空间对接机构自动对接控制方案

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1、载人航天2011年第4期空间对接机构自动对接控制方案朱朝晖励吉鸿(上海宇航系统工程研究所)摘要介绍对接机构自动对接控制的系统方案、可靠性设计，并总结了控制方案特点。自动对接控制技术作为航天器交会对接的关键技术，在我国载人航天交会对接任务实现中具有重要意义，可供对接机构的对接控制应用参考。关键词交会对接对接机构自动对接分类号V526文献标识码A文章编号1674—5825(2011)04—0024—041引言从20世纪60年代开始，美国、前苏联，俄罗斯分别实现了“双子星”飞船与“阿金纳”目标飞行器的人控交会对接和两艘“联盟”号飞船之间的自动交会对接，到目

2、前为止世界上已进行了200多次航天器空间交会对接活动。空间交会对接是一个非常复杂的控制过程，其控制方式分为人工控制方式和自动控制方式。美国和前苏联／俄罗斯都发展了交会对接的人控和自控技术，美国航天飞机的交会对接的最后靠拢和对接段都是由航天员人控完成11I。前苏联／俄罗斯则侧重于采用自动控制，比如载人“联盟号”飞船和无人的“进步号”货运飞船，都是以人工控制作为备份，人工控制仅仅在自动控制系统出现故障时使用，以完成交会与对接任判4--61。我国的载人航天，已经完成了将航天员送入太空并安全返回的历史突破，现在正处于战略第二步的关键阶段，在这个时期我国将实现

3、交会对接，并建立短期有人照料，长期自主运行的空间实验室。其中空间交会对接技术是第二步战略实现的重大关键技术。空间交会对接技术分为空间交会和空间对接，空间交会是指追踪航天器与目标航天器在空间轨道上按预定位置和时间进行相会，空间对接是在完成交会后两航天器在空间轨道上经过一系列对接动作，最后紧固连接成一个组合体航天器的过程。空间对接主要是由对接机构系统的主动对接机构和被动对接机构联合完成的，对接过程是由两个航天器系统与对接机构密切相关的多系统之间的协同配合共同完成。本文介绍我国对接机构自动对接控制的系统方案、可靠性设计及方案特点12]。2对接机构方案根据载

4、人飞船的任务和今后的发展特点，空间对接机构以采用导向板内翻的异体同构周边式构型为宜，国际空间站也采用此接口。该方案的特点是：通用化程度高，通道直径大，对接刚度强，适用于大型航天器，但机构相对较为复杂。根据载人飞船对接机构分系统的任务和功能要求，对接机构工作过程分为以下阶段：对接准备阶段、对接阶段、组合体飞行阶段、分离阶段。对接机构工作过程见图l所示：对接段是指从对接机构接触到两航天器对接完成的飞行阶段，自动对接是在对接段对接机构完成的控制过程，正常对接由对接机构控制系统自动来稿日期：201l_01—26；惨回日期：2011--06-13。作者简介：朱

5、朝晖(1971．11-)，男，硕士，高工。主要从事空间对接机构控制系统设计工作。项目来源：上海市科学委员会资助项目06dZ2210524工程技术载人航天2011年第4期，交会、、k．对接准备一，il接触1lJI【捕获lJl自动校正I强制校正1II拉I叫，密封lf气密性检查I、开舱门1分离准备l对接锁解锁．{：．自主飞行j—弋一‘交会／对接准备段对接段联合飞行段分离段围1对接机构工作过程完成63控制方案设计控制方案的设计主要包括了以下几方面的设计(见图2)：控制原理设计、系统组成设计、信息流设计、控制流程设计、接口设计、驱动控制设计、软件设计等程控、遥

6、控指令多方面的设计内容，结合系统控制回路的可靠性设计，使控制系统能够实现可靠的对接控制。3．1控制原理空间对接控制采用的是自动控制为主，有人情况下即通过地面的有限支持，辅以航天员手控的自主对接系统，手控对接是作为备份的控制手段，控制系统原理框图见图2所示。通过以上设计指导原则，对接机构对接控制方案实现以下功能：(1)自动对接：以自动控制模式为主，采用三模冗余方式实现，按照规定的时序自动完成对接与分离，配备必要的故障检测信号和应急处理指令；(2)手动对接：除自动控制外，对接机构还具备接受航天员手控指令完成对接与分离控制的能力，手动控制电路作为备份，配备

7、必要的遥测信号和完整的手控指令；(3)状态测量：设置完整的对接机构遥测信号在对接各阶段机构状态的实时监测；(4)故障应对：地面测试及在轨运行期间，对接机构手动控制电路具有独立接收遥控指令、发送遥测参数并完成紧急故障处理的能力。3．2三机冗余设计针对对接机构的任务特点控制方案自动控制部分选择了嵌入式三机热冗余表决机制控制系统，嵌入式控制系统的冗余设计是作为控制系统冗余设计的关键部分。三机冗余方案主要由三路独立的计算机单元和表决仲裁输出单元组成，制定仲裁表决原则是要采用多数表决的方案最大程度地消除故障对电路系统的影响，保证在产品内部出现电路故障时仍能的完

8、成自动对接任务。仲裁表决原则是：在三机硬件状态都正常时，对控制信号和发送的状态数据进·⋯⋯⋯-·J自动拧制电