前向交会对接飞行试验验证方案分析

黄海兵 李九人 徐小平

（1国防科学技术大学航天与材料工程学院 2中国空间技术研究院）

1 引言

空间站由于长期在轨运行，需要间歇性地进行乘员轮换[1]和消耗品补给。在空间站阶段，除了货运飞船的后向对接外，还有载人飞船和实验舱段的前向对接[2]。在空间实验室任务中，载人飞船和货运飞船均采用后向对接方案，为了在空间实验室任务期间开展前向对接试验验证，完全掌握交会对接技术，有必要对前向交会对接试验验证开展飞行方案分析。

本文是在现有交会对接方案的基础上，对在空间实验室任务中开展前向交会对接试验验证的飞行方案进行了专题分析，给出了可能的飞行方案和初步分析结果。

2 绕飞方案

2.1 方案设想

联盟飞船在近距离导引段的末段，由于预计的对接口指向可能与当前的逼近方向不一致。为了对准目标航天器对接轴，飞船需要在距目标航天器400m～200m 的距离上进行绕飞[3]，转移到+V-bar、-V-bar、R-bar上的对接口或惯性对接口所需要的逼近线上（图1）。绕飞一般采用二冲量转移，根据对接轴方向的不同，其冲量可能具有径向和轨道平面外的分量。而径向与轨道平面外转移都是周期运动，在一个轨道周期后仍会回到出发点。

结合交会对接方案，在开展空间实验室的前向对接飞行试验时，飞船绕飞前空间实验室仍采取前向对接口朝后的倒飞模式，首先通过地面导引段和寻的段，将飞船导引至空间实验室正后方5km处，如考虑接近段，可继续导引至空间实验室正后方在400m处，根据飞船绕飞的起点和终点的不同，飞船从后方绕飞至前方的飞行方案主要包括以下四种：方案a，从正后方5km绕飞到正前方400m；方案b，从正后方400m绕飞到正前方400m；方案c，从正后方400m绕飞到正前方150m；方案d，从正后方150m绕飞到正前方150m。

图1 联盟/进步号的绕飞逼近相对轨道

2.2 算例分析

由于是在V-bar上转移，算例采用径向两脉冲CW制导，针对上述4种飞行方案开展了仿真分析，表1给出了四种方案的相关仿真结果对比，其中盲区时间是指在绕飞过程中，轨迹在交会雷达视场外的时间，交会雷达在轨道面内的视场角范围取为[-20°，70°]。表1中的制导精度是CW方程轨道外推和高精度轨道预报之间的差异。本文只是对前向交会对接试验验证的飞行方案进行初步设计与分析，并没有考虑在绕飞过程中交会雷达的安装和测量误差、变轨执行误差、大气模型误差等。图2给出了不同方案绕飞过程中的视场角变化曲线，可见，不同飞行方案交会雷达的总的盲区时间相差无几，只是进入盲区时间有先后的差别。为了保证飞船在绕飞过程中有足够的交会雷达测量时段，考虑将空间实验室的偏航180°姿态机动安排在飞船进入盲区之后，出盲区时机动完毕，在此期间，飞船也进行偏航180°姿态机动，这样可保证飞船能够尽早地捕获空间实验室。图3给出了空间实验室和飞船在盲区同时偏航180°后方案c绕飞过程中交会雷达测量情况的示意。

表1 不同方案对比

图2 不同方案绕飞过程视场角变化关系

从4种飞行方案的技术继承性来看，方案a和c较好，主要是由于方案a和c没有增加额外的飞行阶段和时间，只是将原来的接近段换成绕飞段而已，仍能够满足对接过程的测控要求，而方案b和d相比原有对接方案，在最后平移靠拢段会增加半个轨道周期的绕飞段，将会带来对接过程星下点的后移，可能难以满足对接过程在我国上空的需求。

图3 方案c绕飞过程交会雷达测量情况

3 无绕飞方案

3.1 方案设想

参考后向对接过程的寻的段方案，如果把寻的段终点瞄准至正前方400m和5km时，可以在后续接近段避免绕飞过程，将飞船飞越空间实验室的过程提前至寻的段。由于寻的段采用三脉冲制导方案，在进行脉冲计算时包括第一次脉冲直接瞄准寻的段终端状态和第一次脉冲按最小范数解两种情况。因此，无绕飞方案也可以分为以下四种：方案e，第一次脉冲直接瞄准正前方400m；方案f，第一次脉冲按最小范数解瞄准正前方400m；方案g，第一次脉冲直接瞄准正前方5km；方案h，第一次脉冲按最小范数解瞄准正前方5km。

3.2 算例分析

同样，针对无绕飞情况的4种方案也开展了仿真分析，表2给出了四种方案的相关仿真结果对比，图4为不同方案的视场角变化曲线。

表2 不同方案对比

图4 不同飞行方案视场角变化关系

方案e和方案f直接将寻的段终端状态瞄准至正前方400m，这种方案相当于直接把后向对接过程中的接近段合并，这样会带来对接时间提前和对接点位置前移的影响。方案g和h由于在飞行时间和飞行阶段上和前期方案基本一致，后续的接近段和平移靠拢段可参照后向对接方案，对接时刻及对接点位置也都和后向对接方案类似。

4 结论

在空间实验室任务期间开展前向交会对接飞行试验可以为空间站阶段载人飞船和实验舱的前向对接提供验证机会。由分析结果可知，无论采取有无绕飞的飞行方案，飞船从下方飞越空间实验室转移至正前方的过程中，交会雷达都存在一段时间的盲区。建议在交会雷达的这段盲区内，只需飞船和空间实验室一起进行偏航180°机动，完成“太空双人跳”动作，而无需对空间实验室添加任何设备的基础上，即可完成前向交会对接验证任务。另外，考虑到试验验证飞行方案要相对前期工程状态改变尽可能小，建议采用正后方5km绕飞至正前方400m和直接将寻的段终端瞄准至正前方5km两种飞行方案，能保证后续飞行阶段的方案和时间与后向交会对接方案基本一致。 ◇

［1］周晓飞等译.联盟号飞船［M］.北京：中国宇航出版社，2006.

［2］朱仁璋.航天器交会对接技术［M］.国防工业出版社，2007.

［3］李东旭等译.航天器自主交会对接技术［M］.国防科技大学出版社，2009.