge) 飛行器本身，實際起到的效果相當於(yu) 以這套係統的等效動力學特性（而不是整個(ge) 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(wei) 了不幹擾緩衝(chong) 阻尼過程，對接後兩(liang) 航天器均要停止姿態控製，組合體(ti) 處於(yu) 自由漂移狀態。此時緩衝(chong) 係統不再有能量輸入，隻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(ge) 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(yu) 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(wei) 此，蘇聯專(zhuan) 門研製了APAS-89對接機構，第一次采用了導向瓣內(nei) 翻布局以擴大主結構尺寸、提高承載能力，並在緩衝(chong) 係統中串聯了電磁阻尼器；美國方麵也修改了控製方案，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(chong) ，以部分抵消翻轉力矩。在雙方的技術配合下，航天飛機與(yu) 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(ti) 在姿態停控期間的自由漂移偏轉角度遠大於(yu) 之前曆次軸向對接的漂移轉角，也是這個(ge) 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(ti) 同構的提出和應用

對接機構為(wei) 什麽(me) 不長成一個(ge) 樣？

飛船和空間站對接，兩(liang) 個(ge) 航天器上的機械對接裝置有所不同，一個(ge) 主動一個(ge) 被動。1970年代，對接機構的研究者們(men) 提出一個(ge) 設計理念：異體(ti) 同構。這個(ge) 詞對應的英文Androgynous源於(yu) 拉丁語，本意是雌雄同體(ti) ，現在仍是動植物學的術語。

“異體(ti) 同構”的核心在於(yu) ，主被動兩(liang) 端的對接機構完全一樣，任意兩(liang) 個(ge) 飛行器可以互為(wei) 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(ti) 同構概念示意

異體(ti) 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麵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(wei) “雌雄同體(ti) /異體(ti) 同構周邊式對接係統”。蘇聯的設計師們(men) 將錐形導向的幾何特征做成反對稱的花瓣狀結構，任意一對“花朵”麵對麵，它們(men) 的花瓣即可相互插合。第一代異體(ti) 同構對接機構APAS-75應用於(yu) 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，並且配置了各自研製的緩衝(chong) 阻尼裝置。雙方航天器互為(wei) 主被動，成功實現了兩(liang) 次“太空握手”。

這一設計有效統一了主/被動對接機構的主體(ti) 結構設計，被各國研製者所接受。蘇/俄的對接機構升級到了APAS-89和APAS-95，在緩衝(chong) 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采用了類似的導向瓣。我國的對接機構同樣屬於(yu) 導向瓣內(nei) 翻的異體(ti) 同構周邊式對接機構。

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

蘇/俄和美國很早就試圖規範、統一對接機構標準，並且在與(yu) 國際空間站參與(yu) 國的多輪討論之後製定了對接接口標準。但實際上這個(ge) 標準對各國沒有強製約束力，由於(yu) 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。加之對接機構研製和使用周期長，據不完全統計，僅(jin) 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(ge) 包含兩(liang) 種不兼容改型的“杆-錐”係統。比解決(jue) 對接接口一致性更現實的一個(ge) 做法是，對接誰的艙，就用誰家的對接機構。比如ESA研製的ATV貨運飛船要對接俄羅斯的艙段，就直接采購、安裝了俄製對接機構。

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(hui) 偏差造成的裝配精度不足。未來的交會(hui) 控製精度足夠高之後，對接機構可以直接演變為(wei) 自動裝配機構，實現更加高效的空間設施組裝。

▲歐洲ATV貨運飛船上的俄製對接機構。來源：ESA

05

機械臂作為(wei) 另一種對接選擇

為(wei) 什麽(me) 說傳(chuan) 統對接方式仍有優(you) 勢？

早期航天活動中，測定軌、飛行器自主測量與(yu) 控製能力相對弱，為(wei) 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於(yu) 杆-錐的設計，對接初始偏差可以寬至30cm。隨著技術發展與(yu) 測定軌、控製能力的增強，對接初始條件範圍縮小，對接機構可以做得更加精巧，減小容差和導向結構，減小體(ti) 積和重量。精準的交會(hui) 撞擊能量減小，因而也可以簡化緩衝(chong) 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(hui) 終點設為(wei) 目標附近的懸停點，將對接初始條件的接近速度也控為(wei) 零。該方案充分發揮飛行器高精度運動控製和機械臂的功能性能優(you) 勢，極大降低了對接機構容差和緩衝(chong) 能力的要求。機械臂作為(wei) 通用工具可以服務於(yu) 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(ge) 獨特優(you) 勢在於(yu) ，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(chuan) 統的交會(hui) 對接在安全性上仍有優(you) 勢：對接過程異常可隨時撤離，組合體(ti) 飛行期間飛船也能隨時應急分離，並且隻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，應急撤離的過程也複雜得多、慢得多。SpaceX合理利用了兩(liang) 種對接方式：貨運龍飛船交會(hui) 懸停後由機械臂抓捕後對接，載人龍飛船則直接交會(hui) 對接。

隨著技術進步，交會(hui) 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(cong) 例行天地往返到複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(hui) 對接

從(cong) 飛船發射前空間站的配合調軌時刻起，以最終對接為(wei) 目標的交會(hui) 對接就開始了。在這個(ge) 過程中，交會(hui) 飛行逐步消除了火箭發射與(yu) 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(hui) 結束時刻為(wei) 對接創造了初始條件；對接過程繼續消除兩(liang) 飛行器接觸時刻的相對位置、速度、姿態偏差，緩衝(chong) 並消耗掉撞擊能量，最終完成物理連接，為(wei) “1+1=1”的組合體(ti) 融合奠定基礎。由此可見——

交會(hui) 對接是一個(ge) 在空間要素上延展分布、在時間坐標上動態發展的複雜係統，承載了整體(ti) 性、係統性、關(guan) 聯性的係統科學思維。

交會(hui) 對接是一套通過以控製為(wei) 核心的技術實現總體(ti) 最優(you) 的工程設計，貫穿了係統工程解決(jue) 多因素、多約束、多目標、多階段、多變性問題的科學方法。

交會(hui) 對接是一項基於(yu) 軌道科學規律和航天技術而構建大型空間設施的活動，體(ti) 現了係統哲學知行互長、體(ti) （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(men) 對世界的理解。

監製：李曉雲(yun)

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