国际对接系统标准探究

刘 志，崔宇新，张崇峰

(1.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海201108;2.上海宇航系统工程研究所，上海201109;3.上海航天技术研究院，上海201109)

1 引言

载人空间对接技术起步于20世纪60年代初期［1］。美国登月计划、前苏联/俄罗斯的空间站飞行以及国际空间站运行中开展了大量空间对接作业。2011年11月3日和14日，我国神舟八号飞船和天宫一号空间实验室成功进行了两次交会对接［2］，它标志着我国成为继美国、俄罗斯之后第三个完全独立拥有和掌握空间交会对接技术的国家。

空间对接已成为现代复杂航天器在轨运行重要的操作活动，也是载人航天活动必须掌握的一项基本技术。世界各国的空间机构开发了多种类型空间对接系统［1，3］，成功应用的对接系统有 A-pollo锥销式对接机构、俄罗斯锥杆式对接系统、异体同构周边式对接系统(APAS)和俄罗斯混合式对接机构(HPADS)等。但不同对接系统之间的对接界面并不相容，非标准对接界面的应用增加了国际空间对接合作的成本，降低了任务的灵活性。国际空间站多边协调委员会(MCB)推出了《国际对接系统标准》，并于2011年5月公布了接口定义文件(IDD)A版本［4］。本文将介绍空间对接系统的发展和国际对接系统标准提出背景，对国际对接系统标准接口的主要内容和应用情况进行论述。

2 对接系统的发展历史

空间对接技术的发展与载人航天技术的发展几乎同时进行的，从登月和载人空间站的需求出发，美国和前苏联(俄罗斯)从20世纪60年代初就开始研究交会对接技术，先后研制了锥杆式、周边式等多种对接机构，经历了“阿波罗”计划、“礼炮号”空间站、“空间实验室”、航天飞机、“和平号”空间站和国际空间站等工程应用［1-3，5-11］，其空间对接技术逐渐成熟。

国内外典型的载人对接机构特点及应用情况见表1。

表1 国内外典型的载人用对接机构［2，6，9，11，12］Table 1 Typical docking mechanism used in manned space flight

迄今为止，全世界共进行了300多次空间交会对接活动。目前在国际空间站的任务中，美国航天飞机采用俄罗斯的异体同构周边式对接机构，俄罗斯的联盟、进步飞船和欧空局的ATV飞行器采用俄罗斯的锥杆式对接机构［5］。

总结已有的和正在使用的对接机构的研制、飞行经验与教训，现有对接系统存在以下问题:

1)对接机构的捕获缓冲性能是由内部弹簧和阻尼机构的特性来决定的，按照对接目标，需要在地面预先设计和装配，仅支持地面维护和维修，不支持在轨性能调整，适应性受到限制;

2)只能支持单一的被动和主动对接接口，不具有通用接口。每次对接任务都是在发射前预先设计的，不利于空间救援;

3)在对接与捕获过程中需要一定的力和相对速度，对于小质量飞行器的对接需要专门设计;

4)在捕获时需要的推力较大，不支持利用机械臂进行的停靠和遥操作。

为了克服以上的缺点，根据对接技术未来发展、国际合作和空间救援等现实需求，新一代对接系统应具有弱撞击对接、国际标准通用接口和较好的任务适应性。

3 标准制定情况及内容

3.1 制定情况

2008年开始，国际空间站(ISS)成员国协商制定“国际对接系统标准”(IDSS)［13］。2010 年10月19日，国际空间站多边协调委员会(MCB，由NASA、俄罗斯联邦航天局、日本宇航探索局、欧空局和加拿大航天局等组成)批准了《国际对接系统标准》(International Docking System Standard，IDSS)，发布了接口定义文件(IDD)，目前为最新的 A 版本［4］。

IDSS的应用范围从载人飞船到自动空间飞行器、LEO到深空探测任务等领域。对接系统接口定义能够执行以下任务［4］:

1)国际空间站任务;

2)月球探测任务;

3)乘员营救任务;

4)国际合作任务。

3.2 标准框架

在国际对接系统标准(IDSS)接口定义文件(IDD)［4］中，对接过程由2个阶段组成。第一个阶段是建立对接飞行器的初始捕获，由柔性捕获系统(Soft Capture System，SCS)来实现。在捕获阶段，主动对接机构使新连接的飞船稳定下来。柔性捕获系统然后将对接飞船拉近到一起，为第二阶段对接做准备。第二阶段对接由刚性连接系统(Hard Capture System，HCS)实现。刚性连接系统实现对接界面的结构锁紧和密封，实现飞船间的结构载荷的传递，形成一个转移通道，加压后用于联合任务操作中乘员通道和货物转移。

国际对接系统标准(IDSS)接口定义文件(IDD)描述了对接物理几何接口和设计载荷需求。为保证飞船物理接口的对接兼容性，符合IDSS要求的对接系统必须严格遵守物理几何接口要求。同时，标准中提供了一套推荐的设计参数，例如，对接初始条件和飞行器质量特性，这些参数可以覆盖大部分飞行任务和设计条件。按照推荐参数进行对接系统设计可以提高在不同飞船之间对接的成功概率。国际对接系统标准IDD文件框架体系［4］见图1。

图1 接口定义文件框架体系Fig.1 The architecture of IDD

3.3 IDSS主要内容

3.3.1 总体构型与方案

IDSS规定的对接机构构型［4］为异体同构周边式构型，其中，刚性连接系统采用APAS方案，主要接口尺寸沿用APAS-89参数，柔性捕获系统采用弱撞击对接技术。

IDSS对接接口相对一个坐标轴是完全的异体同构，可以与同一个构型进行对接。在对接时，一个异体同构的柔性捕获接口为主动模式，即对接环处于伸出状态;而另一个异体同构的柔性捕获接口为被动模式，即对接环处于收回锁定状态。图2和图3为异体同构IDSS的接口［4］。

图2 异体同构对接接口－轴向视图Fig.2 Androgynous docking interface-axial view

图3 异体同构对接接口－横截面Fig.3 Androgynous docking interface-cross section

柔性捕获系统接口［4］包括对接环、导向板、电磁铁或机械捕获锁、磁性接触盘、机械卡板器、传感器和传感器触发区。捕获功能可以采用电磁或机械捕获锁来实现，但是与IDSS完全兼容的对接系统必须同时安装磁性接触盘和机械卡板器。在对接时，当两个对接环上的电磁铁和接触盘实现电磁连接或主动对接环的捕获锁与被动卡板器捕获，且两个对接环处于接触状态，则表明捕获完成。

刚性连接系统接口包括对接框、对接锁、导向销套、密封圈、分离推杆和资源脐带等。其布局采用了 APAS-89 方案［4］。

在完成对接后，对接机构具有提供一个Φ800 mm对接通道的能力，在标准中，柔性捕获系统转移通道直径不小于Φ685 mm［4］(如图3)，为满足对接后通道要求，可以采用移除或折叠导向板方式解决。

为了兼容空间站遥操作系统的机械臂辅助停靠操作，使用具有全部功能的柔性捕获系统，且柔性捕获所需合力小于150 N［4］。

3.3.2 机械接口

在标准中，按照柔性捕获系统、刚性连接系统分别规定了相应的几何物理接口，对电搭接、环境匹配、材料匹配和表面处理等方面进行规定［4］。

1)柔性捕获系统

柔性捕获系统用于完成捕获，缓冲和校正，实现对接时序中首次连接。在对接捕获期间，两对接机构导向板首先接触，主动对接机构柔性捕获系统响应以适应两个对接口间的位姿偏差。在电磁捕获或机械捕获完成后，主动柔性捕获系统缓冲校正两个对接飞行器相对运动，并拉回对接环，使两个刚性连接界面进入到刚性连接作用范围。在对接环拉回过程中，通过刚性连接系统导向销套的作用下，完成最终校正。

2)刚性连接系统

刚性连接系统实现两飞行器间结构的刚性连接，形成一个密封转移通道，在任务完成后可实现分离。

在标准中，具体规定内容如下［4］:

(1)对周边硬件(如对接锁、分离系统和传感器)进行了布局划分;

(2)对具有配合关系的锁钩、导向销套、密封圈等几何尺寸进行详细描述，并规定了运动部件的包络范围;

(3)对周边硬件的载荷特性进行了规定，如锁钩、密封圈、分离推杆等。

3.3.3 对接性能

除了机械接口要求，标准中还规定一套包络参考任务和条件的通用设计参数。对于柔性捕获系统，这套参数包括对接载荷、飞行器质量特性和对接初始条件。对于刚性连接系统，这套参数包括刚性连接载荷。在这些通用设计参数中，只有载荷作为要求进行了规定。其他通用设计参数仅作为设计参考。

标准规定，对接机构主动柔性捕获系统在对接任务中需不超过表2的载荷上限［4］。

表2 柔性捕获系统最大对接载荷Table 2 SCS maximum interface loads

表3中推荐的对接初始条件主要从表2载荷推导出来的。为了提高两飞行器间对接成功概率，IDSS 建议采用推荐值［4］。

表3 对接初始条件Table 3 Initial contact conditions

3.4 对标准的分析

国际对接系统标准(IDSS)借鉴了APAS的成功经验，基于通用接口和弱撞击新技术发展需求提出的［14］。为保证对接接口的兼容性，IDSS仅提供必要的需求条件，有些接口特性只针对被动对接机构(或作为被动对接机构使用)进行规定［4］，如:规定被动对接系统的捕获传感器总阻力，对作为来访者的追踪飞行器主动对接机构不做要求。这给予了飞行器对接系统设计者很大的自由设计空间。

结合具体内容，对IDSS与现有APAS对接系统［5］进行对比，主要有以下异同点:

1)该标准规定的对接系统为周边式异体同构构型，沿用了APAS构型方案，这种类型对接系统将是未来的主流形式;

2)IDSS柔性捕获系统采用了两种捕获方式，即电磁捕获和机械捕获，而APAS只有机械捕获装置。同时，IDSS对接环最大通道直径(Φ685 mm)比APAS(Φ800 mm)的小，因此，为将对接通道直径扩展至Φ800 mm，需要在对接后将IDSS导向板折叠或拆除。这无疑造成导向板结构设计复杂，也给航天员带来了额外工作量;

高血糖导致的视网膜毛细血管渗漏主要是由 VEGF 介导，VEGF 通过升高内皮细胞内Ca2＋ 和氧自由基的浓度增加谷氨酰胺转移酶 2（transglutaminase 2，TGase2）的活性，促进应力纤维的形成和钙黏蛋白的降解。在实验动物玻璃体内注射 TGase2 抑制剂后，血管渗漏情况明显减轻，证明 TGase2 在 DR 过程中扮演着要角色[14]。

3)IDSS刚性连接系统的几何、物理接口与APAS系统是基本一致的。在分离装置上，IDSS为可回缩的分离装置，而APAS为无源分离推杆。采用IDSS可回缩分离装置，可以降低对接环拉回的阻力，在对接锁解锁后，控制每个分离装置释放同步性，降低两飞行器的分离角速度，降低12套对接锁解锁同步性要求，为不同类型对接锁设计留下空间;

4)IDSS以对接力作为约束条件，限定了柔性捕获系统属于弱撞击对接系统，体现了指标的先进性。而对接初始条件、飞行器质量特性等均作为设计参考值。这给追踪飞船对接机构捕获能力和GNC交会精度两者的综合权衡留下自由设计空间。

目前为止，国际对接系统标准的内容还不完善，需进一步完善细化的内容及对标准的建议有:

1)标准规定的对接通道偏小，应向APAS通道直径兼容;

2)在捕获系统的机械接口上，电磁捕获方式和机械捕获方式并存，但机械捕获方式及对接环接口应与现有APAS的兼容;

3)资源传输接口目前在IDSS中尚未标准化。浮动断接器用于在两对接飞行器之间传输资源，这些资源可能包括电、数据及接地保险，水供应与回收，燃料，储箱加压和氧化剂。应该将这些连接接口应按照不同的重要程度区别对待，对于基本连接接口应做出严格规定，对于可选接口则提供可供各方自由安排的区域。同时，为保证接口匹配，可选连接接口应具有主动连接断开功能，且断开时与对面不发生干涉。

4 标准应用情况

美国和欧洲相继开发了兼容IDSS接口的新型对接系统。美国开发的对接系统称为NASA对接系统(NDS)［14］，欧洲开发的对接系统称为国际停靠对接机构(International Berthing Docking Mechanism，IBDM)［15］。

4.1 NASA对接系统(NDS)

2010年2月，LIDS项目转移到国际空间站项目上，并更名为iLIDS(国际弱撞击式对接系统)，为兼容国际对接系统标准，对iLIDS的刚性连接系统进行设计更改，由此称为NASA对接系统(NDS)，2013 年底完成相关的鉴定试验［14］。

采用 iLIDS方案的 NDS［14］如图4所示。它采用的是完全异体同构的周边式对接机构，继承了已有空间对接机构使用经验，运用机电一体化先进技术，完全柔性的控制型对接，停靠和对接两用。采用3个电磁铁实现捕获，通过齿轮和连杆联动驱动12个对接锁完成结构连接。

图4 NDS 构型［14］Fig.4 Configurations of NDS

NDS可集成到各种不同的主飞行器上。根据需求设计了4种构型配置可供应用［16］。图5为弱撞击对接系统实物(主、被动对接机构)。

基于iLIDS方案的NDS还存在不足之处［18］，主要有:

1)由于安装有电磁铁、力传感器等，柔性捕获系统的对接环宽度较大，导致对接通道狭窄。

2)设计重量偏大。全配置的主动对接机构设计重量达到370 kg，比国际空间站APAS重量超出20 kg。

3)采用了实时力反馈控制系统，配置了高可靠的传感器和复杂控制系统，其成本偏高。

图5 研制中的弱碰撞对接系统［17］Fig.5 Engineering development unit(EDU)of LIDS

4.2 欧空局国际对接系统(IBDM)

20世纪90年代初，欧空局(ESA)在研发ATV时提出了“通用对接停靠系统”(UDBS)概念，并研制了相关组件［15］。2001 年，为 ESA/NASA的X-38/CRV(乘员返回飞行器)合作项目提出UDBS的更新设计理念，即“国际停靠对接机构”(IBDM)。ESA参与研制了第一个工程样机［15］。

在X-38/CRV项目下马之后，欧空局继续进行独立研制IBDM，研制了整个系统的工程样机。IBDM由柔性捕获系统和刚性连接系统组成，见图6。柔性捕获系统采用主动控制的Stewart平台方案，配置了电磁捕获装置、力传感器等，可实现两飞行器的捕获和缓冲。刚性连接系统主要由12个对接锁、2道密封圈和分离装置等组成，可实现刚性连接和分离。IBDM具有标准对接接口、弱撞击、停靠能力和完全异体同构等特点。

IBDM的机械接口符合国际对接标准最新版本要求。同时，为了增加对接通道直径，ESA针对柔性捕获系统最小通道直径设计了多个接口方案。

图6 IBDM概念和柔性捕获系统［15］Fig.6 IBDM-concept and soft docking system

5 结论

本文回顾了载人对接机构的发展历程，国内外主要对接机构的技术特点，介绍了国际对接系统标准提出的背景，论述国际对接系统标准的主要内容和应用情况。

国际对接系统标准的提出体现了未来空间国际合作通用接口需求和对接技术发展方向。我国参与国际对接系统标准制定，应结合后续空间站、载人登月等载人航天工程需求，进一步开展以下研究:

1)积极参与国际对接系统标准制定工作，体现中国在对接标准方面的话语权，以此来探索空间实验、深空探测等领域的国际合作方式，为参与国际空间合作奠定基础;

2)积极开展弱撞击对接技术的研究，针对未来空间任务特点和要求，发展适用于国情和未来工程应用背景的弱撞击对接系统，增加国际空间对接技术合作实力，为参与国际合作打下技术基础。

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