【材制 | 视角】太空中的“接吻”——自主交会对接技术
初原载于 爱学习的 青春材制
2021-10-29
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书接上回，若想对未来交会对接进行合理的想象，那么我们就要先对过去的交会对接有个大概的认知，下面我们就来聊一聊吧！
在此之前，让我们重温一下“自主交会对接”的定义：自主交会对接从字面上理解，就是自动的交会对接：
1.交会是一个航天器接近另一个航天器的过程；具体地说,就是在航天飞行中，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。
2.对接是在交会的基础上，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。
那么问题来了，为了实现这项伟大的技术，作为一个航天员我们应该怎么做呢？
Step1——实现自主
要想成功实现自主交会对接，必须由自主导航系统精确确定追踪航天器和目标航天器的绝对轨道参数，以及2个航天器间的相对状态，简而言之就是相对速度与距离。
其简化后的的效果大致图如下：
自主导航系统由测量系统和导航算法2个部分组成，前者为硬件支持，后者为软件支持。
测量系统在科研工作者的努力下，研制了基于卫星导航设备、微波交会雷达、激光交会雷达、光学成像敏感器等多型高性能导航敏感器的自主测量系统，以此来保证相对速度与距离的精准性，算法更是在我国科研者的努力下，设计了一套可用于从相对距离数百千米直至对接的高品质自主导航算法，不仅使得系统有高精度的导航结果，还具有高容错的性能~
Step2——交会
在1965年12月15日，美国的双子星座6号飞船与双子星座7号飞船完成了美国历史上第一次交会，两者之间距离仅差2米。
此次交会采用了霍曼转移椭圆原理：可以理解为寻的航天器（n）的轨道略低于目标航天器（m）的轨道，之后n加速，逐渐让n所在的轨道升高，最后与m的轨道达到统一高度，并完成交会（实际上是n在追逐m）。
如下图（其中ABCDEF为变速位置，并在该位置将速度变化为Vx）：
我国也是采用了该种方法，但在此基础上提出了一种自主快速交会的方案，可以在燃料用量几乎不改变的前提下，将容错率大大提高，并将此过程控制在1~40圈内，这真是一种高效的交会方案！
Step3——对接
对接是极为关键的步骤，就像“相遇”是“接吻”的开始~而“接吻”是需要勇气与智慧的，也是最为关键的。按照对接的解释，是需要特殊的装置将两个飞行器连接起来，所以就有了空间对接机构。目前空间对接机构有四种：
1. “环-锥”式机构
2. “杆-锥”（也叫“栓-锥”）式机构
3. “异体同构周边”式机构
4. “抓手-碰撞锁”式机构
第一种——“环-锥”式机构较为简单，是最早期的对接机构，在美国“双子星座”飞船与“阿金纳”火箭的对接中均有使用。
第二种——“杆-锥”（也叫“栓-锥”）式机构，该装置如图，当碰撞杆指入接收锥后，接收锥就将杆头锁定，完成对接；但该机构没有主动与被动共存，在航天营救中十分不利，但还是在苏联，美国之间均有使用，是一个不可忽视的机构。
第三种——“异体同构周边”式机构，该机构克服了第二种机构的弊端，由图可见，两方对接机构是相似的，所以称为“异体同构周边”式，双方都可以作为主动和被动方，，并且可见正中央有空隙，足以让宇航员通过，作为两个飞行器的通道，非常便利。该机构在现在仍然在使用，例如航天飞机与国际空间站的对接。
第四种——“抓手-碰撞锁”式机构，是指日本，欧洲各自研制的十字交叉和三点式两种对接机构，日本的机构，是三点式（具有三个抓手与撞锁），欧洲的与其相似，是四个抓手与撞锁。这两种机构由于都是无封闭与无通道的设计，常用于无人空间平台与空间拖船的对接。
太空中的“接吻”是一个复杂的过程，其中涉及的知识、技术，以及会遇到的各种情况都是难点。
我国的航天之路可谓是“路漫漫其修远兮”，未来的自主交会对接会最终采用哪种技术呢？也许由你来决定！
参考文献
[1]图片源自网络
[2]王萍.美国载人航天器交会对接综述[J].中国航天,1997(02):30-33.
[3]解永春,张昊,胡海霞.自主交会对接控制方案设计及验证[J].中国航天,2021(08):14-21.
[4]前苏联载人航天器的对接机构[J].中国航天,1994(10):17-20.
撰 稿 人：材制科协科创部 孙本腾 陈逸凡 刘鑫禹
责任编辑: 材制科协执行主席 马浩然
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总 编 辑: 李晓萌
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