第1章绪论
1.1空间小型卫星自主对接技术发展的意义
人造卫星是目前发射数量昀多、用途昀广、发展昀快的航天器，人造卫星可分为三大类，即科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。 1957年10月4日苏联发射了世界上**颗人造卫星，之后美国、法国、日本也相继发射了人造卫星。我国于1970年4月24日发射了**颗人造卫星——东方红一号。继各个国家成功发射**颗人造卫星后，人类太空活动不断增加。
卫星造价昂贵，在太空中很难进行维护修理，因此提高其效益昀常用且有效的方法就是延长其寿命。以往延长卫星寿命多采取改进卫星设计方案、开发长寿命卫星元器件、关键部件采用多重备份、建立严格的质量保证体系以及充分进行地面试验等措施。通过采取这些措施，卫星寿命从几十天逐渐增加到几年、十几年甚至几十年。但伴随着当今航天任务需求的不断增大，如在轨加注燃料、组装空间站、在轨维修服务等，仅单一延长卫星的使用寿命已经无法满足现代航天业的发展需求。因此，各国开始深入研究在轨服务维修、空间自主交会对接等空间服务技术，以期延长卫星的工作寿命和提高卫星的使用功能。空间交会对接(rendezvous and docking，RVD)技术是实现在轨装配、回收、补给、维修和空间救援等空间操作，以及空间站、空间实验室、空间通信和遥感平台等大型空间设施使用的先决条件。近年来，随着交会对接技术的发展，尤其是自主对接机构在航天领域的有效应用，该技术成为延长卫星工作寿命及提高使用功能的有效途径之一[1，2]。
空间交会对接包括交会和对接两部分的空间操作。交会指的是两航天器在预定空间轨道上按预定运动速度相互靠近的过程，也就是主动航天器和被动航天器通过轨道参数的协调同时到达同一空间位置的过程。对接则是指两航天器在完成交会的基础上，通过特殊的对接机构连成一个整体结构。交会对接过程通常可以分为四个阶段，即远程导引段、近程导引段、昀后逼近段和对接合拢段。其中，远程导引段又包含调相段、漂移捕获段以及轨道平面校正。处在空间交会对接过程中的航天器分为目标航天器和追踪航天器。一般而言，目标航天器在整个过程中不做轨道机动，在确定的轨道上飞行，且保持对地定向状态，而追踪航天器会进行一系列的轨道机动和姿态机动，以保证在对接点处相对于目标航天器有合适的姿态和速度。依靠空间交会对接技术，人类可以实现空间站的建造、在轨长期驻留、载人登月等复杂的航天活动[3，4]。
自主交会对接是指在没有地面以及航天器内的人员介入的情况下，两个航天器依靠自身的导航、制导与控制系统，自行地完成交会对接的全过程。相比于传统依靠地面控制的交会对接，自主交会对接因具有可降低地面人员的工作强度、消除信号延迟带来的影响、避免外界的干扰等优势而具有广阔的应用前景[5，6]。
空间交会对接技术的作用[7，8]主要体现在以下几方面：
(1) 为长期运行的空间设施提供物资补给，为宇航员提供运输服务；
(2) 捕获废弃的卫星和空间垃圾，净化太空环境；
(3) 组装空间站，由于运载能力的限制，空间站需由多个舱段在轨组装而成；
(4) 实施航天器维修和更换零件等操作，延长航天器的使用寿命；
(5) 实施太空救援，确保宇航员和航天器的安全；
(6) 发展空间防御卫星平台，实施对敌侦察，摧毁敌方间谍卫星。
交会对接技术是建设我国载人空间站、确保载人航天工程可持续发展的技术基石之一。交会对接技术涉及系统众多、技术复杂，要求载人航天工程各系统在若干技术领域实现进一步发展和突破。同时，交会对接技术的突破也将带动我国航天技术的整体进步，增强我国在航天领域的整体实力，推动我国航天事业快速发展[9]。
1.2在轨对接机构技术的研究现状
1.2.1国外对接机构技术研究
对接机构作为交会对接技术的关键部件，得到了世界各国的高度重视。世界各国对于对接机构的研制开展了深入的设计研究工作。苏联在早期的飞船与飞船交会对接试验、礼炮号空间站、和平号空间站和国际空间站计划中不断研究、发展、改进和完善了交会对接机构技术。
1967年10月30日，苏联先后发射了两艘不载人的联盟号飞船——宇宙186号和宇宙188号，成功进行了世界上**次无人航天器自动交会对接。宇宙186号为追踪飞行器，宇宙188号为目标飞行器，它们采用“针”模拟测量系统和无通道的杆-锥式对接机构。杆-锥式对接机构由“杆”和“锥”两部分构成[10]，如图1-1所示。随后苏联的联盟4号和联盟5号飞船实现了*次载人交会对接，但这一阶段的杆-锥式对接机构并没有提供人员转移的内部通道，两名宇航员通过舱外活动从一艘飞船转移到另一艘飞船上[11]。
图1-1 杆-锥式对接机构
1971年4月19日，苏联发射了世界上**个空间站——礼炮1号，对以前的杆-锥式对接机构进行了改进，发展了可移开的杆-锥式对接机构[12，13]，实现了对接后的密封连接，并形成航天员来往通道。这种对接机构使用范围非常广泛，已成功应用于联盟号载人飞船、进步号货运飞船，以及礼炮号空间站和和平号空间站。
美国在阿波罗计划、天空实验室计划、航天飞机的卫星维修任务、航天飞机与和平号空间站对接任务、国际空间站计划和猎户座飞船计划等载人航天计划中不断研究、发展、改进和完善了交会对接机构技术。
1966年3月16日，美国双子星座8号载人飞船与阿金纳火箭末级实现了世界上*次人控交会对接，其中，阿金纳火箭末级作为追踪飞行器，双子星座8号载人飞船作为目标飞行器[14]。双子星座8号载人飞船与阿金纳火箭末级之间的对接机构采用环-锥式对接机构，如图1-2所示，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。
图1-2双子星座8号载人飞船与阿金纳火箭末级对接
1975年，美国阿波罗18号载人飞船与苏联联盟19号载人飞船*次进行了两个不同国家航天器的交会对接，同时实现了从两个不同发射场发射的航天器的交会对接，并*次使用了异体同构周边式对接机构，如图1-3所示。“异体同构”是指追踪飞行器和目标飞行器上的对接机构采用相同的结构，没有主动和被动之分。对接时，追踪飞行器上的对接机构伸出装配在周边的三个板状导向器，使两个对接机构准确接触，锁定后对接机构回缩拉紧对接面，昀终锁定两个对接面完成对接[15，16]。
图1-3异体同构周边式对接机构
1-导向片；2-液压缓冲器；3-对接传动机构；4-捕获锁卡爪；5-捕获锁；6-销孔；7-推杆；8-对接框；9-密封圈；10-结构锁； 11-导向销； 12-弹簧锁；13-带有对接机构的差动设备； 14-滚珠丝杠
苏联继续发展此类结构，并于1989年成功研制了内翻式(相对APAS-75的导向片外翻式结构)机电混合式对接机构，后称为APAS-89，如图1-4所示。机电混合式对接机构具有重量轻、结构紧凑、结构刚度大、承载能力强等优点。苏联的暴风雪号航天飞机与和平号空间站的对接，以及美国阿特兰蒂斯号航天飞机与和平号空间站的“晶体”舱的对接都使用该种对接机构[17，18]。
图1-4机电混合式对接机构(APAS-89)
“轨道快车”计划是美国为开发空间自主机器人系统制定的一项较完整的在轨服务体系演示验证计划，属于美国绝密太空项目。该项目研发的系统具有在轨捕获功能，以及重量轻、轨道机动能力强等特点，其目的是为太空防御做基础。该系统采用的对接形式为三叉形对接机构直接捕获方式[19]，如图1-5所示。
图1-5三叉形对接机构直接捕获方式
美国“轨道快车”计划于1999年11月开始实施，到2007年3月才成功完成在轨试验，其涉及系统主要由未来星(next generation of satellite，NextSat)和太空自动化运输机器人(automated space transfer and robotic orbiter，ASTRO)组成[20]。两卫星同时发射，进入太空交换数据后再分离，然后ASTRO会主动捕捉NextSat，ASTRO先锁定NextSat并且与其接近，再伸出机器人手臂将NextSat拉到身边进行燃料补充、更换电池板等操作，甚至摧毁它。
杆-锥式对接机构如图1-6所示，早期应用于美国和苏联的对接实验，在登月计划、天空实验室工程以及联盟号载人飞船设计中均有应用[21]，随后不断改进为更完善的对接机构，并广泛应用于“进步”号货运飞船和“礼炮”号、“和平”号空间站等重要空间设备中。
图1-6苏联研制的杆-锥式对接机构
除了美国和苏联这两个航天大国提出的对接机构形式以外，还有其他形式的对接机构，如日本工程试验卫星ETS-Ⅶ的末端执行机构ERA和ARH，它们是世界上昀早成功验证自主在轨捕获技术的对接机构，如图1-7所示。该机构
的末端安装有多种传感器以提高抓接的灵敏度，同时该机构可用于完成包括加
注燃料、更换模块在内的精确操作任务[22，23]。
图1-7 ETS-Ⅶ
HTV飞船是日本*立研制的无人货运飞船，其主要任务是向国际空间站运送补给，于2009年9月进行了*飞并成功与国际空间站对接。 HTV飞船的对接系统由三菱电机株式会社开发，主要由近旁通信系统、 PROX天线、 PROX-GPS天线、PROX沟通设备以及硬件指令面板构成。 HTV飞船依靠全球定位系统(global positioning system，GPS)飞到国际空间站下方，然后在安装于国际空间站的日本核心舱段希望号实验舱下方的接收会合激光的反射器和飞船的激光雷达的共同作用下，实施会合机动。当HTV飞船与国际空间站的相对距离为10m时，飞船关闭轨控和姿控发动机，开始进入“自由飘浮”状态，等待被国际空间站上的航天员操纵机械臂捕获，随后被拉到对接口位置实施对接，如图1-8所示，这是国际空间站**次采用这种方式与来访航天器进行对接[24，25]。
加拿大研制的专用灵巧机械手(special purpose dextrous manipulator，SPDM)运动机械臂，如图1-9所示。它挂载于空间站遥控机械臂系统(space station remote manipulator system，SSRMS)上，其基座设计为可移动式，并且手臂末端运动控制非常灵活，可以自主完成多种精密工作[26，27]。
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