印度空间对接试验三次失败后终获成功：太空“穿针引线”有多难？

摘要：1月16日，印度的两颗小卫星成功实现交会对接，由此成为第四个实现太空交会对接的国家，这也是该国实现空间站和载人登月梦想的至关重要的一步。按计划，成功对接锁紧后，两颗卫星将测试它们之间的电力传输，然后分离并各自运行，预计寿命长达两年。

1月16日，印度的两颗小卫星成功实现交会对接，由此成为第四个实现太空交会对接的国家，这也是该国实现空间站和载人登月梦想的至关重要的一步。按计划，成功对接锁紧后，两颗卫星将测试它们之间的电力传输，然后分离并各自运行，预计寿命长达两年。

2024年12月30日，印度发射了“追逐者”和“目标”2颗小卫星，用于该国首次在太空进行交会对接试验。两颗卫星原本应于2025年1月7日在470公里高的轨道上从相距20公里处开始第一次交会对接试验。

然而，1月7日因准备不足，印度第一次交会对接试验被迫推迟。此后印度在1月9日进行第二次试验，结果又因两颗卫星在相距225米时，其中1颗卫星发生意外偏离而不得不再次延期。三天后，印度进行了第三次对接试验，但在两颗卫星相距仅剩3米时，因技术问题对接尝试再次终止。

一波三折之后，印度的交会对接试验终于在1月16日取得成功。由此可见，太空交会对接并非易事。

有人形容它就像在太空中放了一根针，然后在相距几百千米的地面控制一根线去穿过那个针眼，属于“高难度”动作。太空交会对接有何用途？有什么技术难点呢？

用途十分广泛

空间交会对接技术十分重要，是实现空间站正常运行的先决条件，因为只有掌握这项技术，才能把人和货物通过宇宙飞船或航天飞机送到空间站上去。

然而，这项技术又十分复杂，此前只有美国、俄罗斯和中国独立掌握。现在，印度通过此次任务，成为世界第4个独立掌握空间对接技术的国家。

空间交会对接是指两个航天器在太空轨道上按预定位置和时间相会后在机械结构上连成一个整体。它目前主要有以下两大用途：

一是为长期运行的空间设施，如空间站提供人员运输和物资补给服务。因为空间站虽然具有体积大、寿命长和功能强等一系列优点，但它上天以后不能进行天地往返，需要通过宇宙飞船等天地往返运输器与空间站交会对接后才能把人和货物送上空间站或从空间站带回地面。

二是在轨组装大型航天器结构。由于目前的运载火箭能力有限，不可能把上百吨的航天器一次都运到地球轨道上，所以采用空间交会对接的方式建造，即把要建造的航天器分成若干部分陆续发射到某一高度的轨道上，然后通过交会对接技术把它们联结成一个组合的整体。

空间交会对接还可用于使2个航天器在太空相互支持和进行航天器重构以实现系统优化等方面。

两种控制方式

现在，航天器之间进行空间交会对接主要采用两种方式：一种是自控方式，另一种是手控方式。它们各有千秋。

在2个航天器距离较远时，一般都采用地面遥控或自控；在距离较近时，既可以采用自控，也能采用手控进行交会对接。

采用自控的优点是比较省事，效率较高；其缺点是设备复杂，灵活性差，遇到突发情况不能及时处理，偶尔会导致交会对接失败。俄罗斯主要采用这种方式。

采用手控的优点是可靠性强，在交会对接出现问题时航天员可以及时采取相应措施解决；缺点是航天员的劳动强度很大，并受空间环境条件的影响。美国主要采用这种方式。

另外，采用手控交会对接对航天员提出了很高的要求。它要求航天员能准确判断两个航天器的相对速度和姿态，并通过精细操控手柄不断调整。

此外，由于航天员还要面临燃料消耗和时间的限制，必须在一定时间里完成对接，所以对航天员的心理素质也是考验。失重环境也会给航天员手控交会对接带来不适的生理反应，这些都会影响手控交会对接的操作质量。

2012年，航天员刘旺通过手动控制神舟九号飞船，成功与天宫1号目标飞行器实现了我国首次手控交会对接。

随着用于交会对接的设备质量日益稳定，目前空间交会对接主要以自控为主，以手控为辅，在自控失灵时，改用手控，这样可以提高交会对接的经济性和可靠性。

所以，应全面掌握手控和自控对接这2种方式，它们可以互为备份，为航天器之间的成功对接增加一个重要的“安全阀”。

我国航天员已熟练掌握这两种控制方式。我国载人航天器之间进行交会对接时，就是以自控为主，以手控为辅。

四大技术难点

由于空间交会对接技术十分复杂，所以国外已发生过近20次空间交会对接故障，甚至出现了两个航天器发生“追尾”。

交会对接包括交会和对接两个部分。交会是指两个或两个以上航天器在空间轨道上按预定时间和位置停靠相会；对接是指两个航天器在空间轨道上通过对接机构相互接触并连成一个整体。所以，航天器之间在空间进行对接前要先交会，即相互接近。

在空间交会对接的两个航天器中，一个称目标飞行器，一般是空间站等大型航天器，它作为准备对接的目标，交会对接时保持稳定运行状态；另一个称追踪飞行器，一般是地面发射的宇宙飞船、航天飞机等，交会对接时它要通过变轨来追赶目标飞行器，实现两者的交会对接。

空间交会对接技术主要有四大难点：

难点之一是速度极高，拟对接的两个航天器时速达2.8万千米，如果控制不好很危险，容易相撞或“擦肩而过”，“失之交臂”。

难点之二是要边绕地球转边交会。在实现空间交会时，两个要对接的航天器要一边绕地球运行，一边缩短它们的距离。这两个航天器都是在三维空间飞行，一个航天器飞向另一个航天器时，必须沿着各自的轨道飞行，要缩短2个航天器的距离，不能像地面一样加速，否则会离开原来轨道。

因此，追踪飞行器通常先发射到比作为目标飞行器的航天器稍低的轨道上，然后经过多次轨道调整，逐步追上目标飞行器。

难点之三是要有超高精度测量与控制设备。精确地测量和计算出对接双方的轨道、距离和速度，才能使两个航天器在同一轨道上运行。

另外，两个航天器在对接时还要精确地控制它们的姿态，使两个航天器的对接面中心轴要在同一条对接轴上。

最后，还要求两个航天器在相互接近时相对速度接近于零，不能有激烈的碰撞。在两个航天器即将对接时，横向误差要小于18厘米，姿态误差小于5°，相对速度小于0.2米/秒。

难点之四需研制出复杂、精巧和可靠的对接机构。

两类重要设备

要实现2个航天器的空间交会对接，主要靠两种重要设备，即用于交会的测量装置和用于对接的对接机构。

2个航天器要想在太空交会，主要依靠航天器上交会测量装置，它是航天器之间进行交会靠拢的“眼睛”。目前主要有四种测量装置：

一是微波雷达，其测量范围从相对距离100千米～100米，距离小于100米时误差较大；

二是激光雷达，其测量范围从相对距离20千米～10米，其测量精度比较高；

三是光学成像敏感器，测量范围从相对距离100～1米，它的测量精度更高；

四是对接敏感器，其测量范围从相对距离10～0米。另外，还广泛使用全球卫星导航定位系统。

所以，两个航天器相距较远时使用微波雷达、激光雷达、卫星导航定位接收机；相距较近时使用光学成像敏感器和对接敏感器。另外，交会测量设备在每个飞行阶段都应有备份，以防交会测量设备突发故障而导致交会对接失败。

两个航天器要想在太空对接，要依靠航天器上的对接机构。目前主要使用两种：

一是“杆-锥”式对接机构，其优点是结构简单，质量较轻；缺点是对接机构全部安装在航天器壳体内部，对接后占据较大内部空间，承载能力也比较低。目前，俄罗斯“联盟”系列载人飞船、“进步”系列货运飞船与“国际空间站”的对接均采用“杆-锥”式对接机构。

二是“异体同构周边”式对接机构，其优点是对接后通道畅通，因对接连接环直径较大、承载能力大，所以适宜各种质量航天器间对接；缺点是结构比较复杂，质量较大。

目前，美国“载人龙”与“国际空间站”、我国“神舟”载人飞船、“天舟”货运飞船与“天宫”空间站之间的对接均采用“异体同构周边”式对接机构。

两种对接模式

航天器之间的空间交会对接现有标准对接模式和快速对接模式，其中采用标准对接模式大致分为以下四个阶段：

地面导引阶段

在两个空间飞行器相距1万千米～100千米时，追踪飞行器要在地面控制中心的操纵下，经过若干次变轨机动，进入到追踪飞行器上的交会测量设备能捕获目标飞行器的范围内。

自动寻的阶段

在两个空间飞行器相距100千米～100米时，追踪飞行器通过双方携带的交会测量设备自动引导到目标飞行器附近，进入对接走廊。

最终逼近阶段

在两个空间飞行器相距100～1米时，追踪飞行器利用测量系统精确测量两个飞行器的距离、相对速度和姿态，同时启动小发动机进行机动，使之沿对接走廊向目标最后逼近，此时两个航天器的相对速度约3～1米/秒。

对接合拢阶段

在两个空间飞行器相距1米以内时，必须轴向对齐，追踪飞行器关闭发动机，发出对接信号，伸出对接机构。目标飞行器打开撞锁，追踪飞行器以0.2米/秒的停靠速度与目标接触，在结构上实现硬连接，包括管路、电源、通信线路连接等。

国外有的货运飞船采用“停靠”方式进行对接，即当飞船与空间站接近到10米距离时，使两者相对速度接近零，然后由空间站上的机械臂将其捕获与空间站对接。这种对接方式可减少飞船上对接系统的质量、成本和复杂性。

采用标准对接模式，追踪飞行器要经过2天左右的飞行才能与作为目标飞行器对接。最近几年，中俄等国在载人航天活动中开始使用快速对接模式，宇宙飞船只需要飞行6.5小时或更短时间就能与空间站实现对接。

实现快速交会对接主要是把原来远距离导引段需要地面干预的工作交由两个空间飞行器的星上计算机自主运行，即把原来的“地面远程导引段”改为“自主”，基于卫星导航系统提供宇宙飞船与空间站的实时位置信息，宇宙飞船星载计算机可自主定轨并计算出变轨数据，进而控制轨控发动机进行自主变轨，实现远距离、全自主的导航计算与制导控制。

结束远程导引段后的动作与以往对接任务相比则完全一致。6.5小时快速交会对接只需绕地球飞行4圈，前3圈每圈变轨2次。而以往采用标准对接模式，宇宙飞船需绕地球飞行30多圈才能与目标飞行器对接。

据悉，印度采用的空间交会对接方案主要依托基于差分全球导航卫星系统的卫星定位系统。

中国交会对接

目前，我国空间交会对接技术比较成熟，不仅掌握了自控和手控交会对接技术、快速交会对接技术，其中天舟五号货运飞船创造了仅飞行两小时就与“天宫”空间站成功对接的世界空间站最快交会对接纪录，还掌握了径向自主交会对接技术。

所谓径向对接就是载人飞船通过空间站的“天和”核心舱下方对接口与空间站进行交会并对接，虽然只是方向变了90°，但是对接的难度却大了不少，我国径向交会对接整个过程都是在制导导航与控制系统指挥下飞船智能自主完成的。

为了适应空间站运营多对接口和快速交会对接的新需求，我国空间站阶段为交会对接任务新增了飞行特征点——中瞄点，它是载人飞船、货运飞船和空间站交会对接前的“中转站”，位置在空间站后下方，通过该点可以最方便地，快速完成与空间站前向、径向和后向对接口的交会对接，具有省时（时间）省力（推进剂消耗）的特点。

我国在完成嫦娥五号任务时，在世界上首次进行了月球轨道的无人交会对接，即嫦娥五号的着陆器-上升器组合体在完成月面采样后，上升器要携带月球样品从月面起飞，前往月球轨道，与在月球轨道飞行的轨道器-返回器组合体进行交会对接，然后把月球样品从上升器转移到返回器中。

在月球轨道交会与在地球轨道交会对接有所不同。我国在地球轨道上有着比较成熟的航天器交会对接经验，多次采用“小追大”的模式，即小质量飞船追大质量“天宫”。

但在月球轨道上进行交会对接要“大追小”，即用有较多燃料的大质量的轨道器-返回器组合体追小质量的上升器，而且距离地球几十万公里，稍微控制不好就会产生偏离，因此对交会对接的精度要求更高。