劉 志，崔宇新，張崇峰

(1.上海市空間飛行器機構(gòu)重點實驗室，上海201108;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109;3.上海航天技術(shù)研究院，上海201109)

1 引言

載人空間對接技術(shù)起步于20世紀60年代初期［1］。美國登月計劃、前蘇聯(lián)/俄羅斯的空間站飛行以及國際空間站運行中開展了大量空間對接作業(yè)。2011年11月3日和14日，我國神舟八號飛船和天宮一號空間實驗室成功進行了兩次交會對接［2］，它標志著我國成為繼美國、俄羅斯之后第三個完全獨立擁有和掌握空間交會對接技術(shù)的國家。

空間對接已成為現(xiàn)代復(fù)雜航天器在軌運行重要的操作活動，也是載人航天活動必須掌握的一項基本技術(shù)。世界各國的空間機構(gòu)開發(fā)了多種類型空間對接系統(tǒng)［1，3］，成功應(yīng)用的對接系統(tǒng)有 A-pollo錐銷式對接機構(gòu)、俄羅斯錐桿式對接系統(tǒng)、異體同構(gòu)周邊式對接系統(tǒng)(APAS)和俄羅斯混合式對接機構(gòu)(HPADS)等。但不同對接系統(tǒng)之間的對接界面并不相容，非標準對接界面的應(yīng)用增加了國際空間對接合作的成本，降低了任務(wù)的靈活性。國際空間站多邊協(xié)調(diào)委員會(MCB)推出了《國際對接系統(tǒng)標準》，并于2011年5月公布了接口定義文件(IDD)A版本［4］。本文將介紹空間對接系統(tǒng)的發(fā)展和國際對接系統(tǒng)標準提出背景，對國際對接系統(tǒng)標準接口的主要內(nèi)容和應(yīng)用情況進行論述。

2 對接系統(tǒng)的發(fā)展歷史

空間對接技術(shù)的發(fā)展與載人航天技術(shù)的發(fā)展幾乎同時進行的，從登月和載人空間站的需求出發(fā)，美國和前蘇聯(lián)(俄羅斯)從20世紀60年代初就開始研究交會對接技術(shù)，先后研制了錐桿式、周邊式等多種對接機構(gòu)，經(jīng)歷了“阿波羅”計劃、“禮炮號”空間站、“空間實驗室”、航天飛機、“和平號”空間站和國際空間站等工程應(yīng)用［1-3，5-11］，其空間對接技術(shù)逐漸成熟。

國內(nèi)外典型的載人對接機構(gòu)特點及應(yīng)用情況見表1。

表1 國內(nèi)外典型的載人用對接機構(gòu)［2，6，9，11，12］Table 1 Typical docking mechanism used in manned space flight

迄今為止，全世界共進行了300多次空間交會對接活動。目前在國際空間站的任務(wù)中，美國航天飛機采用俄羅斯的異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)，俄羅斯的聯(lián)盟、進步飛船和歐空局的ATV飛行器采用俄羅斯的錐桿式對接機構(gòu)［5］。

總結(jié)已有的和正在使用的對接機構(gòu)的研制、飛行經(jīng)驗與教訓，現(xiàn)有對接系統(tǒng)存在以下問題:

1)對接機構(gòu)的捕獲緩沖性能是由內(nèi)部彈簧和阻尼機構(gòu)的特性來決定的，按照對接目標，需要在地面預(yù)先設(shè)計和裝配，僅支持地面維護和維修，不支持在軌性能調(diào)整，適應(yīng)性受到限制;

2)只能支持單一的被動和主動對接接口，不具有通用接口。每次對接任務(wù)都是在發(fā)射前預(yù)先設(shè)計的，不利于空間救援;

3)在對接與捕獲過程中需要一定的力和相對速度，對于小質(zhì)量飛行器的對接需要專門設(shè)計;

4)在捕獲時需要的推力較大，不支持利用機械臂進行的?？亢瓦b操作。

為了克服以上的缺點，根據(jù)對接技術(shù)未來發(fā)展、國際合作和空間救援等現(xiàn)實需求，新一代對接系統(tǒng)應(yīng)具有弱撞擊對接、國際標準通用接口和較好的任務(wù)適應(yīng)性。

3 標準制定情況及內(nèi)容

3.1 制定情況

2008年開始，國際空間站(ISS)成員國協(xié)商制定“國際對接系統(tǒng)標準”(IDSS)［13］。2010 年10月19日，國際空間站多邊協(xié)調(diào)委員會(MCB，由NASA、俄羅斯聯(lián)邦航天局、日本宇航探索局、歐空局和加拿大航天局等組成)批準了《國際對接系統(tǒng)標準》(International Docking System Standard，IDSS)，發(fā)布了接口定義文件(IDD)，目前為最新的 A 版本［4］。

IDSS的應(yīng)用范圍從載人飛船到自動空間飛行器、LEO到深空探測任務(wù)等領(lǐng)域。對接系統(tǒng)接口定義能夠執(zhí)行以下任務(wù)［4］:

1)國際空間站任務(wù);

2)月球探測任務(wù);

3)乘員營救任務(wù);

4)國際合作任務(wù)。

3.2 標準框架

在國際對接系統(tǒng)標準(IDSS)接口定義文件(IDD)［4］中，對接過程由2個階段組成。第一個階段是建立對接飛行器的初始捕獲，由柔性捕獲系統(tǒng)(Soft Capture System，SCS)來實現(xiàn)。在捕獲階段，主動對接機構(gòu)使新連接的飛船穩(wěn)定下來。柔性捕獲系統(tǒng)然后將對接飛船拉近到一起，為第二階段對接做準備。第二階段對接由剛性連接系統(tǒng)(Hard Capture System，HCS)實現(xiàn)。剛性連接系統(tǒng)實現(xiàn)對接界面的結(jié)構(gòu)鎖緊和密封，實現(xiàn)飛船間的結(jié)構(gòu)載荷的傳遞，形成一個轉(zhuǎn)移通道，加壓后用于聯(lián)合任務(wù)操作中乘員通道和貨物轉(zhuǎn)移。

國際對接系統(tǒng)標準(IDSS)接口定義文件(IDD)描述了對接物理幾何接口和設(shè)計載荷需求。為保證飛船物理接口的對接兼容性，符合IDSS要求的對接系統(tǒng)必須嚴格遵守物理幾何接口要求。同時，標準中提供了一套推薦的設(shè)計參數(shù)，例如，對接初始條件和飛行器質(zhì)量特性，這些參數(shù)可以覆蓋大部分飛行任務(wù)和設(shè)計條件。按照推薦參數(shù)進行對接系統(tǒng)設(shè)計可以提高在不同飛船之間對接的成功概率。國際對接系統(tǒng)標準IDD文件框架體系［4］見圖1。

圖1 接口定義文件框架體系Fig.1 The architecture of IDD

3.3 IDSS主要內(nèi)容

3.3.1 總體構(gòu)型與方案

IDSS規(guī)定的對接機構(gòu)構(gòu)型［4］為異體同構(gòu)周邊式構(gòu)型，其中，剛性連接系統(tǒng)采用APAS方案，主要接口尺寸沿用APAS-89參數(shù)，柔性捕獲系統(tǒng)采用弱撞擊對接技術(shù)。

IDSS對接接口相對一個坐標軸是完全的異體同構(gòu)，可以與同一個構(gòu)型進行對接。在對接時，一個異體同構(gòu)的柔性捕獲接口為主動模式，即對接環(huán)處于伸出狀態(tài);而另一個異體同構(gòu)的柔性捕獲接口為被動模式，即對接環(huán)處于收回鎖定狀態(tài)。圖2和圖3為異體同構(gòu)IDSS的接口［4］。

圖2 異體同構(gòu)對接接口－軸向視圖Fig.2 Androgynous docking interface-axial view

圖3 異體同構(gòu)對接接口－橫截面Fig.3 Androgynous docking interface-cross section

柔性捕獲系統(tǒng)接口［4］包括對接環(huán)、導向板、電磁鐵或機械捕獲鎖、磁性接觸盤、機械卡板器、傳感器和傳感器觸發(fā)區(qū)。捕獲功能可以采用電磁或機械捕獲鎖來實現(xiàn)，但是與IDSS完全兼容的對接系統(tǒng)必須同時安裝磁性接觸盤和機械卡板器。在對接時，當兩個對接環(huán)上的電磁鐵和接觸盤實現(xiàn)電磁連接或主動對接環(huán)的捕獲鎖與被動卡板器捕獲，且兩個對接環(huán)處于接觸狀態(tài)，則表明捕獲完成。

剛性連接系統(tǒng)接口包括對接框、對接鎖、導向銷套、密封圈、分離推桿和資源臍帶等。其布局采用了 APAS-89 方案［4］。

在完成對接后，對接機構(gòu)具有提供一個Φ800 mm對接通道的能力，在標準中，柔性捕獲系統(tǒng)轉(zhuǎn)移通道直徑不小于Φ685 mm［4］(如圖3)，為滿足對接后通道要求，可以采用移除或折疊導向板方式解決。

為了兼容空間站遙操作系統(tǒng)的機械臂輔助?？坎僮鳎褂镁哂腥抗δ艿娜嵝圆东@系統(tǒng)，且柔性捕獲所需合力小于150 N［4］。

3.3.2 機械接口

在標準中，按照柔性捕獲系統(tǒng)、剛性連接系統(tǒng)分別規(guī)定了相應(yīng)的幾何物理接口，對電搭接、環(huán)境匹配、材料匹配和表面處理等方面進行規(guī)定［4］。

1)柔性捕獲系統(tǒng)

柔性捕獲系統(tǒng)用于完成捕獲，緩沖和校正，實現(xiàn)對接時序中首次連接。在對接捕獲期間，兩對接機構(gòu)導向板首先接觸，主動對接機構(gòu)柔性捕獲系統(tǒng)響應(yīng)以適應(yīng)兩個對接口間的位姿偏差。在電磁捕獲或機械捕獲完成后，主動柔性捕獲系統(tǒng)緩沖校正兩個對接飛行器相對運動，并拉回對接環(huán)，使兩個剛性連接界面進入到剛性連接作用范圍。在對接環(huán)拉回過程中，通過剛性連接系統(tǒng)導向銷套的作用下，完成最終校正。

2)剛性連接系統(tǒng)

剛性連接系統(tǒng)實現(xiàn)兩飛行器間結(jié)構(gòu)的剛性連接，形成一個密封轉(zhuǎn)移通道，在任務(wù)完成后可實現(xiàn)分離。

在標準中，具體規(guī)定內(nèi)容如下［4］:

(1)對周邊硬件(如對接鎖、分離系統(tǒng)和傳感器)進行了布局劃分;

(2)對具有配合關(guān)系的鎖鉤、導向銷套、密封圈等幾何尺寸進行詳細描述，并規(guī)定了運動部件的包絡(luò)范圍;

(3)對周邊硬件的載荷特性進行了規(guī)定，如鎖鉤、密封圈、分離推桿等。

3.3.3 對接性能

除了機械接口要求，標準中還規(guī)定一套包絡(luò)參考任務(wù)和條件的通用設(shè)計參數(shù)。對于柔性捕獲系統(tǒng)，這套參數(shù)包括對接載荷、飛行器質(zhì)量特性和對接初始條件。對于剛性連接系統(tǒng)，這套參數(shù)包括剛性連接載荷。在這些通用設(shè)計參數(shù)中，只有載荷作為要求進行了規(guī)定。其他通用設(shè)計參數(shù)僅作為設(shè)計參考。

標準規(guī)定，對接機構(gòu)主動柔性捕獲系統(tǒng)在對接任務(wù)中需不超過表2的載荷上限［4］。

表2 柔性捕獲系統(tǒng)最大對接載荷Table 2 SCS maximum interface loads

表3中推薦的對接初始條件主要從表2載荷推導出來的。為了提高兩飛行器間對接成功概率，IDSS 建議采用推薦值［4］。

表3 對接初始條件Table 3 Initial contact conditions

3.4 對標準的分析

國際對接系統(tǒng)標準(IDSS)借鑒了APAS的成功經(jīng)驗，基于通用接口和弱撞擊新技術(shù)發(fā)展需求提出的［14］。為保證對接接口的兼容性，IDSS僅提供必要的需求條件，有些接口特性只針對被動對接機構(gòu)(或作為被動對接機構(gòu)使用)進行規(guī)定［4］，如:規(guī)定被動對接系統(tǒng)的捕獲傳感器總阻力，對作為來訪者的追蹤飛行器主動對接機構(gòu)不做要求。這給予了飛行器對接系統(tǒng)設(shè)計者很大的自由設(shè)計空間。

結(jié)合具體內(nèi)容，對IDSS與現(xiàn)有APAS對接系統(tǒng)［5］進行對比，主要有以下異同點:

1)該標準規(guī)定的對接系統(tǒng)為周邊式異體同構(gòu)構(gòu)型，沿用了APAS構(gòu)型方案，這種類型對接系統(tǒng)將是未來的主流形式;

2)IDSS柔性捕獲系統(tǒng)采用了兩種捕獲方式，即電磁捕獲和機械捕獲，而APAS只有機械捕獲裝置。同時，IDSS對接環(huán)最大通道直徑(Φ685 mm)比APAS(Φ800 mm)的小，因此，為將對接通道直徑擴展至Φ800 mm，需要在對接后將IDSS導向板折疊或拆除。這無疑造成導向板結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，也給航天員帶來了額外工作量;

高血糖導致的視網(wǎng)膜毛細血管滲漏主要是由 VEGF 介導，VEGF 通過升高內(nèi)皮細胞內(nèi)Ca2＋ 和氧自由基的濃度增加谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶 2（transglutaminase 2，TGase2）的活性，促進應(yīng)力纖維的形成和鈣黏蛋白的降解。在實驗動物玻璃體內(nèi)注射 TGase2 抑制劑后，血管滲漏情況明顯減輕，證明 TGase2 在 DR 過程中扮演著要角色[14]。

3)IDSS剛性連接系統(tǒng)的幾何、物理接口與APAS系統(tǒng)是基本一致的。在分離裝置上，IDSS為可回縮的分離裝置，而APAS為無源分離推桿。采用IDSS可回縮分離裝置，可以降低對接環(huán)拉回的阻力，在對接鎖解鎖后，控制每個分離裝置釋放同步性，降低兩飛行器的分離角速度，降低12套對接鎖解鎖同步性要求，為不同類型對接鎖設(shè)計留下空間;

4)IDSS以對接力作為約束條件，限定了柔性捕獲系統(tǒng)屬于弱撞擊對接系統(tǒng)，體現(xiàn)了指標的先進性。而對接初始條件、飛行器質(zhì)量特性等均作為設(shè)計參考值。這給追蹤飛船對接機構(gòu)捕獲能力和GNC交會精度兩者的綜合權(quán)衡留下自由設(shè)計空間。

目前為止，國際對接系統(tǒng)標準的內(nèi)容還不完善，需進一步完善細化的內(nèi)容及對標準的建議有:

1)標準規(guī)定的對接通道偏小，應(yīng)向APAS通道直徑兼容;

2)在捕獲系統(tǒng)的機械接口上，電磁捕獲方式和機械捕獲方式并存，但機械捕獲方式及對接環(huán)接口應(yīng)與現(xiàn)有APAS的兼容;

3)資源傳輸接口目前在IDSS中尚未標準化。浮動斷接器用于在兩對接飛行器之間傳輸資源，這些資源可能包括電、數(shù)據(jù)及接地保險，水供應(yīng)與回收，燃料，儲箱加壓和氧化劑。應(yīng)該將這些連接接口應(yīng)按照不同的重要程度區(qū)別對待，對于基本連接接口應(yīng)做出嚴格規(guī)定，對于可選接口則提供可供各方自由安排的區(qū)域。同時，為保證接口匹配，可選連接接口應(yīng)具有主動連接斷開功能，且斷開時與對面不發(fā)生干涉。

4 標準應(yīng)用情況

美國和歐洲相繼開發(fā)了兼容IDSS接口的新型對接系統(tǒng)。美國開發(fā)的對接系統(tǒng)稱為NASA對接系統(tǒng)(NDS)［14］，歐洲開發(fā)的對接系統(tǒng)稱為國際?？繉訖C構(gòu)(International Berthing Docking Mechanism，IBDM)［15］。

4.1 NASA對接系統(tǒng)(NDS)

2010年2月，LIDS項目轉(zhuǎn)移到國際空間站項目上，并更名為iLIDS(國際弱撞擊式對接系統(tǒng))，為兼容國際對接系統(tǒng)標準，對iLIDS的剛性連接系統(tǒng)進行設(shè)計更改，由此稱為NASA對接系統(tǒng)(NDS)，2013 年底完成相關(guān)的鑒定試驗［14］。

采用 iLIDS方案的 NDS［14］如圖4所示。它采用的是完全異體同構(gòu)的周邊式對接機構(gòu)，繼承了已有空間對接機構(gòu)使用經(jīng)驗，運用機電一體化先進技術(shù)，完全柔性的控制型對接，?？亢蛯觾捎?。采用3個電磁鐵實現(xiàn)捕獲，通過齒輪和連桿聯(lián)動驅(qū)動12個對接鎖完成結(jié)構(gòu)連接。

圖4 NDS 構(gòu)型［14］Fig.4 Configurations of NDS

NDS可集成到各種不同的主飛行器上。根據(jù)需求設(shè)計了4種構(gòu)型配置可供應(yīng)用［16］。圖5為弱撞擊對接系統(tǒng)實物(主、被動對接機構(gòu))。

基于iLIDS方案的NDS還存在不足之處［18］，主要有:

1)由于安裝有電磁鐵、力傳感器等，柔性捕獲系統(tǒng)的對接環(huán)寬度較大，導致對接通道狹窄。

2)設(shè)計重量偏大。全配置的主動對接機構(gòu)設(shè)計重量達到370 kg，比國際空間站APAS重量超出20 kg。

3)采用了實時力反饋控制系統(tǒng)，配置了高可靠的傳感器和復(fù)雜控制系統(tǒng)，其成本偏高。

圖5 研制中的弱碰撞對接系統(tǒng)［17］Fig.5 Engineering development unit(EDU)of LIDS

4.2 歐空局國際對接系統(tǒng)(IBDM)

20世紀90年代初，歐空局(ESA)在研發(fā)ATV時提出了“通用對接停靠系統(tǒng)”(UDBS)概念，并研制了相關(guān)組件［15］。2001 年，為 ESA/NASA的X-38/CRV(乘員返回飛行器)合作項目提出UDBS的更新設(shè)計理念，即“國際停靠對接機構(gòu)”(IBDM)。ESA參與研制了第一個工程樣機［15］。

在X-38/CRV項目下馬之后，歐空局繼續(xù)進行獨立研制IBDM，研制了整個系統(tǒng)的工程樣機。IBDM由柔性捕獲系統(tǒng)和剛性連接系統(tǒng)組成，見圖6。柔性捕獲系統(tǒng)采用主動控制的Stewart平臺方案，配置了電磁捕獲裝置、力傳感器等，可實現(xiàn)兩飛行器的捕獲和緩沖。剛性連接系統(tǒng)主要由12個對接鎖、2道密封圈和分離裝置等組成，可實現(xiàn)剛性連接和分離。IBDM具有標準對接接口、弱撞擊、?？磕芰屯耆愺w同構(gòu)等特點。

IBDM的機械接口符合國際對接標準最新版本要求。同時，為了增加對接通道直徑，ESA針對柔性捕獲系統(tǒng)最小通道直徑設(shè)計了多個接口方案。

圖6 IBDM概念和柔性捕獲系統(tǒng)［15］Fig.6 IBDM-concept and soft docking system

5 結(jié)論

本文回顧了載人對接機構(gòu)的發(fā)展歷程，國內(nèi)外主要對接機構(gòu)的技術(shù)特點，介紹了國際對接系統(tǒng)標準提出的背景，論述國際對接系統(tǒng)標準的主要內(nèi)容和應(yīng)用情況。

國際對接系統(tǒng)標準的提出體現(xiàn)了未來空間國際合作通用接口需求和對接技術(shù)發(fā)展方向。我國參與國際對接系統(tǒng)標準制定，應(yīng)結(jié)合后續(xù)空間站、載人登月等載人航天工程需求，進一步開展以下研究:

1)積極參與國際對接系統(tǒng)標準制定工作，體現(xiàn)中國在對接標準方面的話語權(quán)，以此來探索空間實驗、深空探測等領(lǐng)域的國際合作方式，為參與國際空間合作奠定基礎(chǔ);

2)積極開展弱撞擊對接技術(shù)的研究，針對未來空間任務(wù)特點和要求，發(fā)展適用于國情和未來工程應(yīng)用背景的弱撞擊對接系統(tǒng)，增加國際空間對接技術(shù)合作實力，為參與國際合作打下技術(shù)基礎(chǔ)。

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