交会对接：空间站建造的核心技术

受限于火箭运载能力，人类能向太空发射的航天器质量是有限的。中国空间站天问实验舱重量达23吨，是我国有史以来发射过质量最大的航天器，也是世界上现役最大的单体航天器。而美国在上世纪使用土星5号运载火箭发射的天空实验室重量达80吨，是人类有史以来发射过的最重、最大的单体航天器。

然而，这样的规模依旧不能满足人类的需求，需要在轨组装航天器形成规模更大的组合体。这其中，交会对接技术就显得尤为重要，是空间站在轨建造的核心。国际空间站自1998年首个舱段“曙光号”发射以来，通过上百次交会对接才形成了如今440吨的巨大规模。

顾名思义，交会对接技术分为两个重点环节，其一为“交会”，其二为“对接”。实现在轨交会是实现对接的前提。近地人造卫星的运动速度高达每秒7-8千米，在轨交会需要确保两艘航天器的相对速度为0，对航天器的轨道测控要求极高，可以说是在急若流星的速度下跳一曲轻盈的双人舞。

在轨交会

卫星的运动速度与轨道高度有关，且满足高度越低、速度越快的简单关系。例如，距地面约400千米高的中国空间站绕地球一圈仅需90分钟；距地面约36000千米的地球同步轨道卫星绕地球一圈需要24小时；更高一点，距离地球约38万千米的月球绕地球一圈就需要一个月了。

以上例子便于我们理解交会对接技术的简单原理：一般的交会对接需要让前方的航天器在较高轨道运行，速度相对较慢；而后方的航天器则在较低轨道运行，速度相对较快，这样就可以逐渐追上前方的航天器。随着后者轨道高度缓慢升高，与前者的相对距离逐渐降低到0，二者的相对速度也逐渐降低到0，实现近距离交会。

距人类首次尝试在轨交会已经过去了近60年。1965年12月4日，美国双子座7号载人飞船载着两名航天员先行发射升空，11天后，双子座6A号载人飞船也载着另外两名航天员发射上天。两艘构型完全一致的双子座飞船在太空中相互靠拢，这是人类首次成功的在轨交会任务。由于两艘飞船不具备对接能力，因此在最近距离达到30厘米后便不再接近，留下了著名的两器互拍照片后撤离。

两器对接

在能够保证两艘航天器近距离交会后，完成二者接触、锁紧为一个刚性组合体便可以实现对接。这需要两艘航天器均配备对接机构。

1966年3月16日，在尼尔·阿姆斯特朗的手动操控下，双子座8号成功完成了与阿金纳飞船的对接，这是人类首次实现航天器交会对接。但是，对接后阿金纳飞船的姿态控制系统出现故障，组合体不受控滚转，其余任务被迫中止并提前返回。在吸取以上经验教训后，美国通过随后的几艘双子座飞船完全掌握了航天器的手动对接技术，为后期阿波罗登月计划的月球轨道手动交会对接积累了经验。

与美国的手动交会对接技术不同，苏联一开始便选择了自动交会对接作为攻关方向。苏联于1967年成功实现两艘无人驾驶联盟号飞船的自动对接，并在1968年成功实现载人的自动交会对接。

我国的则采取了自动交会对接、手动交会对接共同发展的方式。2011年11月1日神舟八号飞船发射升空，并于两天后与天宫一号目标飞行器完成自动交会对接，实现了中国空间技术的重大跨越。2012年6月16日，景海鹏、刘旺、刘洋乘坐神舟九号飞船发射升空，两天后与天宫一号目标飞行器完成载人自动交会对接。6月22日，两器分离，并由刘旺操控神舟飞船完成了我国首次手动交会对接，标志着我国空间交会对接技术的又一重大突破，自动对接、手动对接两条核心技术牢牢掌握在自己手中，为中国空间站的在轨建造打下了坚实的基础。

值得一提的是，我国的嫦娥五号月球样品采样返回任务中，采用了世界首创的“抱爪式”对接机构，在38万千米之外成功实现了全球首次月球轨道自动交会对接。

嫦娥五号月球样品采样返回任务中，采用了世界首创的“抱爪式”对接机构

快速交会对接

2021年6月17日，神舟十二号载人飞船与天和核心舱形成组合体，从发射到交会对接的时长从神舟八号的两天左右缩短至6.5小时，后续的所有神舟飞船也都将采取类似的快速交会对接技术。对于载人飞行来说，快速交会对接可以减小航天员在空间相对狭小的载人飞船内的时间，提高飞行舒适度，有利于航天员更好地适应太空生活。对货运飞行来说，快速交会对接可以进一步提高应急状态下的货物补给能力。

快速交会对接的要求更高。首先火箭入轨精度要高，入轨后需要进行的变轨操作不能过于繁琐。其次是轨道测控精准，得益于已经建成的北斗卫星导航系统，我国可以对航天器轨道进行极其精密的测控，可以对轨道规划、交会过程进行精准计算。其三是航天器自身硬件设施先进，我国“天和”核心舱配备有微波雷达应答机、光学成像远场合作目标、激光雷达近场合作目标、对接十字标靶与定向监视相机等一系列全方位的对接辅助设施，是进行快速交会对接的有力助手。

展望未来，空间交会对接技术将有全新的发展。

中国空间站的“问天”与“梦天”实验舱均为20吨级，如此大吨位舱段的对接、转位需要坚实的轨道交会对接技术支撑。而更远的未来，我国还将进行火星取样返回任务，在约1亿千米外的火星轨道进行交会对接更是对我国轨道机动、轨道测控与交会对接能力的重大考验，让我们一起拭目以待。