上演“太空之吻”，航天器的交会对接技术如何搭建“鹊桥”？

科普中国-科普融合创作与传播 2018-08-20

　　七夕佳节又到了，相传这一天喜鹊会为牛郎织女搭起一座跨越天河的鹊桥，正所谓“金风玉露一相逢，便胜却人间无数”，这一天成为中国古代的最美情人节。不过，如果鹊桥真的存在的话，那就太过夸张了：天文学上牛郎星距离地球大约16.5光年，织女星距离地球大约26.5光年，那么构建一个简单的几何关系，鹊桥距离地球20.6光年，200万亿千米级别，还是别想了。因而《古诗十九首·迢迢牵牛星》又说：“盈盈一水间，脉脉不得语”。

　　航天时代的到来给人类带来了飞天梦想实现的机会，各种无人航天器突破天际进入太空、月球、甚至太阳系的边缘。载人航天的突破也使得 “从今去，任东西南北，作个飞仙”的想象成为现实。但还有个大问题：飞仙们（宇航员/航天员）如何在太空中相会？他们的鹊桥谁来搭建？

　　神舟九号和天宫一号搭建鹊桥后分离，图自：新华社　　

　　这就是航天领域叫做交会对接的技术，它的发展已有60年历史。　　

　　航天器交会对接技术发展史

　　冷战早期的太空竞赛中，载人航天被赋予了最高度的关注，资金技术人力投入空前。1961年苏联宇航员加加林进入太空成为第一人，美国立即在一个月后赶上。两国随即开始竞争多人次太空任务，尤其是载人登月竞赛，为此双方在1967年之前就发射了60余个无人月球探测器。

　　对于最核心的载人任务，尽管美国研发出了史上最强大的登月火箭土星五号，但它的能力仍不足以将一个能独立返回的巨大飞船送上月球，因而必须采取月球轨道集合方式：飞船将整体飞往月球，在月球环绕轨道分离成两个部分，登月舱执行登陆任务后只有上升级返回，对接留轨的服务/指令舱后返回，最终只有指令舱落回地球。

　　阿波罗登月留轨的服务/指令舱必须与这个登月舱上升段交会对接，图自：NASA

　　毫无疑问，太空中实现交会对接成为登月技术突破的重要焦点。

　　登月竞赛中占据上风的美国对交会对接技术的突破更加急迫，双子座载人航天计划便由此而来。早在1965年6月，双子座4号就尝试与泰坦火箭上面级（多级火箭经常额外携带的一级，放在最上部，用来执行一箭多星等更复杂的深空变轨任务）在太空中交会，但始终无法近距离靠近；到了年底，双子座6号和7号终于实现了交会，二者保持30厘米的距离并飞了20分钟，但没有实现对接。

　　对接之前在双子座8号飞船中拍到的目标飞行器（左）和阿姆斯特朗、斯科特，图自：NASA　　

　　直到1966年3月，尼尔·阿姆斯特朗和大卫·斯科特所在的双子座8号，才成功实现了与无人的阿金那目标飞行器的交会对接。当然，这次任务的指令长是阿姆斯特朗，更为人称道的是他在仅1年后就成为人类踏上月球第一人，他的一小步，成为了全人类的一大步。从航天工程和项目的角度，他也的确是最有资格和经验获得这一荣誉的人，毕竟实现人类航天器首次交会对接，他的勇气、技术、经验都是毋庸置疑的。

　　到了1970年代，登月竞赛已经让两个国家财力不支，双方在1972年握手言和，放弃登月，将重心转向近地空间。美国重点推动航天飞机计划（1977-2011），苏联则连续发射了7艘礼炮号和1艘和平号空间站（1971-2001）。二者也呼吁和平开发太空。1975年 7月17日在美方三位宇航员、苏方两位宇航员的操作下，原计划登月用的阿波罗18号飞船和联盟19号飞船在地表200公里的高度上成功对接成功，在1天 23小时的飞行后，二者随后各自返回地球。

　　在打开舱门的那一刻，苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫与美国宇航员托马斯·斯坦福德紧握双手，图自：NASA

　　这是人类历史上最伟大的时刻之一，两个国家航天器的交会对接标志着太空竞赛告一段落，两个超级大国开始了和平利用太空进程的可能性，最典型的就是后来的航天飞机-和平号计划，先后实现了11次对接。后和平号时代，又演化成了1998 年运行到今天的国际空间站计划。这么多年来人类已经实现了400多次无人和载人交会对接。　

　　如何进行航天器交会对接？

　　目前，一个典型的比较成熟交会对接流程（以飞船对接空间站为例）如下所示：

　　1.火箭发射10多分钟后将飞船送入太空，飞船的轨迹是近圆形，国际空间站也是一个近圆形，二者并不相交。可以想像，如果要求入轨立即对接就意味着二者轨迹需要完美相切。但这个难度太大，对火箭和航天器发动机工作时轨道控制精度要求太高，火箭发射窗口会被压缩到只有1秒，早1秒晚1秒都不行，且依然存在大量风险。因此实际情况是二者各自保持近圆轨道近两天；

　　国际空间站位于400千米高，飞船在200千米高度左右，图自：NASA　　

　　2.两条轨道的倾角和升交点一致，但轨道高度不同，这样二者的轨道周期不同。在此期间，位于下方的飞船有足够长的时间缓慢精细调整轨道，准备对接阶段，地面测控引导二者逼近到100千米距离；

　　3.对接前，其实不是飞船追空间站，而是空间站追飞船。飞船先到国际空间站轨道稍高且靠前的区域，然后掉头，发动机换方向，减速+精细控制等待国际空间站“撞”上来。期间，飞船和空间站上近程引导器件会工作将二者初步瞄准，距离到数百米；　　

　　宇航员也参与引导二者进一步接近，图自：NASA　　

　　4. 距离到100米以内时，飞船和空间站并不严格在一个轨道飞行方向、但已经进入对接走廊、实现绕飞，此时各种光学和雷达器件引导、姿态控制轨道控制发动机引导二者进一步接近；

　　5. 真正逼近时，只有微推力轨控姿控发动机保持工作，在对接前关闭。二者的相对停靠速度差控制在15厘米/秒左右，从而实现交会对接过程，机械对接装置硬连接后，很快实现管线、电源、数据通路连接。

　　6. 以上方案，俄罗斯联盟飞船、美国航天飞机、中国神舟飞船都在这样用，载人任务一般都是发射后两天才能对接，这样效率低、宇航员/航天员比较痛苦（要在狭小空间内等待两天），但是安全性最高。当然也有快速对接方案，俄罗斯在不断尝试6小时（4圈轨道）、甚至3小时（2圈轨道）对接，但风险略大，通常只有无人货运飞船会尝试。

　　一切都是安全第一，对接速度只能做此折衷。要知道飞船和空间站相对地球速度高达7.8千米/秒，是中国最快高铁速度的80倍以上，最终的对接精度要求在厘米甚至毫米级。这就好比是两个在不同轨道上行驶的高铁要逐渐接近到相对距离几乎为0的位置，在两辆高铁上的人共同完成把一根线穿过一个针的精度。航天器交会对接难度比这个例子还要大很多！

　　然而，自从苏联和美国掌握载人航天交会对接任务后，便牢牢垄断了这项技术，最多在由他们控制下允许欧洲和日本发展了无人货运飞船对接技术（对接国际空间站），除此之外全世界在50年内无人能够突破这项技术　　

　　美俄垄断技术50年后，破局者出现

　　这一技术破局者，就是中国航天！技术突破过程也是一步一个脚印。

　　2011年11月3日，我国的载人航天工程第二阶段标志性事件发生：天宫一号目标飞行器与无人飞船神舟八号成功对接，实现中国首次无人航天器交会对接，14日再次对接成功，中国突破了地面控制下的航天器交会对接技术。