追趕航天大國，印度首次嘗試空間交會對接_風聞

作者：蘭順正

首發自：《中國航天報》

當地時間2024年12月30日晚10點，極地衞星運載火箭（PSLV-C60）從印度薩迪什·達萬航天中心發射，將兩顆衞星（每顆220公斤）送入475公里的圓形軌道。這兩顆衞星屬於“太空對接實驗”（SpaDeX）任務，用於執行印度首次太空對接測試飛行任務。按計劃在2025年1月7日，兩顆衞星會進行第一次測試交會操作，如果成功，印度將成為世界上第5個掌握空間交會對接技術的國家。

航天器交會對接技術，指的是在空間運行的兩個航天器通過軌道參數的協調，在同一時刻以同樣的速度到達同一個地點，並通過專門的對接機構將兩個航天器對接起來形成一個組合航天器所需要全部技術。交會對接一般是發射一個航天器，與已經在軌道上等待的另一個航天器或空間站進行交會對接。兩個航天器在太空進行交會對接飛行有明確的分工，一個是被動的，基本不作機動飛行，稱為目標飛行器；另一個是主動的，要不斷調整飛行軌道，主動接近目標飛行器，稱為追蹤飛行器。

交會對接對於人類探索太空有着重要的意義。首先，它實現了天地往返航天器（如宇宙飛船）與在軌長期運行的航天器（如空間站）的停靠和連接，為航天員提供了進入太空站點的通道。這是空間站建造和運營的基礎，使得長期有人照料的空間站成為可能。

同時交會對接技術還是在軌服務和星際探測等航天活動的重要保障。通過交會對接，可以實現在軌航天器的維修、升級、燃料補給等功能，延長航天器的使用壽命。並且在未來的深空探測任務中，交會對接技術也將發揮關鍵作用，支持探測器之間的物資交換和協同作業。

而對於大型航天器，如空間站，由於其結構複雜、體積龐大，不可能將所有設備和人員一次性發射升空。因此，必須將大型航天器分成多個模塊，逐步發射到太空，再通過交會對接技術組裝成整體。交會對接技術則是實現這一目標的必要條件，也是空間站建造的根本。

航天器交會對接過程是十分精密和複雜的。大致可以分為地面導引、自動尋的段、接近停靠、對接合攏幾個階段。

以中國神舟飛船與天宮空間站的交會對接為例，在地面導引階段，追蹤飛行器在地面控制中心的控制下，經過若干次變軌機動，進入到追蹤飛行器上的敏感器能捕獲到目標飛行器的範圍，這個範圍一般為15～100公里。

在自動尋的階段，追蹤飛行器根據自身攜帶的微波和激光敏感器測得的與目標飛行器的相對運動參數，自動引導追蹤飛行器到目標飛行器附近的初始瞄準點，這個瞄準點一般距目標飛行器0.5～1公里。

在接近停靠階段，追蹤飛行器首先要捕獲目標飛行器的對接軸，當對接軸線不沿軌道飛行方向時，要求追蹤飛行器在軌道平面外進行繞飛機動，以進入對接走廊，此時兩個飛行器之間的距離約100米，相對速度約3～1米/秒。追蹤飛行器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統精確測量兩個飛行器之間的距離、相對速度和姿態，同時啓動小發動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最後逼近。

在對接合攏前階段，追蹤飛行器關閉發動機，以0.15～0.18米/秒的停靠速度與目標相撞，最後利用對接裝置使兩個航天器在結構上緊緊連在一起，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接，這個時候，兩個飛行器組成一個組合體聯合飛行，再進行對接面的各項檢查，特別是密封情況的檢查，確認密封沒有問題後，交會對接過程就完成了。此時，航天員就可以打開艙門，進入主航天器裏面，進行換班交接和貨物的轉運。

根據報道，此次印度的太空交會對接試驗流程如下：

PSLV-C60火箭將兩個航天器送入高度約470公里、傾角55°的圓形軌道；通過精確控制，發射時為目標和追蹤航天器提供微小的相對速度，使它們在一天內達到10-20公里的相互間距；隨後追蹤航天器將逐步接近目標航天器，經過5公里、1.5公里、500米、225米、15米和3米的距離，最終實現對接；成功對接並固定後，將演示兩顆衞星之間的電力傳輸，然後分離，開始各自的有效載荷操作，預期任務壽命可達兩年。

而在此次對接試驗中，印度將會驗證多項核心技術。在對接機構上，印度採用了一種低衝擊對接系統，接近速度約為10毫米/秒，採用“異體同構”設計，即追蹤航天器和目標航天器的對接系統相同，並且是當前國際主流的周邊式對接系統。該對接系統的好處是通用性好，兩個航天器對接裝置相同，生產維護相當便利。目前中美俄的對接系統轉移通道直徑約800毫米，印度試驗型的對接系統直徑約450毫米。

而兩顆衞星距離達到5公里時，會採用印度空間研究組織低地球軌道航天器中所運用的標準軌道維持和姿態控制算法。由於航天器處於圓形軌道，對衞星速度的任何增減都會導致軌道變化，因此採用了基於多脈衝（n-Pulse）、下滑道（Glideslope）以及比例導引（PV）制導算法的V-bar策略，以縮小衞星間的距離，在固定的衞星間距離處保持穩定，以便對傳感器和軟件進行評估，最終實現對接。這些算法被轉化為軟件，用於實現交會和對接。

另外在航天器定位方面，兩顆衞星都搭載了基於差分全球導航衞星系統的衞星定位系統，提供定位、導航與授時功能。通過對追蹤航天器和目標航天器的SPS接收機中來自相同全球導航衞星系統衞星的載波相位測量值做減法運算，便可確定這兩顆衞星高度精確的相對狀態。兩顆衞星的甚高頻/特高頻收發器通過星間鏈路，將全球導航衞星系統衞星的測量數據從一顆衞星傳輸至另一顆衞星。

除了主要任務外，PSLV-C60火箭還搭載一個二級有效載荷模塊，搭載了來自各個初創公司、工業界、學術界和ISRO中心的24個不同的實驗裝置，其中包括RRM-TD行走機械臂和太空碎片捕獲機械手。RRM-TD是印度第一台具有行走能力的太空機械臂，也有7個自由度，可爬行到指定位置。太空碎片捕獲機械手利用視覺伺服和物體運動預測來捕獲繫繩連接的碎片。在首次實驗成功演示之後，未來將具備捕獲自由漂浮碎片，以及為繫繩連接和自由漂浮的航天器進行燃料加註的能力。

客觀而言，如果此次印度的相關試驗取得成功，那麼其在太空領域確實前進了一大步。空間交會對接技術印度的太空雄心至關重要：就月球探測與採樣返回任務而言，除了已經規劃的“月船四號”任務外，印度未來還可能開展更多的月球探測任務。在這些任務中，空間交會對接技術將幫助探測器在月球軌道上完成樣本轉移、對接和返回艙的分離等操作，為月球科學研究和資源利用提供重要支持。而且印度計劃在2035年前擁有自己的空間站——“Bharat Antariksha Station”（BAS）。這一空間站將由多個艙段組成，重量從25噸增加到52噸，尺寸長達27米、寬達20米。在空間站的建設和運營過程中，空間交會對接技術無疑將起到至關重要的作用。

不過相比中美俄等國，印度方面還是存在不小的差距。如前文所述，交會對接技術最終服務的是載人航天，而有人蔘與的交會對接與無人蔘與的交會對接要求差別很大，前者必須把航天員的安全放在第一位，條件十分苛刻，能夠進行無人蔘與的交會對接只是其基礎和前提。目前中美俄的載人交會對接技術已經非常成熟，而印度的載人航天工程卻遲遲不見成果，因此印度要在相關領域追趕上其他航天大國還有很長的路要走。