太空中的“镜头转接环”

常用“摄影穷三代，单反毁一生”来对自己追求装备和摄影作品的高质量加以自嘲和调侃的人一定使用过镜头转接环。这个“不起眼的小部件”在为不同镜头与相机配合使用以达到“长短搭配”目的的同时，还大大降低了单反摄影的成本，使得拍摄者不至于为了一次完美的外拍而“倾其所有”。正是出于对太空活动中：便捷、高效、安全和成本因素的考虑，人类将这种“四两拨千金”的巧妙机械设计应用到了环绕地球飞行的空间站建设中。

从IDA说起

2010年10月19日国际空间站多边协调委员会MCB通过了《国际对接系统标准》（IDSS），为未来执行低轨和深空探测任务的航天器提供通用接口规范，从而为不同航天器的对接提供标准支持。根据该标准对接接口的物理特征和设计规范而制造的对接转换接口，其作用是将目前正在使用的“异体同构周边式连接系统”（АПАС-95）替换为符合新的国际对接系统标准IDSS，这将有助于简化国际空间合作项目研制过程，为可能的国际空间救援合作提供条件。 2016年7月18日美国太空探索技术公司SpaceX利用“猎鹰９”（Falcon 9）火箭发射“龙”（Dragon) 货运飞船，为国际空间站送去一个可供未来美国商业载人飞船使用的对接端口。这个对接端口即“国际对接转换接口”（IDA - International Docking Adapter），采用的对接系统标准正是IDSS。IDA-2将在未来能让载人飞船自动跟ISS完成对接。这个直径为1.6米的大型“转接环”最终将被安装在“和谐”号节点舱(Harmony)上。这是地面向ISS运送的第二个IDA，第一个却因为火箭发射失败而告终。美国计划将在国际空间站上的“团结”号节点舱和“和谐”（Unity）号节点舱上的加压适配器（PMA）上安装这一对接端口装置。

▲“龙”货运飞船通过IDA对接转换接口与空间站对接

▲IDA-1

空间对接机构

提到对接端口，不得不先给列位看官提一下空间交会对接时必不可少的“空间对接机构装置”。两个航天器在太空中实现交会对接需要依靠空间对接机构完成。这类对接机构主要分为：杆-锥式对接机构和周边式对接机构。杆-锥式对接机构的优点是结构简单、自身质量和外形较小。缺点则是通道狭小，不能为航天员提供进出通道，且每个部分功能不能互换。为了能使航天员和货物方便的直接通过对接后形成的通道进出对接航天器系统，前苏联和美国于1975年共同研发了导向瓣外翻的周边式对接机构（АПАС-75），并在此后相继研发了改进型号АПАС-89和АПАС-95，以应对越来越重、越来越大的航天飞机、货运飞船及载人飞船与空间站对接的问题。周边式对接机构（APAS，[俄] АПАС- Андрогинно-периферийный агрегат стыковки）由均匀分布在捕获环上的三个导向瓣和捕捉锁实现捕获，再用一套传动机构实现拉紧。刚性连接方式与杆-锥式对接机构类似，但在对接机构中间留出了一个通道。航天员与空间站货物正是通过这个“生命通道”往来于空间站与运输飞船。这个过程就如同将转接环扭在相机上，然后再将镜头拧在转接环，使得光路准直经过镜头和转接环最终到达传感器一样。目前中国和俄罗斯采用的就是周边式对接机构设计。

▲АПАС-95被动对接部分

▲АПАС-95主动对接部分

▲航天飞机与空间站对接时，АПАС-95（中间白色/银色部分）与PMA-3（上部黑色/银色部分）对接完成时的状态。

新对接转换接口的研发背景

随着人类空间项目的发展，特别是深空探测活动的持续开展，高效、稳定、安全、便捷的对接装置称为迫切需要解决的瓶颈问题。自动化程度高、可靠的对接装置不仅为地球与低轨道空间站之间互通提供保障条件，还为下一步人类奔向更远的深空打下基础。各航天大国根据本国航天技术发展所采取的研制策略也决定了对接装置的研究方向。美国在放弃航天飞机计划后，改为发展运输飞船计划。5年的“无船可用”的境况下，只得完全依靠俄罗斯“进步”号（Прогресс）和“联盟”号（Союз）将物资和宇航员送入空间站。由于政府预算缩减，美国一些主要的卫星发射系统都需依赖于来自俄罗斯并在那儿建造强力发动机。正如美国国家航空航天局(NASA)局长Charlie Bolden所说，美俄这段合作关系经历了很多政治危机，但这个由科学家、工程师和宇航员组成的群体合作却异常愉快。俄国太空项目仍然是美国在国际空间站上非常有能力、成本效益较高的可靠伙伴。但是经历了这些年发射苦楚的窘境后，美国人意识到太空领域独立的运输能力的至关重要性。没有人怀疑过美国将本国宇航员独立发送至太空能力的重要性，然而，美国宇航局的预算无法同时满足太空飞船的运行和新系统的研发。美国的商用太空飞船计划正是在这背景下应运而生。随着国际空间站项目周期的不再延续，俄罗斯和美国将不得不各自独立发展自己的空间站计划。美国在此之前对国际空间站美国舱的改造及此次IDA2的安装被外界如此重视也就不足为奇了。

对接转换接口深空探测应用前景

无论是目前正在稳步使用的APAS还是即将大规模应用的IDA都将在人类未来的深空探测活动中发挥重要作用。“小小的转接环”不但将运输飞船和空间站紧密联系在一起，还将使在深空探测旅程中的不同航天器的交会过程变得简单。可以设想，在月球表面行驶的载人月球车与月球基地舱室顺利对接的场景；在我们去往火星的旅程中，随即赶上的运输飞船为我们送来急需给养；亦或是与围绕木星飞行，等候我们多时的探测飞船对接的那一刹的激悦心情，这一切无不是建立在航天基础技术之上。未来帮助人类实现深空探测梦想的可能是建立在不同标准基础之上的对接技术，然亦可谓“殊途同归”。

▲电影《火星救援》中的对接场景

空间对接大事记

1966年3月17日，双子星8号宇航员进行了人类首次太空对接。

1975年7月15日，美国和苏联宇航员首次驾驶飞船在太空对接。在太空中，只有人类，没有敌“人”。

1978年，苏联“礼炮六号”空间站首次实现了在轨加注，目前，国际空间站已经成功进行多次在轨加注工作。

1995年6月29日，美国阿特兰蒂斯号航天飞机与俄罗斯和平号空间站在太空实现首次对接。

2001年9月17日俄罗斯“码头”号（Pirs）多功能对接舱首次安装到国际空间站。“码头”多功能对接舱由俄罗斯“能源”火箭航天公司研制，重约４吨，体积为１３立方米。对接舱一端与“星辰”号服务舱连接，另一端的对接装置能与“进步”系列货运飞船和“联盟”系列载人飞船对接。对接舱的一侧还有一个隔舱，当宇航员穿上宇航服，调节好隔舱中的气压后，就可以打开隔舱门进行太空行走。多功能舱对接舱有助于增加国际空间站与地面间的货物、人员运输。

2013年6月16日我国神舟九号飞船成功发射，搭载三名航天员进入太空，实施首次载人空间交会对接任务。首次实施手动交会对接、航天员首次进入天宫一号滞留、首次有女航天员飞行、首次实现十多天的载人飞行……

2016年7月18日美国太空探索技术公司利用“猎鹰９”火箭发射“龙”货运飞船，为国际空间站送去一个可供未来美国商业载人飞船使用的对接端口。

2016年9月中旬，我国将择机发射天宫二号空间实验室；2016年10月中旬，发射神舟十一号飞船，搭乘2名航天员，与天宫二号对接，进行人在太空中期驻留试验；在此之前，将在文昌卫星发射中心进行长征七号运载火箭首飞试验，通过考核后将于2017年4月中旬，用长征七号运载火箭发射天舟一号货运飞船，与天宫二号对接，开展推进剂补加等相关试验。天舟货运飞船将主要用于对中国未来空间站在轨运行期间，提供补给支持。

从2018年起，中国将陆续发射空间站的核心舱和实验舱，2020年左右建成空间站，而空间站正常运行的条件之一就是掌握在轨对接和加注技术。

作者：鲁暘筱懿, 行星物理博士。