太空中的“鏡頭轉接環”

常用“攝影窮三代，單反毀一生”來對自己追求裝備和攝影作品的高質量加以自嘲和調侃的人一定使用過鏡頭轉接環。這個“不起眼的小部件”在為不同鏡頭與相機配合使用以達到“長短搭配”目的的同時，還大大降低了單反攝影的成本，使得拍攝者不至于為了一次完美的外拍而“傾其所有”。正是出于對太空活動中：便捷、高效、安全和成本因素的考慮，人類將這種“四兩撥千金”的巧妙機械設計應用到了環繞地球飛行的空間站建設中。

從IDA說起

2010年10月19日國際空間站多邊協調委員會MCB通過了《國際對接系統標準》（IDSS），為未來執行低軌和深空探測任務的航天器提供通用接口規范，從而為不同航天器的對接提供標準支持。根據該標準對接接口的物理特征和設計規范而制造的對接轉換接口，其作用是將目前正在使用的“異體同構周邊式連接系統”（АПАС-95）替換為符合新的國際對接系統標準IDSS，這將有助于簡化國際空間合作項目研制過程，為可能的國際空間救援合作提供條件。 2016年7月18日美國太空探索技術公司SpaceX利用“獵鷹９”（Falcon 9）火箭發射“龍”（Dragon) 貨運飛船，為國際空間站送去一個可供未來美國商業載人飛船使用的對接端口。這個對接端口即“國際對接轉換接口”（IDA - International Docking Adapter），采用的對接系統標準正是IDSS。IDA-2將在未來能讓載人飛船自動跟ISS完成對接。這個直徑為1.6米的大型“轉接環”最終將被安裝在“和諧”號節點艙(Harmony)上。這是地面向ISS運送的第二個IDA，第一個卻因為火箭發射失敗而告終。美國計劃將在國際空間站上的“團結”號節點艙和“和諧”（Unity）號節點艙上的加壓適配器（PMA）上安裝這一對接端口裝置。

▲“龍”貨運飛船通過IDA對接轉換接口與空間站對接

▲IDA-1

空間對接機構

提到對接端口，不得不先給列位看官提一下空間交會對接時必不可少的“空間對接機構裝置”。兩個航天器在太空中實現交會對接需要依靠空間對接機構完成。這類對接機構主要分為：桿-錐式對接機構和周邊式對接機構。桿-錐式對接機構的優點是結構簡單、自身質量和外形較小。缺點則是通道狹小，不能為航天員提供進出通道，且每個部分功能不能互換。為了能使航天員和貨物方便的直接通過對接后形成的通道進出對接航天器系統，前蘇聯和美國于1975年共同研發了導向瓣外翻的周邊式對接機構（АПАС-75），并在此后相繼研發了改進型號АПАС-89和АПАС-95，以應對越來越重、越來越大的航天飛機、貨運飛船及載人飛船與空間站對接的問題。周邊式對接機構（APAS，[俄] АПАС- Андрогинно-периферийный агрегат стыковки）由均勻分布在捕獲環上的三個導向瓣和捕捉鎖實現捕獲，再用一套傳動機構實現拉緊。剛性連接方式與桿-錐式對接機構類似，但在對接機構中間留出了一個通道。航天員與空間站貨物正是通過這個“生命通道”往來于空間站與運輸飛船。這個過程就如同將轉接環扭在相機上，然后再將鏡頭擰在轉接環，使得光路準直經過鏡頭和轉接環最終到達傳感器一樣。目前中國和俄羅斯采用的就是周邊式對接機構設計。

▲АПАС-95被動對接部分

▲АПАС-95主動對接部分

▲航天飛機與空間站對接時，АПАС-95（中間白色/銀色部分）與PMA-3（上部黑色/銀色部分）對接完成時的狀態。

新對接轉換接口的研發背景

隨著人類空間項目的發展，特別是深空探測活動的持續開展，高效、穩定、安全、便捷的對接裝置稱為迫切需要解決的瓶頸問題。自動化程度高、可靠的對接裝置不僅為地球與低軌道空間站之間互通提供保障條件，還為下一步人類奔向更遠的深空打下基礎。各航天大國根據本國航天技術發展所采取的研制策略也決定了對接裝置的研究方向。美國在放棄航天飛機計劃后，改為發展運輸飛船計劃。5年的“無船可用”的境況下，只得完全依靠俄羅斯“進步”號（Прогресс）和“聯盟”號（Союз）將物資和宇航員送入空間站。由于政府預算縮減，美國一些主要的衛星發射系統都需依賴于來自俄羅斯并在那兒建造強力發動機。正如美國國家航空航天局(NASA)局長Charlie Bolden所說，美俄這段合作關系經歷了很多政治危機，但這個由科學家、工程師和宇航員組成的群體合作卻異常愉快。俄國太空項目仍然是美國在國際空間站上非常有能力、成本效益較高的可靠伙伴。但是經歷了這些年發射苦楚的窘境后，美國人意識到太空領域獨立的運輸能力的至關重要性。沒有人懷疑過美國將本國宇航員獨立發送至太空能力的重要性，然而，美國宇航局的預算無法同時滿足太空飛船的運行和新系統的研發。美國的商用太空飛船計劃正是在這背景下應運而生。隨著國際空間站項目周期的不再延續，俄羅斯和美國將不得不各自獨立發展自己的空間站計劃。美國在此之前對國際空間站美國艙的改造及此次IDA2的安裝被外界如此重視也就不足為奇了。

對接轉換接口深空探測應用前景

無論是目前正在穩步使用的APAS還是即將大規模應用的IDA都將在人類未來的深空探測活動中發揮重要作用。“小小的轉接環”不但將運輸飛船和空間站緊密聯系在一起，還將使在深空探測旅程中的不同航天器的交會過程變得簡單。可以設想，在月球表面行駛的載人月球車與月球基地艙室順利對接的場景；在我們去往火星的旅程中，隨即趕上的運輸飛船為我們送來急需給養；亦或是與圍繞木星飛行，等候我們多時的探測飛船對接的那一剎的激悅心情，這一切無不是建立在航天基礎技術之上。未來幫助人類實現深空探測夢想的可能是建立在不同標準基礎之上的對接技術，然亦可謂“殊途同歸”。

▲電影《火星救援》中的對接場景

空間對接大事記

1966年3月17日，雙子星8號宇航員進行了人類首次太空對接。

1975年7月15日，美國和蘇聯宇航員首次駕駛飛船在太空對接。在太空中，只有人類，沒有敵“人”。

1978年，蘇聯“禮炮六號”空間站首次實現了在軌加注，目前，國際空間站已經成功進行多次在軌加注工作。

1995年6月29日，美國阿特蘭蒂斯號航天飛機與俄羅斯和平號空間站在太空實現首次對接。

2001年9月17日俄羅斯“碼頭”號（Pirs）多功能對接艙首次安裝到國際空間站。“碼頭”多功能對接艙由俄羅斯“能源”火箭航天公司研制，重約４噸，體積為１３立方米。對接艙一端與“星辰”號服務艙連接，另一端的對接裝置能與“進步”系列貨運飛船和“聯盟”系列載人飛船對接。對接艙的一側還有一個隔艙，當宇航員穿上宇航服，調節好隔艙中的氣壓后，就可以打開隔艙門進行太空行走。多功能艙對接艙有助于增加國際空間站與地面間的貨物、人員運輸。

2013年6月16日我國神舟九號飛船成功發射，搭載三名航天員進入太空，實施首次載人空間交會對接任務。首次實施手動交會對接、航天員首次進入天宮一號滯留、首次有女航天員飛行、首次實現十多天的載人飛行……

2016年7月18日美國太空探索技術公司利用“獵鷹９”火箭發射“龍”貨運飛船，為國際空間站送去一個可供未來美國商業載人飛船使用的對接端口。

2016年9月中旬，我國將擇機發射天宮二號空間實驗室；2016年10月中旬，發射神舟十一號飛船，搭乘2名航天員，與天宮二號對接，進行人在太空中期駐留試驗；在此之前，將在文昌衛星發射中心進行長征七號運載火箭首飛試驗，通過考核后將于2017年4月中旬，用長征七號運載火箭發射天舟一號貨運飛船，與天宮二號對接，開展推進劑補加等相關試驗。天舟貨運飛船將主要用于對中國未來空間站在軌運行期間，提供補給支持。

從2018年起，中國將陸續發射空間站的核心艙和實驗艙，2020年左右建成空間站，而空間站正常運行的條件之一就是掌握在軌對接和加注技術。

作者：魯暘筱懿, 行星物理博士。