追赶航天大国，印度首次尝试空间交会对接

作者：兰顺正

首发自：《中国航天报》

当地时间2024年12月30日晚10点，极地卫星运载火箭（PSLV-C60）从印度萨迪什·达万航天中心发射，将两颗卫星（每颗220公斤）送入475公里的圆形轨道。这两颗卫星属于“太空对接实验”（SpaDeX）任务，用于执行印度首次太空对接测试飞行任务。按计划在2025年1月7日，两颗卫星会进行第一次测试交会操作，如果成功，印度将成为世界上第5个掌握空间交会对接技术的国家。

航天器交会对接技术，指的是在空间运行的两个航天器通过轨道参数的协调，在同一时刻以同样的速度到达同一个地点，并通过专门的对接机构将两个航天器对接起来形成一个组合航天器所需要全部技术。交会对接一般是发射一个航天器，与已经在轨道上等待的另一个航天器或空间站进行交会对接。两个航天器在太空进行交会对接飞行有明确的分工，一个是被动的，基本不作机动飞行，称为目标飞行器；另一个是主动的，要不断调整飞行轨道，主动接近目标飞行器，称为追踪飞行器。

交会对接对于人类探索太空有着重要的意义。首先，它实现了天地往返航天器（如宇宙飞船）与在轨长期运行的航天器（如空间站）的停靠和连接，为航天员提供了进入太空站点的通道。这是空间站建造和运营的基础，使得长期有人照料的空间站成为可能。

同时交会对接技术还是在轨服务和星际探测等航天活动的重要保障。通过交会对接，可以实现在轨航天器的维修、升级、燃料补给等功能，延长航天器的使用寿命。并且在未来的深空探测任务中，交会对接技术也将发挥关键作用，支持探测器之间的物资交换和协同作业。

而对于大型航天器，如空间站，由于其结构复杂、体积庞大，不可能将所有设备和人员一次性发射升空。因此，必须将大型航天器分成多个模块，逐步发射到太空，再通过交会对接技术组装成整体。交会对接技术则是实现这一目标的必要条件，也是空间站建造的根本。

航天器交会对接过程是十分精密和复杂的。大致可以分为地面导引、自动寻的段、接近停靠、对接合拢几个阶段。

以中国神舟飞船与天宫空间站的交会对接为例，在地面导引阶段，追踪飞行器在地面控制中心的控制下，经过若干次变轨机动，进入到追踪飞行器上的敏感器能捕获到目标飞行器的范围，这个范围一般为15～100公里。

在自动寻的阶段，追踪飞行器根据自身携带的微波和激光敏感器测得的与目标飞行器的相对运动参数，自动引导追踪飞行器到目标飞行器附近的初始瞄准点，这个瞄准点一般距目标飞行器0.5～1公里。

在接近停靠阶段，追踪飞行器首先要捕获目标飞行器的对接轴，当对接轴线不沿轨道飞行方向时，要求追踪飞行器在轨道平面外进行绕飞机动，以进入对接走廊，此时两个飞行器之间的距离约100米，相对速度约3～1米/秒。追踪飞行器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个飞行器之间的距离、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。

在对接合拢前阶段，追踪飞行器关闭发动机，以0.15～0.18米/秒的停靠速度与目标相撞，最后利用对接装置使两个航天器在结构上紧紧连在一起，完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接，这个时候，两个飞行器组成一个组合体联合飞行，再进行对接面的各项检查，特别是密封情况的检查，确认密封没有问题后，交会对接过程就完成了。此时，航天员就可以打开舱门，进入主航天器里面，进行换班交接和货物的转运。

根据报道，此次印度的太空交会对接试验流程如下：

PSLV-C60火箭将两个航天器送入高度约470公里、倾角55°的圆形轨道；通过精确控制，发射时为目标和追踪航天器提供微小的相对速度，使它们在一天内达到10-20公里的相互间距；随后追踪航天器将逐步接近目标航天器，经过5公里、1.5公里、500米、225米、15米和3米的距离，最终实现对接；成功对接并固定后，将演示两颗卫星之间的电力传输，然后分离，开始各自的有效载荷操作，预期任务寿命可达两年。

而在此次对接试验中，印度将会验证多项核心技术。在对接机构上，印度采用了一种低冲击对接系统，接近速度约为10毫米/秒，采用“异体同构”设计，即追踪航天器和目标航天器的对接系统相同，并且是当前国际主流的周边式对接系统。该对接系统的好处是通用性好，两个航天器对接装置相同，生产维护相当便利。目前中美俄的对接系统转移通道直径约800毫米，印度试验型的对接系统直径约450毫米。

而两颗卫星距离达到5公里时，会采用印度空间研究组织低地球轨道航天器中所运用的标准轨道维持和姿态控制算法。由于航天器处于圆形轨道，对卫星速度的任何增减都会导致轨道变化，因此采用了基于多脉冲（n-Pulse）、下滑道（Glideslope）以及比例导引（PV）制导算法的V-bar策略，以缩小卫星间的距离，在固定的卫星间距离处保持稳定，以便对传感器和软件进行评估，最终实现对接。这些算法被转化为软件，用于实现交会和对接。

另外在航天器定位方面，两颗卫星都搭载了基于差分全球导航卫星系统的卫星定位系统，提供定位、导航与授时功能。通过对追踪航天器和目标航天器的SPS接收机中来自相同全球导航卫星系统卫星的载波相位测量值做减法运算，便可确定这两颗卫星高度精确的相对状态。两颗卫星的甚高频/特高频收发器通过星间链路，将全球导航卫星系统卫星的测量数据从一颗卫星传输至另一颗卫星。

除了主要任务外，PSLV-C60火箭还搭载一个二级有效载荷模块，搭载了来自各个初创公司、工业界、学术界和ISRO中心的24个不同的实验装置，其中包括RRM-TD行走机械臂和太空碎片捕获机械手。RRM-TD是印度第一台具有行走能力的太空机械臂，也有7个自由度，可爬行到指定位置。太空碎片捕获机械手利用视觉伺服和物体运动预测来捕获系绳连接的碎片。在首次实验成功演示之后，未来将具备捕获自由漂浮碎片，以及为系绳连接和自由漂浮的航天器进行燃料加注的能力。

客观而言，如果此次印度的相关试验取得成功，那么其在太空领域确实前进了一大步。空间交会对接技术印度的太空雄心至关重要：就月球探测与采样返回任务而言，除了已经规划的“月船四号”任务外，印度未来还可能开展更多的月球探测任务。在这些任务中，空间交会对接技术将帮助探测器在月球轨道上完成样本转移、对接和返回舱的分离等操作，为月球科学研究和资源利用提供重要支持。而且印度计划在2035年前拥有自己的空间站——“Bharat Antariksha Station”（BAS）。这一空间站将由多个舱段组成，重量从25吨增加到52吨，尺寸长达27米、宽达20米。在空间站的建设和运营过程中，空间交会对接技术无疑将起到至关重要的作用。

不过相比中美俄等国，印度方面还是存在不小的差距。如前文所述，交会对接技术最终服务的是载人航天，而有人参与的交会对接与无人参与的交会对接要求差别很大，前者必须把航天员的安全放在第一位，条件十分苛刻，能够进行无人参与的交会对接只是其基础和前提。目前中美俄的载人交会对接技术已经非常成熟，而印度的载人航天工程却迟迟不见成果，因此印度要在相关领域追赶上其他航天大国还有很长的路要走。