王翔 中国载人航天工程空间站系统总指挥
天宫空间站示意图。
特邀答主
王翔 中国载人航天工程空间站系统总指挥
课前预习
对接初始条件 什么情况下可以对接？
交会的终点就是对接的起点。此时，飞船相对于空间站的横向位置与速度、三轴姿态与角速度都尽可能接近零，只有轴向飞行方向保持预先设计的接近速度。工程以这些参数的状态作为对接开始的条件。此条件对于飞行控制系统而言是交会控制目标，对于对接系统则是要适应的初始范围。从系统全局来看，交会终点精度越高越好，而对接机构的容差范围则越大越好，这也是系统设计指标在进行分配时需要留余量的界面。
这一刻，交会系统完成“交班”，交会对接任务的接力棒交到了对接系统手中。
交会飞行结束时，两个航天器已经实现了“1 1”。接下来的对接将使二者在舱体结构上实现“=1”，成为运动控制、能源、信息、环境等舱内资源“=1”的基础。
课内知识
从单航天器到组合体 对接需要几步？
作为两飞行器完成机械连接并形成刚性组合体的物理过程，对接主要包括三个步骤
01 接触、接纳和几何位置校正
前文说到了交会飞行中为了消除误差而进行的轨道修正。交会飞行完成时，飞船和空间站的位置、相对速度、相对姿态、角速度都是一致的，也就是说，对正了。但偏差仍然存在。因此，两个飞行器的对接机构相互接触后，第一件事就是消除初始偏差，让双方的机械装置相互接纳，并且校正相互的位置关系，实现完完全全的“对正”。这个动作，类似拧螺钉时先对准螺孔的扶正动作。
地球上造房子常常用到我国传统的榫卯结构。仔细观察可以发现，榫的头部略细，而卯的入口稍宽，空间对接的接触面构造类似更加精密的榫卯，通过特殊的几何导向特征，让两个航天器对接机构越接近、越对正，从而严丝合缝、你中有我我中有你地结合在一起。这种接纳和校正形式有杆锥组合、环锥组合以及外窄内宽的导向瓣组合，我们常见的螺钉头和螺孔边缘就是一对锥面组合，而导向瓣则如两只岔开手指的手相互插合。
位置校正之后，为了使两个航天器的相对关系不再变化，捕获机构将在此时“抓住”对方，使彼此不再脱开。
02 缓冲并消耗碰撞能量
高速飞行的大质量航天器，即使以较小速度相互接触，冲击能量也是相当可观的。飞船和空间站中至少一方需要配置缓冲和耗能装置，减缓冲击过载，耗散或吸收撞击能量。
弹簧阻尼和液压伺服机构是自始至终随着对接技术发展而不断演化的缓冲形式，电磁阻尼装置的研究也在近年兴起。自适应电磁装置可以将捕获与缓冲耗能的工作合一，更突出的优点是由于其加入了主动控制环节，可以实现低冲击捕获，并通过电磁参数的调整控制适应更大范围的对接飞行器质量及对接初始条件。
实际工程中，缓冲阻尼系统只在飞船的对接机构上安装，称为“主动对接机构”。空间站安装无缓冲系统的“被动对接机构”。这样做的好处在于，空间站一侧没有复杂机构，有利于长期飞行；飞船一侧虽然机构复杂，但由于工作寿命较短，设计和在轨维护的难度不大。
03 机械连接
两个航天器接触的碰撞能量被缓冲、吸收之后，两对接端面被拉近、靠拢，然后通过机械锁系刚性连接为一体。除了要保证足够的连接刚度和承载能力，对于载人航天器，还要实现两航天器间的密封，以保证人员能够通过两个航天器的对接通道往来。与缓冲系统的配置原则类似，飞船一侧通常配置橡胶密封圈，空间站一侧配置金属密封面。
对接后的舱段环境连通，经历了一个有趣的发展过程。载人航天器第一代对接机构瞄准突破交会对接技术，没有考虑密封舱段连接。换句话说，对接机构是“实心”且固定的。1969年1月16日，苏联的联盟-4号和联盟-5号飞船成功实施人类首次载人交会对接后，航天员通过出舱才到达“隔壁房间”。后来的第二代杆锥式对接机构设计为对接后可翻转拆卸的形式。再后来，出现了周边式对接机构——机构按环形布局，中间能开舱门，主被动对接机构对接后即形成了对接通道，能构建直接连通两飞行器的密封舱环境。
至此，两航天器结构固连合一形成组合体，电路、液路可连通，载人环境贯通，“1 1=1”的物理基础已全部具备。
同时，飞船作为天地往返的运输工具和非永久对接的飞行器，在任务结束后需要可靠分离。因此，对接锁系能上锁也能解锁，必须是可以逆向运动的机构。为了确保分离可靠性，有些对接机构在锁系上配置了火工品，以便在发生故障时将连接部位“炸开”。
通常情况下，弹簧机构提供分离的动力，这使两飞行器具备一定的初始分离速度。弹簧机构的设计要点是确保长期压缩后仍能保证稳定的分离力，并且辅以导向机构，使两飞行器的相对角速度足够小，以平动的形式安全分离。
课外阅读
异体同构的提出和应用 对接机构为什么不长成一个样？
飞船和空间站对接，两个航天器上的机械对接装置有所不同，一个主动一个被动。上世纪70年代，对接机构的研究者们提出一个设计理念：异体同构。这个词对应的英文Androgynous源于拉丁语，本意是雌雄同体，现在仍是动植物学的术语。
“异体同构”的核心在于，主被动两端的对接机构完全一样，任意两个飞行器可以互为主被动进行对接；如果完全实现，在轨飞行器可以任意相互对接，至少能极大地方便相互救援。
异体同构的完美设想未能在世界航天工程中完全实现，但在对接机构的接纳和导向校正装置等方面得到了很好的局部应用。上一节提到的苏联对接机构定名APAS(Androgynous Peripheral Attachment System)，可翻译为“雌雄同体/异体同构周边式对接系统”。苏联的设计师们将锥形导向的几何特征做成反对称的花瓣状结构，任意一对“花朵”面对面，它们的花瓣即可相互插合。第一代异体同构对接机构APAS-75应用于ASTP-75联盟-阿波罗对接项目，美苏双方按约定的尺寸规格做出了同样的外翻式导向瓣，并且配置了各自研制的缓冲阻尼装置。双方航天器互为主被动，成功实现了两次“太空握手”。
这一设计有效统一了主/被动对接机构的主体结构设计，被各国研制者所接受。苏/俄的对接机构升级到了APAS-89和APAS-95，在缓冲装置上分主被动，但导向结构保持同构，至今仍在国际空间站服役。欧洲新研的自适应电磁式对接机构也采用了类似的导向瓣。我国的对接机构同样属于导向瓣内翻的异体同构周边式对接机构。
苏/俄和美国很早就试图规范、统一对接机构标准，并且在与国际空间站参与国的多轮讨论之后制定了对接接口标准。但实际上这个标准对各国没有强制约束力，由于技术和非技术的原因，即使是俄美自己也没有遵照标准执行。加之对接机构研制和使用周期长，据不完全统计，仅在国际空间站上就有4种相互不具有兼容性的对接和停泊系统并存提供服务，包括美方的3对APAS-89、超过16对的CMB以及俄方的13个包含两种不兼容改型的“杆-锥”系统。比解决对接接口一致性更现实的一个做法是，对接谁的舱，就用谁家的对接机构。比如ESA研制的ATV货运飞船要对接俄罗斯的舱段，就直接采购、安装了俄制对接机构。
对接机构的“天下大同”是理想，更理想的情况是根本就不需要对接机构。地上组装舱段时可以通过工装设备保证对接精度，直接拧螺钉就行，而天上则必须使用对接机构弥补空间交会偏差造成的装配精度不足。未来的交会控制精度足够高之后，对接机构可以直接演变为自动装配机构，实现更加高效的空间设施组装。
对接动力学相关问题 怎样保证飞船不把空间站掀翻了？
前面说到了，对接将产生撞击能量。除了航天器上的缓冲、耗能装置，空间站工程还有几项设计与这一问题相关。
第一，主动对接机构上配置的缓冲阻尼系统在对接撞击过程中隔离了两个飞行器本身，实际起到的效果相当于以这套系统的等效动力学特性(而不是整个飞行器的特性)去撞击目标。因此，通过对这套系统的动力学参数设计，可对不同的对接目标及各种对接初始条件进行适应。
第二，为了不干扰缓冲阻尼过程，对接后两航天器均要停止姿态控制，组合体处于自由漂移状态。此时缓冲系统不再有能量输入，只需将对接撞击能量消耗即可。
第三，对接动力学较难处理的一个问题是偏心条件下的对接，此时需要对接机构有承受较大偏心翻转载荷并吸收该方向输入能量的能力。在美国航天飞机与苏联和平号空间站对接的合作项目中，航天飞机的对接口设置在背部，远离质心，加上飞机巨大的质量，当时已有的对接机构无法在此条件下完成对接。为此，苏联专门研制了APAS-89对接机构，第一次采用了导向瓣内翻布局以扩大主结构尺寸、提高承载能力，并在缓冲系统中串联了电磁阻尼器；美国方面也修改了控制方案，对接接触后用航天飞机头尾的平移发动机配合执行喷气脉冲，以部分抵消翻转力矩。在双方的技术配合下，航天飞机与和平号多次对接成功。
偏心工况在径向对接中是常见的。我国神舟十三号飞船径向对接中，空间站组合体在姿态停控期间的自由漂移偏转角度远大于之前历次轴向对接的漂移转角，也是这个原因。
机械臂作为另一种对接选择 为什么说传统对接方式仍有优势？
早期航天活动中，测定轨、飞行器自主测量与控制能力相对较弱，为了达成系统目标，尽量利用成熟的机械技术扩大对接机构的容差能力，因此当时的对接机构都是类似于杆-锥的设计，对接初始偏差可以宽至30cm。随着技术发展与测定轨、控制能力的增强，对接初始条件范围缩小，对接机构可以做得更加精巧，减小容差和导向结构，减小体积和重量。精准的交会撞击能量减小，因而也可以简化缓冲吸能装置。由此发展出弱撞击对接机构以及机械臂捕获后对接的技术和应用。
机械臂抓捕后再对接的方案，实际上是将飞船交会终点设为目标附近的悬停点，将对接初始条件的接近速度也控为零。该方案充分发挥飞行器高精度运动控制和机械臂的功能性能优势，极大降低了对接机构容差和缓冲能力的要求。机械臂作为通用工具可以服务于所有来访飞行器，来访者的对接机构则可以简化、轻量化。这种方案的另一个独特优势在于，机械臂捕获飞船或来访舱段后可以将其转移到任意方向的对接口对接，使舱段组装建造有了更灵活的选择和更广阔的拓展空间。
传统的交会对接在安全性上仍有优势：对接过程异常可随时撤离，组合体飞行期间飞船也能随时应急分离，并且只需飞船一方执行中止对接或撤离动作即可。而使用机械臂辅助对接的话，转移过程中出现异常无法即刻分离，应急撤离的过程也复杂得多、慢得多。SpaceX合理利用了两种对接方式：货运龙飞船交会悬停后由机械臂抓捕后对接，载人龙飞船则直接交会对接。
随着技术进步，交会对接发展出更多各有所长的分支技术，以适应和满足更加细分的应用需求，保障着从例行天地往返到复杂空间设施建设的空间任务。
知多D
交会对接“1 1=1”竟是个哲学命题
从飞船发射前空间站的配合调轨时刻起，以最终对接为目标的交会对接就开始了。在这个过程中，交会飞行逐步消除了火箭发射与入轨偏差以及轨道测量和各次轨道机动引入的偏差，在交会结束时刻为对接创造了初始条件；对接过程继续消除两飞行器接触时刻的相对位置、速度、姿态偏差，缓冲并消耗掉撞击能量，最终完成物理连接，为“1 1=1”的组合体融合奠定基础。由此可见——
交会对接是一个在空间要素上延展分布、在时间坐标上动态发展的复杂系统，承载了整体性、系统性、关联性的系统科学思维。
交会对接是一套通过以控制为核心的技术实现总体最优的工程设计，贯穿了系统工程解决多因素、多约束、多目标、多阶段、多变性问题的科学方法。
交会对接是一项基于轨道科学规律和航天技术而构建大型空间设施的活动，体现了系统哲学知行互长、体(结构)用(功能)互动的科学实践。
肩负以上多维度探索使命的中国空间站正在奔赴其科学、技术、工程目标，也延伸着我们对世界的理解。
统筹：周全 文图：新华社发
