神舟八号如何与天宫一号亲密接触

  航空航天

神舟八号已经追上了天宫一号,实现了我国航天器在太空中的首次交会对接。除了精准的轨道控制以外,让两者能够亲密接触的对接装置才是真正的关键所在。

航天器对接装置是用来实现航天器之间对接、连接与分离的装置。通过它,可以实现两个航天器机械、电气、液路的连接。二者通过对接组成轨道复合体后,可实现人员、物资的转移。目前已有的对接装置主要有“环-锥”式、“杆-锥”式、“异体同构周边”式和“抓手-碰撞锁”式4种对接装置。

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科幻插图中的非刚性对接装置

根据使用要求,航天器对接装置可分为精确的刚性连接和在相对位移较大时的柔性连接。在大多数情况下,特别是在载人飞行时,必须采用刚性连接,以保证两个航天器不会因相对运动发射碰撞或解锁。

“环-锥”式对接装置

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“双子星座”飞船采用的“环-锥”式对接装置结构

“环-锥”式是最早采用的对接机构,它由内截顶圆锥和外截顶圆锥组成。内截顶圆锥安装在一系列缓冲器上,能吸收冲击能量。美国的“双子星座”飞船与“阿金纳”火箭;“双子星座”飞船之间都采用了这种方式。

“杆-锥”式对接装置

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“阿波罗”飞船采用的“杆-锥”式对接装置结构

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“阿波罗”飞船指令舱头部可见“杆-锥”式对接装置结构

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苏联/俄罗斯的“杆-锥”式对接装置结构

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“联盟TM”飞船头部可见“杆-锥”式对接装置

“杆-锥”式对接装置由“杆”和“锥”两部分构成,前者装在追踪飞行器上,后者装在目标飞行器上。对接时,杆插入锥内,然后锥将杆锁定,接着拉紧两个航天器,最终锁定两个对接面完成对接。

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“杆-锥”式对接装置对接过程示意图

美国“阿波罗”登月舱与指令舱之间;苏联/俄罗斯“联盟”飞船与“礼炮”号空间站之间;“联盟TM”飞船与“和平”号空间站之间,都曾采用这种对接装置。

“环-锥”式与“杆-锥”式在本质上是相同的。这两种对接装置虽然结构简单可靠、质量轻,但缺陷也是明显的:

  1. 两艘对接航天器上的对接装置不同,一艘是主动的杆,另一艘是被动的锥,二者不能通用。形象地说,二者类似于螺杆和螺母的关系。杆相当于“螺杆”、锥相当于“螺母”。带有“杆”的航天器只能主动去“追”带有“锥”的航天器并与之对接,反过来则不行。所以不利于实施太空营救。
  2. 对接杆和锥都位于对接口中央,占据了部分通道空间,影响了航天员的进出。

“异体同构周边”式对接装置

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苏联“联盟-19”飞船与美国“阿波罗-18”飞船对接使用的装置

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“联盟-19”与“阿波罗-18”成员组在飞船模型前合影,对接装置清晰可见。

为使航天员和货物能够直接通过对接通道实现转移,苏联和美国在1975年共同研制出异体同构周边式对接装置。
当两个航天器接近时,三块导向瓣分别插入对方的导向瓣空隙处。对接框上的锁紧机构使两个航天器保持刚性连接。

“异体同构周边”式对接装置有效克服了“杆-锥”式机构的缺点,这是因为:

  1. 对接装置是异体同构的(也就是“雌雄同体”,又可以做螺杆、又可以做螺母),航天器既可作主动方,也能作被动方,这一点对实施太空救援尤其重要;
  2. 对接装置是沿周边分布的,所有定向和动力部件都安装于舱口的四周,从而保证对接装置的中央成为来往通道空间。

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航天飞机与“和平”号空间站、航天飞机与国际空间站等对接采用的装置

随着航天器的尺寸和质量不断增加,苏联又研制出可供100吨以上航天器对接使用的异体同构周边式对接装置。对接通道直径增大后,两个航天器连接刚度也得到提高。航天飞机与“和平”号空间站、航天飞机与国际空间站的对接都采用了这种装置。

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俄罗斯APAS-89对接装置

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中国的对接装置

神舟八号和天宫一号所采用的对接装置,也是“异体同构周边”式对接装置。有网友分析称,中国可能向俄罗斯借鉴了APAS-89对接装置。这种装置原本打算用在“暴风雪”号航天飞机与“和平号”空间站的对接上。

“抓手-碰撞锁”式对接装置

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欧洲空间局的十字形对接装置

欧洲空间局研制的十字形对接装置与日本研制的三点式对接装置均属于“抓手-碰撞锁”式。二者只是布局上的差别。十字形对接装置是欧洲空间局研制的非密封、无通道的对接装置,仅用于无人航天器之间的对接。因其撞锁和连接器呈十字交叉分布而得名。日本的三点式对接装置则在周边布置三个抓手与撞锁,也只适用于无人航天器的对接。

国际通用标准

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新近在国际空间站上使用的“国际低冲击对接装置”(iLIDS)结构图

鉴于上述对接装置结构各异、标准不一,可能对未来的国际太空合作形成阻碍。美国国家航空航天局(NASA)宣布,国际空间站多边协调委员会批准了一项太空对接标准,为未来的载人飞船、无人飞船、以及低轨道和深空探测任务飞行器,提供一种通用的对接规范。该委员会成员包括了NASA、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构辅助的日本文部科学省、欧洲航天局和加拿大航天局。其目标是创建一个标准的接口,让两种不同的飞行器在太空中对接,减轻新兴国际合作空间任务开发进程中的难度,使得各国之间的太空救援成为可能。

明天凌晨,神舟八号将与天宫一号实现对接,你有机会从电视现场直播的画面上看到它们的对接装置。由于采用了“异体同构周边”式对接装置,神舟八号与天宫一号亲密接触的“部位”在构造上是一样的。从这个角度来看,把这次交会对接称为太空之吻,确实相当“科学”呀。

参考资料:

巡天神舟——揭秘载人航天器,中国宇航出版社,2011.6
载人飞船工程概论,国防工业出版社,2000.8
http://dockingstandard.nasa.gov
http://lt.cjdby.net/thread-1159078-1-1.html

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