下载文档原格式
《空间交会对接技术》阅读答案沈羡云北京时间2011年11月3日凌晨1时36分，天宫一号目标飞行器与神舟八号飞船顺利完成首次交会对接，中国载人航天首次空间交会对接取得圆满成功，开辟了载人航天的新纪元。
人们在谈起空间交会对接时总是将它们连在一起，好像是一回事，实际上它是两个过程，即是空间交会和空间对接的总称。
空间的交会对接就好像人生的恋爱和结婚一样，是有联系但性质上又不完全相同的两回事。
空间交会是指两个或两个以上的航天器，通过轨道参数的调整，在空间轨道上按预定位置和时间“相会”的过程。
通常只要交会的航天器相距在一定距离范围以内（例如300米），就算实现了交会。
对接是指它们“相会”后，通过专门的对接装置将两个航天器连接成一个整体。
交会的航天器不一定对接，但是需要对接的航天器则一定要首先实现交会，而且交会还必须达到对接所要求的精度。
回顾一下载人航天的历史，我们可以看到：无论是美国还是俄罗斯都与我国一样，经过了发射单个飞船、空间实验室、空间站三个阶段。
在这个过程中，最主要的一项技术就是交会对接技术。
可以说没有交会对接技术的发展，就没有载人航天的发展。
可以想象一下，哪个火箭有这样大的推力可以将像国际空间站这样的庞然大物发射到太空？国际空间站的建成，都是靠交会对接将一个个舱段与空间站的主构架连接在一起的；国际空间站的应用，也是通过交会对接将航天员和物质一次次地送到国际空间站，使他们发挥作用。
目前我国火箭近地轨道最大运载能力仅为9.2吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空，也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。
根据航天器空间交会对接技术的发展过程，可将其在载人航天活动中所起的主要作用归纳为以下几个方面。
首先，它是空间站和载人飞船维持正常运行的必要条件。
航天员定期的更换、飞行所需的燃料、航天员的食物、科研生产原材料的补给和取回、仪器设备的更换与维护、在飞行轨道上为其他应用卫星提供服务等，都需通过空间交会对接以实现地面和太空航天器之间的人员和货物运送。
㊀第３１卷㊀第６期２０２２年１２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀V o l ．３１㊀N o ．６㊀㊀㊀㊀２０５我国载人航天器对接机构技术发展张崇峰１㊀姚建２㊀刘志２㊀丁立超２㊀程芳华２㊀邱华勇２(１上海航天技术研究院,上海㊀２０１１０９)(２上海宇航系统工程研究所,上海㊀２０１１０９)摘㊀要㊀空间对接技术是载人航天的一项基本技术,是实现空间站建造和长期运营的先决条件.我国２０１１年实现了神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器的空间对接,经改进及多次飞行应用,支持我国空间站的建设和运行,我国载人周边式对接机构产品技术成熟度和可靠性得到充分验证.文章论述了我国载人航天器对接机构在总体技术㊁对接动力学设计和对接试验等方面发展及应用情况,并对后续载人月球探测任务对接需求与对接方案情况进行了阐述.关键词㊀载人航天器;对接机构;对接动力学;对接试验中图分类号:V ４２３㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀D O I :１０ ３９６９/ji s s n １６７３Ｇ８７４８ ２０２２ ０６ ０２４T e c h n i c a lD e v e l o p m e n t o fD o c k i n g Me c h a n i s mof M a n n e dS pa c e c r a f t i nC h i n a Z H A N GC h o n g f e n g １㊀Y A OJi a n ２㊀L I UZ h i ２㊀D I N GL i c h a o ２C H E N GF a n g h u a ２㊀Q I U H u a y o n g２(１S h a n g h a iA c a d e m y o f S p a c e f l i g h tT e c h n o l o g y ,S h a n g h a i ２０１１０９,C h i n a )(２A e r o s p a c eS y s t e m E n g i n e e r i n g S h a n g h a i ,S h a n gh a i ２０１１０９,C h i n a )A b s t r a c t :S p a c e c r a f td o c k i n g m e c h a n i s mt e c h n o l o g y i sab a s i c t e c h n o l o g y o fm a n n e ds pa c e c r a f t a n d a p r e r e q u i s i t e f o r t h e c o n s t r u c t i o n a n d l o n g Ｇt e r mo p e r a t i o n o f t h e s pa c e s t a t i o n ．C h i n a r e a l i z e d t h e d o c k i n g o f S h e n z h o u Ｇ８s p a c e c r a f t a n d T i a n g o n g Ｇ１t a r g e t s pa c e c r a f t i n ２０１１．A f t e r i m p r o v e m e n t a n dm u l t i p l e f l i g h t a p p l i c a t i o n s ,i t h a s s u p p o r t e d t h e c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no f C h i n aS p a c e S t a t i o n ,a n d t h e p r o d u c tm a t u r i t y a n d r e l i ab i l i t y o f C h i n a s p e r i p h e r a l d oc k i n g me c h Ｇa n i s m h a s b e e nf u l l y v e r i f i e d ．T h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f C h i n a sm a n n e d s pa c e c r a f t d o c Ｇk i n g m e c h a n i s mi n t h ea s p e c t so f o v e r a l l t e c h n o l o g y ,d o c k i n g d y n a m i c sd e s i g na n dd o c k i n g te s t a r e d e s c r i b e d ,a n d t h e d o c k i n g r e q u i r e m e n t s a n d d o c k i n g s c h e m e s of C h i n a sm a n n e d l u n a r e x p l o Ｇr a t i o nm i s s o na r ed i s c u s s e d ．K e y w o r d s :m a n n e d s p a c e c r a f t ;d o c k i n g m e c h a n i s m ;d o c k i n g d y n a m i c s ;d o c k i n g t e s t 收稿日期:２０２２Ｇ１１Ｇ０４;修回日期:２０２２Ｇ１１Ｇ２８基金项目:中国载人航天工程作者简介:张崇峰,男,研究员,博士,我国神舟飞船和天宫空间实验室副总设计师,研究方向为航天器对接技术和航天器机构设计.E m a i l :z h c f ００８＠１３９．c o m .㊀㊀２０２１年４月２９日,中国空间站第一个舱段天和核心舱由长征五号运载火箭成功发射,揭开了中国空间站建设和运行的序幕,我国载人航天也由此开启了空间站建设的新征程[１].我国空间站主要通过交会对接手段进行组建,截至２０２２年７月,我国载人航天器已经完成了２１次对接操作.空间交会使两个航天器在空间轨道上会合,而空间对接使两个航天器在空间轨道上结合并在结构上连接成一个整体.空间对接已成为现代复杂航天器在轨运行的重要操作活动,也是载人航天活动必须掌握的一项基本技术[２].载人空间对接技术的作用主要体现在３个方面:一是为长期运行的空间设施进行物资补给㊁设备回收㊁燃料加注和人员轮换等服务;二是空间站等大型空间设施的在轨建造和运行服务;三是航天器在轨进行重构,实现系统优化降低对运载能力的要求.空间对接要解决航天器的捕获㊁碰撞缓冲㊁刚性连接㊁密封以及安全可靠分离等问题,并避免对接过程中的硬碰撞,减小冲击力.空间对接机构是实施空间对接任务的执行机构,它的研究涉及机构㊁结构㊁动力学㊁控制等方面的理论与技术,同时还要适应复杂空间环境的苛刻要求,因此,对接机构技术的掌握困难重重.我国从１９９４年起开展载人空间对接机构的论证工作.２０１１年１１月３日,采用我国自主研制的空间对接机构成功实现了神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器的首次在轨对接.在经过神舟九号㊁神舟十号和神舟十一号载人飞船的对接任务后,２０１７年４月天舟一号货运飞船配置改进后的周边式对接机构(主动式２型)与天宫二号进行了交会对接,后续天舟货运飞船和神舟载人飞船均配置为主动式２型对接机构,改进后对接机构在对接能力㊁可靠性和寿命方面有了大幅提高,适用我国空间站建造和运营要求.本文论述了我国载人航天器对接机构总体方案及主要技术特征,提出了对接动力学设计准则,介绍了对接动力学设计仿真在产品研制中所起到的重要作用.对我国对接机构试验所遵循的基本准则和研制的各种试验系统进行了系统介绍.最后,结合我国载人月球探测任务需求,简要介绍了我国新型对接机构特点和基本方案.１㊀对接机构总体技术空间对接机构是一种复杂空间机电产品,它的研制涉及机㊁电㊁热㊁控制㊁空间环境等多学科的交叉与融合.对接过程是一个复杂的过程,它涉及到结构碰撞㊁能力传递与耗散及机构运动等一系列的活动,在设计中必须综合考虑对接机构的力学参数的设计要求㊁结构布局约束等方面的协调,同时,必须考虑对接机构的设计要满足高低温㊁热真空等空间环境的影响[３Ｇ５].载人空间对接机构是经过了多步迭代设计才最终确定结构尺寸和基本参数.我国载人航天器对接机构采用导向板内翻的异体同构周边式构型(见图１),对接机构组成框图见图２.对接时成对使用,分别安装在来访航天器前端(称为主动对接机构,见图３)和目标航天器前端(称为被动对接机构,见图４).图１㊀对接机构产品F i g １㊀D o c k i n g m e c h a n i s me n g i n e e r i n gp r o t o t y pe图２㊀对接机构组成F i g ２㊀C o m p o s i t i o nd i a g r a mo f d o c k i n g m e c h a n i s m主动对接机构的捕获子系统实现两航天器间的导向㊁捕获和初始柔性连接,它主要包括捕获锁和对接环等组件.传动缓冲子系统实现主动对接机构对接环的推出㊁碰撞能量的缓冲㊁两航天器间位置与姿态的校正和相互拉近,它主要包括丝杠联系组合㊁主驱动组合㊁丝杠安装组合和差动组合等组件.连接密封分离子系统实现飞行期间的刚性连接㊁密封㊁电路连通和分离,它主要包括对接锁系㊁对接框㊁分离推杆㊁浮动断接器和对接面密封圈等组件.其中,浮动断接器包括电㊁气㊁液路三类,可根据飞行任务需６０２㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀求确定是否安装.被动对接机构用于配合主动对接机构完成对接和分离任务,未配置传动缓冲子系统;捕获子系统配置了卡板器实现与主动对接机构捕获锁锁合配合;连接密封分离子系统未配置密封圈,利用对接框上平面与主动对接机构密封圈实现密封.图３㊀主动对接机构总装模型F i g ３㊀A s s e m b l y m o d e l o f a c t i v e d o c k i n g me c h a n i sm 图４㊀被动对接机构总装模型F i g ４㊀A s s e m b l y m o d e l o f p a s s i v e d o c k i n g me c h a n i s m 为了实现捕获缓冲系统的柔性力学特性,将较大能量的轴向运动和需要柔顺适应的侧向运动分解开,并分别实现不同的刚度和阻尼系数.六自由度差动式传动系统设计原理见图５[４],采用丝杠联系组合㊁滚珠丝杠㊁齿轮差动器等机构,将碰撞能量分解到不同的缓冲部件,使对接时纵向运动的能量由摩擦制动器消耗;而其他方向的运动能量分解到弹簧机构和电磁阻尼器.在确定对接机构总体方案中,可靠性安全性是对接机构设计中特别重要因素.载人航天器对接机构的可靠性设计首先必须保证航天员和飞行器的安全,其次是功能任务的完成.对接机构设计有针对性地采取备份措施,确保任务的可靠性.在对接机构设计中,通道密封㊁对接锁解锁㊁捕获锁解锁以及重要电机等都设置冗余备份功能,这些均用于优先保证航天员安全.２０１１年１１月我国首次实现在轨交会对接至今,我国载人周边式对接机构根据需求经改进共形成３个型谱产品(包括２种主动对接机构和１种被动对接机构).其中,主动式２型对接机构对接框上增加了安装液路浮动断接器安装接口;为适应空间站长寿命需求对电路浮动断接器进行改进,改进接触件镀金层材料与结构,提高电连接器抵御原子氧腐蚀的能力,延缓电接触性能的退化.同时,为了应对天舟货运飞船㊁神舟载人飞船与大吨位空间站对接时偏转方向大幅增加的碰撞耗能需求,主动式２型对接机构缓冲系统增加３个可控电磁阻尼器[６Ｇ７],分别位于同一组丝杠安装组合之间(见图６).在捕获之前,可控阻尼器与缓冲系统断开(不工作状态),对捕获能力无影响;在捕获完成后,可控阻尼器启动接入缓冲系统,开始工作.可控阻尼器启动后可以增加对接环运动阻尼力矩,提高主动对接环横向和偏转方向缓冲能力,从而减少对接过程中对接环偏转方向的运动行程.图５㊀对接机构的差动原理F i g ５㊀D i f f e r e n t i a l p r i n c i p l e o f d o c k i n g me c h a n i s m 我国载人空间对接机构各型谱产品均采用统一接口要求.截至２０２２年７月,我国现有载人空间对接机构各型谱产品已经过２１次在轨对接,对接技术成熟度及可靠性得到充分验证.随着我国空间站工程的启动,为了统一规范对接接口㊁满足国外航天器参与我国空间站对接合作的需求,我国在２０１７年１１月发布了国家标准«载人航天周边式交会对接机构接口要求»(G B /T３４５１２－２０１７),在２０１８年底发布了该标准的英文版.该标７０２㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张崇峰等:我国载人航天器对接机构技术发展准与国际对接系统标准[８]具有接口兼容性的基础,为我国空间站的国际对接合作明确了接口设计规范要求,便于不同载人航天器与我国空间站实现在轨对接任务和协作[９].图６㊀可控阻尼器的位置F i g ６㊀L o c a t i o nv i e wo f c o n t r o l l a b l e d a m pe r ２㊀对接动力学设计与仿真技术空间对接机构在对接接触时,航天器在相对位置和姿态的６个自由度以及速度㊁角速度上存在偏差(空间对接机构的工作条件,定义为对接初始条件).对接机构需要适应初始偏差,完成两个航天器的相互捕获.捕获过程中,航天器通过对接机构进行互相碰撞,设计对接机构的动力学特性,可以保证航天器在碰撞中相互接近,不会弹开;同时缓冲碰撞的能量,减小碰撞力,避免对航天器造成破坏.为了使两个对接航天器的碰撞后相互靠近,通过对恢复系数的设计,确定捕获的性能设计准则.碰撞前后的速度比定义为恢复系数,即S ＝|V kV ０|,V ０,V k 分别为碰撞前后的速度值.纯滚转正向碰撞是较难捕获的,该情况下在对接撞击结束时刻总的冲量为ʏt ２０F d t ＝(１＋S )m e V ０x (１)式中:t 为碰撞作用时间,F 为对接碰撞力;m e 为两个航天器的等效质量(含转动惯量);V ０x 为对接碰撞前的轴向速度.当冲量与动量m e x V ０x 相等时,航天器不再接近,这是捕获的临界条件[４].因此应保证(１＋S )m e V ０x ＜m e x V ０x ,S ＜m e xm e－１＝S k p (２)式中:m e x 为两个航天器轴向等效质量,S k p 为临界恢复系数.缓冲性能的设计要求是即使在最高的对接速度下,也能够消耗掉两航天器之间相互碰撞的动能,减小对接过程中的冲击载荷,不会造成航天器太阳帆板等设备的损坏.空间对接机构需要具有缓冲对接撞击动能的能力,对接机构的缓冲能力(能容),要大于主㊁被动航天器相对运动和对接时发动机工作的能量,即W e n g i n e ＋１２m e q １V ２q ２＜ʏq m a xq １f (q ,̇q )d q (３)式中:W e ng i n e 为对接时发动机工作的能量;m e q１为航天器的各方向等效质量;V q ２为捕获后两航天器相对运动速度;q １为捕获后对接机构各方向缓冲器运动行程;q m ax 为对接机构各方向缓冲器最大运动行程;f (q ,̇q )为对接机构缓冲器的力.空间对接机构的捕获缓冲性能的设计,需要同时满足捕获和缓冲这两个矛盾条件.通过对对接初始条件的分析,可以确定在各个自由度上需要缓冲的能量差别很大(见图７[１０]).对接过程中纵向需要缓冲消耗的能量最大,包括航天器相对接近的动能和发动机所做的功,主要解决缓冲问题;而其他方向需要缓冲的能量较小,但是要求对接机构具有良好的灵活性,以便完成捕获操作.对接机构采用差动式缓冲系统,利用差动器将对接过程的运动㊁能量分解,并由阻尼器和弹簧机构进行能量消耗和运动恢复[６].图７㊀对接时各自由度的碰撞能量F i g ７㊀D o c k i n g c o n t a c t e n e r g yi n s i xd i r e c t i o n s 对接动力学研究和对接机构产品研制是相互迭代,逐步细化完成的.在研制早期,主要解决对接动力学的３个问题,一是对接机构的参数设计方法;二８０２㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀是对接过程动力学仿真模型和软件开发;三是对接机构数字样机的建立.这３个方面是对接动力学参数设计和性能评估的基础,是一个由简到繁㊁由整体到局部再到整体的循环迭代过程.在工程研制阶段,如何利用地面试验对仿真模型进行修正和验证是一项重要而关键的工作,为此制定了对接机构部件测试㊁整机性能测试和对接动力学试验等不同层次及环境条件下的试验,采用各层级的试验结果对对接动力学模型各部分进行修正及验证.这些试验结果定量的修正了机构摩擦㊁润滑㊁间隙以及温度影响,如图８㊁９所示.图８㊀对接动力学仿真分析模型F i g ８㊀D o c k i n g d yn a m i c s s i m u l a t i o nm o d el 图９㊀对接机构设计㊁仿真㊁试验迭代关系F i g ９㊀S h o w s t h e d e s i g n ,s i m u l a t i o n ,t e s t i n gr e l a t i o n s h i p o f d o c k i n g me c h a n i s m 基于对接动力学仿真研究,建立了对接机构产品数字化样机,实现对飞行产品性能的综合评估,为神舟飞船㊁货运飞船和空间站对接任务提供重要支撑,也为后续新型对接技术的开发和拓展提供了保障.３㊀对接机构试验技术在地面条件下,多因素全面地㊁同时地模拟所有的飞行环境条件是不可能的,同时各种环境条件有一定的离散性,这也大大增加了试验的难度.因此需要将试验条件进行分解,建立对接机构地面试验系统,并综合对比试验结果,研究对空间对接性能产生影响的主要因素,包括各种因素的耦合,合理的设计和划分试验项目,确定试验方案.这样既达到了试验目的,同时也降低了设备研制难度,使对接机构地面试验具有可行性.对接动力学试验是对接机构最重要的试验项目,对接动力学试验需要在模拟失重/高低温和热真空耦合环境下实现不同质量特性的飞行器高精度复杂的撞击动力学过程,同时模拟对接初始条件的１１个变量的任意组合,精确地建立和控制对接初始偏差条件.在各种试验中,常温的全物理对接和分离试验(机械式对接动力学试验)较为直观,并且在有限的自由度上精度较好,可以有效地考核产品的主要能力,同时作为数学仿真和其他试验的基础[１１].遵循上述原则,我国先后研制了对接机构特性测试台㊁对接缓冲试验台㊁六自由度对接综合试验台和热真空对接试验台等地面试验系统.对接机构特性测验台是静态性能测试设备,如图１０所示[３],用于测试主动对接环在六个自由度方向的等效力学性能,可以初步确定对接机构的工作能力,判断对接机构产品的性能,测试的结果可以用于对接过程的动力学仿真.图１０㊀对接机构特性测试台F i g１０㊀M e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t e s t b e d 对接缓冲试验台(见图１１)采用了气浮平台加两轴转台的全物理模拟方案,气浮平台和转台的摩９０２㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张崇峰等:我国载人航天器对接机构技术发展擦力小,可以精确地设定对接初始条件.试验系统的追踪航天器和目标航天器均为８t 量级,各具有５个自由度,可以进行精确地对接动力学试验.该试验台用于实现对接机构接触㊁捕获㊁拉近㊁锁紧㊁密封到分离的全过程模拟,研究对接过程中碰撞㊁捕获㊁缓冲校正过程中对接机构和航天器的动力学行为.该试验台在国际上首次实现地面真实模拟航天器在轨分离过程[６].图１１㊀对接缓冲试验台F i g １１㊀D o c k i n g bu f f e r t e s t b e d 六自由度对接综合台(见图１２)是采用半物理仿真的方法实时模拟两个飞行器在设定对接初始条件下的对接动力学过程.其中主动对接机构安装综合台的上平台,被动对接机构安装在运动模拟器上,均为真实产品.两飞行器的质量㊁惯量特性和飞行器姿控系统作用采用数学模型模拟,由六自由度运动模拟器实现两飞行器的相对运动.两飞行器接触前的相对运动根据交会的对接初始条件得出,两个对接飞行器接触后相对运动,由六维力传感器测得相互作用力由数学模型实时计算得出.本试验台能够实现空间站全状态㊁全温度范围的对接缓冲试验[３].图１２㊀六自由度对接综合试验台F i g １２㊀S i xd e g r e e s o f f r e e d o md o c k i n gge n e r a l t e s t s t a n d 热真空对接试验台(见图１３)用于在热真空环境条件下考核对接机构的对接与分离全过程的功能及性能满足情况[６].将对接机构安装在热真空试验台上,整体吊入真空罐进行试验的.该试验能够模拟两飞行器对接纵向等效质量,可以设定一定的对接初始条件,实现主㊁被动对接机构的碰撞㊁捕获㊁缓冲㊁校正㊁拉近㊁锁紧与分离的全过程.图１３㊀热真空对接试验台F i g １３㊀T h e r m a l v a c u u mt e s t d o c k i n g st a t i o n 在载人航天器对接机构研制过程中,我国研制建立了一系列设施齐全㊁技术指标先进㊁验证全面的对接机构试验验证系统和试验方法.对接机构试验已逐步形成行业规范,先后制定发布了«空间对接机构捕获缓冲试验方法»(Q J ２０４１９－２０１６)㊁«空间对接机构连接分离试验方法»(Q J ２０４２０－２０１６)和«空间对接机构热真空环境对接与分离试验方法»(Q J ２０４２１－２０１６)等行业标准.这些在规范对接机构研制与试验方面发挥了重要作用.我国探月工程三期研制的对接与样品转移试验系统均借鉴了载人航天器对接试验技术及方法.４㊀后续载人对接技术的发展我国载人月球探测任务提出了轻量化新型对接机构的研制需求,并据此开展未来对接机构的方案设计,其核心是轻量化和新技术,在对接方式上兼顾碰撞对接和停靠对接.与现有周边式对接机构相比较,新型对接机构应具有以下特点:(１)为适应载人登月任务和近地空间站运营任务,采用周边式构型,对接接口兼容近地空间站;(２)实现对接机构轻量化;０１２㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀(３)采用新技术,降低对接过程中的相对速度和碰撞力;(４)有良好的适应能力,具备在轨调整缓冲能力,同一套对接机构可以适应从３吨到几百吨的航天器的对接任务.我国现有载人航天工程周边式对接机构虽然技术成熟度及可靠性得到充分验证,但仍不能满足未来载人登月的智能化和轻量化要求.在弱撞击对接技术研究方面,N A S A早期的弱撞击对接系统(L I D S),提出了一种基于六维力闭环力反馈控制的对接系统[１２],可以实现弱撞击对接,但该系统采用了力传感器非常复杂,对实时控制系统要求高且复杂.波音公司于２０１４年提出了一种基于滑动离合器的力管理系统的对接系统,通过设置期望滑动力阀值的方式实现对接过程[１３].我国在２０１１年开始启动新型弱撞击对接机构研究工作.与美国的技术方案不同,我国在２０１２年提出一种基于位置速度测量的控制方案,根据每根丝杠获得的位置速度信息,通过电流实时控制,实时调整该丝杠相连电机的扭矩,实现主动对接环６个方向上等效性能,从而达到刚度阻尼的闭环反馈控制[１４].在此基础上,简化六根丝杠电机的扭矩控制律,实现预置的对接环６个方向等效性能.为了能够实现对小吨位目标航天器的捕获,在初次接触时,主动对接环给定一个推出速度,以快速实现两对接环的贴合捕获.为了适应我国载人登月任务轻量化需求,新型对接机构开展了轻量化方案设计.除了采用电机直驱六根丝杠代替传统的机械式差动系统外,还从材料选择㊁刚性连接系统优化㊁对接环与对接框等结构件减重等方面实现新型对接机构的轻量化.５㊀结束语本文论述了我国载人航天器对接机构的方案与特点,介绍了对接动力学设计思想,以及对接动力学设计仿真与产品研制迭代循环过程,并对我国对接动力学试验系统进行了简介,最后,为满足我国载人月球探测需求和适应近地空间站运营任务,提出我国新型对接机构方案具备周边式构型㊁轻量化㊁低碰撞力和任务适应性强等特点.我国在载人航天工程初期确定了自主研制周边式对接机构,经过近３０年发展,逐步建立和完善了对接机构一套独立自主的设计㊁生产和试验配套体系,具有对接机构技术和产品的自主知识产权.现有周边式对接机构在我国载人航天领域得到广泛应用,技术成熟,制定了对接机构试验规范,形成了统一标准接口,对我国空间站建造和长期运营起到重要保证作用.现有技术成果为后续载人月球探测任务中新型弱撞击㊁轻量化对接机构的研制奠定了良好的基础.参考文献(R e f e r e n c e s)[１]张柏楠．中国载人航天开启新征程[J]．中国航天．２０２１(８):８Ｇ１３Z h a n g B a i n a n．C h i n aM a n n e dS p a c eL a u n c haN e wJ o u rＧn e y[J]．A e r o s p a c eC h i n a,２０２１(８):８Ｇ１３(i nC h i n e s e) [２]周建平．空间交会对接技术[M]．北京:国防工业出版社,２０１３Z h o u J i a n p i n g．S p a c e c r a f t r e n d e z v o u s a n dd o c k i n g t e c hＧn o l o g y[M]．B e i j i n g:N a t i o n a lD e f e n s eI n d u s t r y P r e s s,２０１３(i nC h i n e s e)[３]陈宝东,郑云青,邵济明,等．对接机构分系统研制[J]．上海航天,２０１１,２８(６):１Ｇ６C h e nB a o d o n g,Z h e n g Y u n q i n g,S h a oJ i m i n g,e t a l．D eＧv e l o p m e n t o f d o c k i n g s u b s y s t e m[J]．A e r o s p a c e S h a n g h a i,２０１１,２８(６):１Ｇ６(i nC h i n e s e)[４]张崇峰,柏合民．飞船空间对接机构技术[J]．中国科学:技术科学,２０１４,４４(１):２２Ｇ２６．Z h a n g C h o n g f e n g,B a i H e m i n．S p a c e d o c k i n g m e c h a n i s mt e c h n o l o g y o f s p a c e c r a f t[J]．S c i e n t i aS i n i c a T e c h n o l o g i c a,２０１４,４４:２０Ｇ２６(i nC h i n e s e) [５]陈宝东,唐平．空间对接机构技术及其研制[J]．上海航天,２００５(５):６Ｇ８,６１C h e nB a o d o n g,T a n g P i n g．T h e t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t o f d o c k i n g m e c h a n i s ms y s t e m[J]．A e r o s p a c eS h a n g h a i,２００５(５):６Ｇ８,６１(i nC h i n e s e)[６]张崇峰,陈宝东,郑云青,等航天器对接机构[M]．北京:科学出版社,２０１６Z h a n g C h o n g f e n g,C h e nB a o d o n g,Z h e n g Y u n q i n g,e t a l．S p a c e c r a f t d o c k i n g m e c h a n i s m[M]．B e i j i n g:S c i e n c e P r e s s,２０１６(i nC h i n e s e)[７]上海宇航系统工程研究所．邱华勇,张崇峰,苑会领,等．一种阻尼可控的对接机构传动缓冲系统[P]．中国: Z L２０１８１１０５７０２５．X,２０１８A e r o s p a c e S y s t e mE n g i n e e r i n g S h a n g h a i．Q i uH u a y o n g, Z h a n g C h o n g f e n g,Y u a nH u i l i n g,e t a l．Ad a m p i n g c o nＧt r o l l a b l e t r a n s i m i s s i o n b u f f e r s y s t e mf o r d o c k i n g m e c h aＧn i s m[P]．C h i n a:Z L２０１８１１０５７０２５．X,２０１８(i nC h i n e s e) [８]I S S M C B．I n t e r n a t i o n a l D o c k i n g S y s t e m S t a n d a r d (I D S S),I n t e r f a c eD e f i n i t i o nD o c u m e n t(I D D)(R e v i s i o n１１２㊀㊀第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张崇峰等:我国载人航天器对接机构技术发展E)．[E B/O L]．[２０１７Ｇ０４Ｇ０１]．h t t p://I n t e r n a t i o n a lD o cＧk i n g S t a n d a r d．c o m/．[９]刘志,张崇峰,靳宗向,等．G B/T３４５１２Ｇ２０１７,载人航天周边式交会对接机构接口要求[S]．北京:中国标准出版社,２０１７L i uZ h i,Z h a n g C h o n g f e n g,J i nZ o n g x i a n g,e t a l．G B/T ３４５１２Ｇ２０１７,R e q u i r e m e n t f o r i n t e r f a c e o f m a n n e d s p a c e c r a f t p e r i p h e r a ld o c k i n g m e c h a n i s m[S]．B e i j i n g: S t a n d a r d sP r e s s o fC h i n a,２０１７(i nC h i n e s e) [１０]张崇峰,刘志．空间对接机构技术综述[J]．上海航天,２０１６,３３(５):１Ｇ１１Z h a n g C h o n g f e n g,L i uZ h i．R e v i e w o fs p a c ed o c k i n gm e c h a n i s m a n d i t s t e c h n o l o g y[J]．A e r o s p a c e S h a n g h a i,２０１６,３３(５):１Ｇ１１(i nC h i n e s e)[１１]娄汉文,曲广吉,刘济生．空间对接机构[M]．北京:航空工业出版社,１９９２L o uH a n w e n,Q uG u a n g j i,L i u J i s h e n g．S p a c e d o c k i n gm e c h a n i s m[M]．A v i a t i o nI n d u s t r y P r e s s,１９９２(i nC h i n e s e)[１２]T o b i e L a b a u v e．L o w I m p a c tD o c k i n g S y s t e m(L I D S) [R/O L]．[２０２１Ｇ１２Ｇ２０]．h t t p://n t r s．n a s a．g o v/a r c h i v e/n a s a/c a s i．n t r s．n a s a．g o v/２００９０００７７８３_２００９００６８９７．p d f．[１３]P e j m u n M o t a g h e d i,S i a m a kG h o f r a n i a n．F e a s i b i l i t y o f t h es o f ti m p a c t m a t i n g a t t e n u a t i o n c o n c e p tf o rt h eN A S A d o c k i n g s y s t e m[C]．A I A A S p a c e２０１４C o n f e r e n c e a n d E x p o s i t i o n．W a s h i n g t o n D．C．:A I A A,２０１４[１４]刘志,张崇峰,邵济明,等．异体同构㊁刚度阻尼闭环反馈控制的对接系统及方法[P]．中国:Z L２０１２１０４８９３７４．５,２０１３L i u Z h i,Z h a n g C h o n g f e n g,S h a o J i m i n g,e t a l．D o c k i n g s y s t e ma n d m e t h o do f a n d r o g y n o u s,s t i f f n e s sa n dd a m p i n g c l o s e dＧl o o p f e e db ac kc o n t r o l[P]．C h i n a:Z L２０１２１０４８９３７４．５,２０１３(i nC h i n e s e)(编辑:李多)２１２㊀航㊀天㊀器㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀３１卷㊀。
空间交会对接技术空间交会对接技术是指在太空中两个或多个飞船或航天器进行相互接近并完成对接的技术。
这项技术在太空探索和空间站建设中具有重要意义，为航天员提供了在太空中换乘、补给和维修的便利。
本文将对空间交会对接技术进行详细介绍。
一、空间交会对接技术的背景和意义随着人类对太空的探索不断深入，太空站和空间探测器的数量也不断增加。
为了更好地利用这些航天器，实现太空资源的共享和合作，空间交会对接技术应运而生。
这项技术能够使航天器在太空中相互接近，并通过机械手臂、对接舱等设备实现对接。
通过空间交会对接技术，航天员可以进行换乘、补给、维修等操作，提高航天任务的灵活性和效率。
空间交会对接技术主要依靠航天器上的导航、控制和传感器系统，通过精确的测量和计算，实现航天器之间的相对位置和速度的控制。
具体来说，空间交会对接技术包括以下几个步骤：1. 相对位置和速度的测量：通过航天器上的传感器系统，测量出自身和目标航天器的相对位置和速度。
这些传感器可以是激光测距仪、光学相机、雷达等设备，能够提供精确的测量数据。
2. 控制系统的设计和实现：根据测量得到的相对位置和速度，设计和实现控制系统，使航天器能够按照预定的轨道和速度进行运动。
控制系统通常由计算机、推进器和陀螺仪等组成，能够实现航天器的精确控制。
3. 对接设备的设计和制造：为了实现航天器之间的对接，需要设计和制造相应的对接设备。
常见的对接设备包括机械手臂、对接舱、对接锁等，能够实现航天器的牢固连接。
4. 对接过程的控制和监测：在实际进行对接操作时，需要通过控制系统对对接过程进行控制和监测。
这些控制和监测可以通过传感器和导航系统实现，确保对接过程的安全和准确。
三、空间交会对接技术的应用领域空间交会对接技术在太空探索和空间站建设中具有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域：1. 太空换乘：通过空间交会对接技术，不同的航天器可以在太空中进行换乘。
这对于长时间太空探索任务非常重要，可以减少航天员的疲劳和风险，提高任务的可持续性。
空间交会对接技术详解空间交会与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。
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。
意义重大空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。
所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。
只有掌握它们，人类才能自由出入太空，更有效地开发宇宙资源。
对于国家来说，还能独立、平等地参加国际合作。
在突破并掌握了载人航天的基本技术之后，宇宙飞船的主要用途就是为空间站和月球基地等接送航天员和物资。
在航天领域专家常说的一句话是：“造船为建站，建站为应用。
”至今发射的宇宙飞船大多是作为空间站的天地往返交通工具和长期停靠在空间站上的救生艇。
为了实现宇宙飞船的运输功能，就必须攻克两项关键技术，那就是宇宙飞船与空间站的空间交会技术与对接技术，主要设备是交会测量系统和对接机构。
航天器之间的空间交会对接技术很复杂。
在国外载人航天活动早期，航天器之间的空间交会对接过程中经常发生故障与事故，即使在1997年，俄罗斯的两个航天器还发生过一次重大的空间交会对接事故——“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站相撞，使“和平”号空间站上的“光谱”号舱被迫关闭，部分氧气泄漏，动力系统也受到影响。
通过多年的努力，目前美国和苏联/俄罗斯已完全掌握了在地面支持下的载人交会与对接技术。
尤其是苏联/俄罗斯在掌握了空间交会与对接技术以后，先后利用飞船的运输能力发展了几代载人空间站，在空间交会与对接等方面一直占据着技术优势。
虽然起步较晚，但欧洲、日本等国家在空间交会与对接研究方面已取得长足进步，特别是某些单项技术和设备，如地面仿真、对接敏感器等，都取得了惊人的进步。
日本曾于1998年通过两颗卫星成功进行了无人交会与对接在轨试验，2009年又用首个H2转移飞行器实现了与国际空间站的交会对接。
空间对接计划方案摘要本文介绍了一个空间对接计划方案，旨在提高航天器在轨操作的效率和可靠性。
该方案包括预先规划、自主对接、非正常情况下的手动操纵、对接后的系统检测等多个环节。
并且该方案采用了先进的技术和设备，确保了其在实践中的应用和可行性。
背景空间对接是指两个或多个航天器在轨道上进行交会、相遇并连接工作，是进行宇宙探索、构建空间站等任务的关键技术。
在空间对接的过程中，不仅需要高度准确的航迹控制能力，同时需要高度精确的空间机械操作方案，以保证对接的准确性和稳定性。
而现有的空间对接方案往往存在操作复杂、效率低下等问题，需要进一步改进和完善。
方案预先规划对于空间对接任务，提前的规划是非常重要的环节。
在规划阶段，需要对对接对象的特征、动力参数、机构排布、控制算法等进行详细的确定和分析。
针对不同的对接任务需求，采用不同的对接流程，确定各个关键节点和判定条件，以便在实施阶段快速进行决策和操作。
同时，还应该充分考虑非正常情况的发生，对应制订应对措施，并进行充分沟通和协调。
自主对接在空间对接任务中，自主对接是最为普遍的模式。
自主对接可以通过会合导航、距离与速度测量、相对姿态控制等措施，实现航天器的精准相对运动。
该模式需要在预先设计好的对接轨迹下进行，航天器之间需要高度准确的通信和指令交换。
在自主对接中，操作人员主要扮演决策和监控的角色，对于目标航天器的姿态、位置等信息进行取得和解算，以及对自主对接过程中状态的判定和调整。
非正常情况下的手动操纵尽管自主对接可以实现相对运动，但是在某些情况下，需要进行手动操纵。
非正常情况下的手动操纵，一方面需要高度敏捷的反应，另一方面也需要精妙的手动操作技巧。
该模式需要操作人员在计算机系统的监控下，手动控制姿态、速度等，以达到对接的目的。
非正常情况下的手动操纵操纵过程中，操作人员需要加强与地面控制人员的沟通，不断调整操纵方式和参数，才能保证对接的成功。
对接后的系统检测对接完成后，需要进行系统检测和数据采集工作。
空间对接机构技术综述张崇峰;刘志【摘要】对空间对接机构及其技术进行了综述.将空间对接机构分为载人大型对接机构和非密封小型对接机构两大类,阐述了空间对接机构的物资补给与人员轮换、大型航天器或平台在轨装配、航天器在轨服务,以及探测器飞行过程构型优化等主要用途.将空间对接技术划为早期探索、实用、发展成熟和深入发展4个阶段.归纳了主要空间对接机构的特点.分析了空间对接技术中的总体设计、关键部件研制、对接力学仿真、对接机构试验等难点.回顾了我国空间对接技术的发展历程,以及突破的总体技术方案、捕获与缓冲设计、连接设计,以及其它设计要素等关键技术.给出了我国空间对接机构应用取得的重大成就.介绍了国外载人弱撞击式对接机构、停靠性对接机构和卫星对接机构等新型空间对接机构的研究背景、进展和涉及的关键技术.提出了未来我国空间对接技术发展路线,建议开展弱撞击对接系统、卫星对接机构的研究,并将合作目标对接技术向非合作目标捕获方向拓展.【期刊名称】《上海航天》【年(卷),期】2016(033)005【总页数】11页(P1-11)【关键词】空间对接;空间对接机构;捕获;缓冲;异体同构对接机构;周边式对接机构;弱撞式对接机构;通用停靠机构;卫星对接机构【作者】张崇峰;刘志【作者单位】上海航天技术研究院,上海201109;上海宇航系统工程研究所,上海201109【正文语种】中文【中图分类】V526空间对接使两个航天器在空间轨道上结合，并在结构上连接成一个整体。
空间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服务，包括物资补给、设备回收、燃料加注和人员轮换；二是大型空间建筑的在轨建造和运行服务，如组装空间站等；三是航天器在轨重构，实现系统优化以降低对运载能力的要求[1]。
航天器对接机构作为复杂也是关键的空间机构，一直是航天技术发展的重要标志，是各航天大国争相发展的核心技术。
空间对接需解决航天器的捕获，缓冲碰撞能量，避免发生硬碰撞，减少对接的冲击力，形成航天器间的刚性连接以及安全分离。
《航天器交会对接技术》课程大作业题目：交会对接相对导航方案设计姓名：学号：2015年1月目录一、绪论 (3)1.1基本概念 (3)1.2阶段划分 (3)1.3系统介绍 (4)1.4国内外技术概况 (5)1.美国交会对接测量技术 (6)2.苏联/俄罗斯交会对接测量技术 (7)3.欧洲空间局交会对接测量技术 (7)4.日本交会对接测量技 (8)1.5测量系统的特点： (9)1.6交会对接测量技术发展趋势 (9)二、导航方案设计 (11)2.1测量系统配置原则 (11)2.2交会对接各测量阶段精度要求 (11)2.3交会对接全过程导航方案设计 (11)三、C-W双脉冲制导 (14)3.1 C-W方程 (14)3.2.C-W双脉冲制导求解 (15)一、绪论1.空基本概念空间交会对接技术（Rendezvous and Docking，RVD）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，是实现航天站、航天飞机、太空平台和空间运输系统的空间装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨道上服务的先决条件。
空间交会与对接是载人航天活动的三大基本技术之一。
所谓三大基本技术就是载人航天器的成功发射和航天员安全返回技术、空间出舱活动技术和空间交会对接技术。
只有掌握它们，人类才能自由出入太空，更有效地开发宇宙资源。
对于国家来说，还能独立、平等地参加国际合作。
交会对接包含着交会与对接两方面的内容。
交会（Rendezvous）是指两个航天器在交会轨道上相互接近的过程。
其中一个航天器为追踪航天器，如载人飞船或者航天飞机，一般情况下为追踪航天器的主动方，并装有主动测量设备。
另一个航天器为目标航天器，如空间站、留轨舱等，目标航天器通常作为被动方，并装有合作目标，如雷达应答机、光学的角反射器等。
当两个航天器接近到满足对接结构实施对接的初始条件时，其交会对接过程结束。
对接（Docking）是指当两个航天器接近到满足对接机构实施对接的初始条件时，对接结构在特定的指令下完成相互耦合和刚性密封连接的过程。
