前向交會對接飛行試驗驗證方案分析

黃海兵 李九人 徐小平

（1國防科學技術大學航天與材料工程學院 2中國空間技術研究院）

1 引言

空間站由于長期在軌運行，需要間歇性地進行乘員輪換[1]和消耗品補給。在空間站階段，除了貨運飛船的后向對接外，還有載人飛船和實驗艙段的前向對接[2]。在空間實驗室任務中，載人飛船和貨運飛船均采用后向對接方案，為了在空間實驗室任務期間開展前向對接試驗驗證，完全掌握交會對接技術，有必要對前向交會對接試驗驗證開展飛行方案分析。

本文是在現有交會對接方案的基礎上，對在空間實驗室任務中開展前向交會對接試驗驗證的飛行方案進行了專題分析，給出了可能的飛行方案和初步分析結果。

2 繞飛方案

2.1 方案設想

聯盟飛船在近距離導引段的末段，由于預計的對接口指向可能與當前的逼近方向不一致。為了對準目標航天器對接軸，飛船需要在距目標航天器400m～200m 的距離上進行繞飛[3]，轉移到+V-bar、-V-bar、R-bar上的對接口或慣性對接口所需要的逼近線上（圖1）。繞飛一般采用二沖量轉移，根據對接軸方向的不同，其沖量可能具有徑向和軌道平面外的分量。而徑向與軌道平面外轉移都是周期運動，在一個軌道周期后仍會回到出發點。

結合交會對接方案，在開展空間實驗室的前向對接飛行試驗時，飛船繞飛前空間實驗室仍采取前向對接口朝后的倒飛模式，首先通過地面導引段和尋的段，將飛船導引至空間實驗室正后方5km處，如考慮接近段，可繼續導引至空間實驗室正后方在400m處，根據飛船繞飛的起點和終點的不同，飛船從后方繞飛至前方的飛行方案主要包括以下四種：方案a，從正后方5km繞飛到正前方400m；方案b，從正后方400m繞飛到正前方400m；方案c，從正后方400m繞飛到正前方150m；方案d，從正后方150m繞飛到正前方150m。

圖1 聯盟/進步號的繞飛逼近相對軌道

2.2 算例分析

由于是在V-bar上轉移，算例采用徑向兩脈沖CW制導，針對上述4種飛行方案開展了仿真分析，表1給出了四種方案的相關仿真結果對比，其中盲區時間是指在繞飛過程中，軌跡在交會雷達視場外的時間，交會雷達在軌道面內的視場角范圍取為[-20°，70°]。表1中的制導精度是CW方程軌道外推和高精度軌道預報之間的差異。本文只是對前向交會對接試驗驗證的飛行方案進行初步設計與分析，并沒有考慮在繞飛過程中交會雷達的安裝和測量誤差、變軌執行誤差、大氣模型誤差等。圖2給出了不同方案繞飛過程中的視場角變化曲線，可見，不同飛行方案交會雷達的總的盲區時間相差無幾，只是進入盲區時間有先后的差別。為了保證飛船在繞飛過程中有足夠的交會雷達測量時段，考慮將空間實驗室的偏航180°姿態機動安排在飛船進入盲區之后，出盲區時機動完畢，在此期間，飛船也進行偏航180°姿態機動，這樣可保證飛船能夠盡早地捕獲空間實驗室。圖3給出了空間實驗室和飛船在盲區同時偏航180°后方案c繞飛過程中交會雷達測量情況的示意。

表1 不同方案對比

圖2 不同方案繞飛過程視場角變化關系

從4種飛行方案的技術繼承性來看，方案a和c較好，主要是由于方案a和c沒有增加額外的飛行階段和時間，只是將原來的接近段換成繞飛段而已，仍能夠滿足對接過程的測控要求，而方案b和d相比原有對接方案，在最后平移靠攏段會增加半個軌道周期的繞飛段，將會帶來對接過程星下點的后移，可能難以滿足對接過程在我國上空的需求。

圖3 方案c繞飛過程交會雷達測量情況

3 無繞飛方案

3.1 方案設想

參考后向對接過程的尋的段方案，如果把尋的段終點瞄準至正前方400m和5km時，可以在后續接近段避免繞飛過程，將飛船飛越空間實驗室的過程提前至尋的段。由于尋的段采用三脈沖制導方案，在進行脈沖計算時包括第一次脈沖直接瞄準尋的段終端狀態和第一次脈沖按最小范數解兩種情況。因此，無繞飛方案也可以分為以下四種：方案e，第一次脈沖直接瞄準正前方400m；方案f，第一次脈沖按最小范數解瞄準正前方400m；方案g，第一次脈沖直接瞄準正前方5km；方案h，第一次脈沖按最小范數解瞄準正前方5km。

3.2 算例分析

同樣，針對無繞飛情況的4種方案也開展了仿真分析，表2給出了四種方案的相關仿真結果對比，圖4為不同方案的視場角變化曲線。

表2 不同方案對比

圖4 不同飛行方案視場角變化關系

方案e和方案f直接將尋的段終端狀態瞄準至正前方400m，這種方案相當于直接把后向對接過程中的接近段合并，這樣會帶來對接時間提前和對接點位置前移的影響。方案g和h由于在飛行時間和飛行階段上和前期方案基本一致，后續的接近段和平移靠攏段可參照后向對接方案，對接時刻及對接點位置也都和后向對接方案類似。

4 結論

在空間實驗室任務期間開展前向交會對接飛行試驗可以為空間站階段載人飛船和實驗艙的前向對接提供驗證機會。由分析結果可知，無論采取有無繞飛的飛行方案，飛船從下方飛越空間實驗室轉移至正前方的過程中，交會雷達都存在一段時間的盲區。建議在交會雷達的這段盲區內，只需飛船和空間實驗室一起進行偏航180°機動，完成“太空雙人跳”動作，而無需對空間實驗室添加任何設備的基礎上，即可完成前向交會對接驗證任務。另外，考慮到試驗驗證飛行方案要相對前期工程狀態改變盡可能小，建議采用正后方5km繞飛至正前方400m和直接將尋的段終端瞄準至正前方5km兩種飛行方案，能保證后續飛行階段的方案和時間與后向交會對接方案基本一致。 ◇

［1］周曉飛等譯.聯盟號飛船［M］.北京：中國宇航出版社，2006.

［2］朱仁璋.航天器交會對接技術［M］.國防工業出版社，2007.

［3］李東旭等譯.航天器自主交會對接技術［M］.國防科技大學出版社，2009.