美国的空间交会对接技术

美国的空间交会对接技术

为了给“阿波罗”登月计划作技术准备，美国研制和发射了“双子星座”系列两舱式飞船，用于突破和掌握太空行走和空间交会对接技术。1966年3月，美国“双子星座”8号飞船与由“阿金纳”火箭末级改装的目标航天器实现了世界上首次交会对接。1969年7月，美国“阿波罗”指令舱与登月舱实现了首次月球轨道人控交会对接。进入20世纪80年代，美国投入巨大的人力、物力，研究开发出世界上第一架航天飞机，为了建造国际空间站，航天飞机在20世纪90年代安装了交会对接装置，并分别与“和平”号空间站和国际空间站多次对接，大大扩大了航天飞机的用途。

世界首次空间交会对接

1966年3月16日，在航天员手控操作下，美国“双子星座”8号飞船与“阿金纳”目标航天器完成了世界首次空间交会对接。其交会测量系统采用微波雷达、电视摄像机，目标航天器上还装有应答机。对接操作采用自动、手动两种方式，此后，“双子星座”，又成功进行了3次空间交会对接。

“阿波罗”飞船的交会对接

“阿波罗”登月飞船往返月球一次，需在空间进行两次交会对接。第一次是指令舱在地球轨道分离后调头180°，指令舱与登月舱对接；第二次是登月舱由月球返回时与月球轨道上的指令舱对接。

在“阿波罗”飞船的登月过程中，为了保证在缺少地面支持的月球轨道上交会对接的安全性，其指令舱和登月舱都可作为追踪航天器，都具备一定的自动化能力。通常，交会对接任务规划由地面完成，但是船上系统具有对目标定位并自主机动的能力。最终的捕获和对接则

是由航天员完成的。

其交会测量系统采用x频段交会雷达，最终采用手动完成。其对接机构采用可移开的“杆-锥”式结构。

1969年7月～1972年12月，美国先后发射了“阿波罗”11号～17号共7艘登月飞船，除“阿波罗”13号发生意外事故中止登月任务外，其余6次完全成功。这说明“阿波罗”飞船使用的交会对接技术是可靠的，且适合多次使用。

“天空实验室”的交会对接

1973年5月，美国发射了第一座试验性空间站——“天空实验室”，它装有新研制的“多用途对接舱”，能同时提供2个对接口，其交会测量系统和对接机构基本与“阿波罗”飞船所用的相同。

航天飞机的交会对接

航天飞机交会对接测量系统沿用“阿波罗”的成熟硬件，成功多次跟踪、捕获失控或出故障的卫星，然后将其带回地面维修或在轨维修，最终重新发射入轨恢复工作。1995～1998年，航天飞机成功与俄罗斯“和平”号空间站进行g次交会对接；1998年～2011年，航天飞机成功与国际空间站进行37次交会对接，没有1次失败，这充分显示了美国航天飞机的交会对接技术十分先进和可靠。

航天飞机的交会对接有许多新的特点。它采用了对接机构、机械臂、航天员舱外活动等不同方式实现对目标的捕获，大大增强了其轨道服务功能。航天飞机的任务规划仍然由地面完成，机上制导、导航与控制系统根据航天员指令可以自动执行许多交会控制功能，包括目标定位、相对导航和控制。最终逼近段仍然由航天员操作完成。

美国正在研制的“猎户座”新一代飞船对交会对接的自动性和自主性提出了更高要求。目前在研发的关键技术包括自动交会制导、导航与控制算法、自主任务管理、自动相对导航敏感

器技术、先进捕获和对接机构、机械臂组装技术。这些技术中许多已经成熟，关键的挑战是要将这些技术进行集成。

测量系统

“双子星座”飞船上使用的交会雷达是L频段相干脉冲微波雷达，它包括4副天线：1副圆柱形天线用于发射脉冲信号，2副可转动的螺旋形天线用于接收目标信号，最后1副天线作为2副可转动天线的参照物。其作用范围为150米～450千米，可以测出目标航天器的方位角、仰角和距离与距离速率。在目标航天器上安装应答机，航天员根据交会雷达在仪表盘上显示值和通过光学瞄准器目视结果，以手动方式进行交会对接操作。

“阿波罗”飞船在进行登月舱和指令舱交会对接时，使用的交会雷达是X频段单脉冲比幅连续波雷达，它能测量登月舱相对于在150千米月球轨道上的指令舱的距离、距离变化率、角度和角度变化率。交会雷达和应答机部用固态变容二极管倍频器作发射机，收发都用连续波方式。航天员通过光学瞄准镜以手动方式进行交会对接操作。

美国航天飞机上使用的交会雷达是Ku频段多功能雷达，它还具有通信和导航功能，该雷达利用脉；中往返时间测量距离，利用载波多普勒频移测量速度，利用单脉冲比幅测量角度，系统采用合作应答方式，作用距离为30米～550千米。在逼近阶段再辅以激光测距仪、摄像机等光电设备，并由航天员根据显示屏的显示结果和光学瞄准器操纵航天器实现对接。航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站的交会时，航天飞机是追踪航天器，空间站是目标航天器。轨道高度为370千米～400千米、倾角51.6°。在它们相距180千米时，采用甚高频无线电设备进行联系；在65千米～33米时采用交会雷达进行测量，航天飞机的交会雷达到目标航天器的使用限制距离为33米，距离再近对雷达来说是盲区。在对接前，即在距目标器800米时改为航天员手动操作。在33米以内时采用激光测距仪和光学摄像机进行测量，拍摄2个航天器的相对姿态和位置。

国际空间站的交会测量系统包括GPS导航接收系统、中继卫星导航与通信接收系统、微波交会雷达系统、激光对接雷达系统、光学对接摄像系统等。此外还包括航天员显示装置(空间六分仪、望远镜、显示器、荧光屏等)。

对接机构

美国“双子星座”飞船采用“环-锥”式对接机构，尺寸和质量均较大。它由一个捕获环构件和一个对接锥结构组成。捕获环(被动部件)装在“双子星座”号飞船的通道口上，“阿金纳”火箭尾部装一个大型的对接锥(主动部件)。对接采用自动和手动两种操作，对接后自然形成航天员通行通道。

“阿波罗”飞船采用“杆-锥”式对接机构，结构简单、重量轻，其主动部件装在指令舱上，被动部件安装在登月舱上。对接中产生的撞击由弹簧和气液缓冲装置进行缓冲和阻尼。对接时需要航天员花费较多8寸间、消耗很大体力通过手动实现对接。这种对接机构还用于“天空实验室”。

1975年美国“阿波罗”18号飞船与苏联“联盟”19号飞船对接时首先使用了“异体同构周边”式对接机构。1995年航天飞机与俄罗斯“和平”号空间站首次对接，采用了改进的“异体同构周边”式，把导向器由外翻式改为内翻式，由此可以提高对接刚度和密封性，更适用于大型的航天器。美国航天器对接时都采用手动。

“异体同构”是指追踪航天器和目标航天器上的对接机构构造是一致的(杆-锥式对接机构是不一致的)，

没有主动、被动之分。“周边”是指机构不设置在中间，而是设置在周边(杆-锥式是设置在中间)，全部对接机构设置在航天器壳体外侧。“异体同构周边”式对接机构的优点是机构不占用航天器内部空间，对接后通道畅通，对接连接环直径较大，承载能力大，适宜大质量航天器间对接。其缺点是结构比较复杂，质量较大。对接时，追踪航天器上的对接机构伸出，