在神舟十一號即將發射之際，我們有必要回顧空間交會對接技術的發展歷史。
一、 交會對接技術概述
什麼是交會對接技術
空間交會對接技術是指追蹤飛行器與目標飛行器在空間軌道上交會，並在結構上連成一個整體的技術。空間交會對接最有特點、最具難度的技術是對接機構和測量導航控制技術。它有如下三方面的作用：一是可以彌補火箭運載能力不足，完成大型空間站的組裝；二是可以實現空間站等飛行器的補給、維修以及應急情況下航天員的救生；三是可以實現飛行器優化重構，組成飛往其他星體的飛行器。
了解「交會」、「對接」的兩個概念：
「交會」即兩個太空飛行器，在預定的時間，抵達一定的軌道和空間。
「對接」即是兩個太空飛行器連接在一起，在空間預定軌道上運行目標飛行器，去追蹤飛行器交會對接。
交會對接過程
在交會對接過程中，追蹤飛行器的飛行可以分為以下四個階段：
1 遠程導引段
在地面測控的支持下，追蹤飛行器經過若干次變軌機動，進入到追蹤太空飛行器上的敏感器能捕獲目標飛行器的範圍（一般為15～100千米）。
2 近程導引段
追蹤飛行器根據自身的微波和雷射敏感器測得的與目標飛行器的相對運動參數，自動引導到目標飛行器附近的初始瞄準點（距目標飛行器0.5～1千米）。
3 最終逼近段
追蹤飛行器首先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1～3米/秒。
4 對接停靠段
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的距離、相對速度和姿態，同時啟動小發動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最後逼近。在對接前關閉發動機，以0.15～0.18米/秒的停靠速度與目標相撞，最後利用栓-錐或異體同構周邊對接裝置的抓手、緩衝器、傳力機構和鎖緊機構使兩個飛行器在結構上實現硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。
圖1 交會對接任務飛行圖
空間交會對接的控制方式
空間交會對接的控制方式可以劃分為如下4種方式：（1）遙控操作：追蹤飛行器控制不依靠航天員，全部由地面站通過遙測和遙控來實現，這種方式要求全球設站或者有中繼衛星協助；（2）手動操作：在地面測控站的指導下，由航天員在軌道上對追蹤飛行器的姿態和軌道進行觀察和判斷，然後手動操作完成，這種要求航天員訓練有素，但對接成功率很高；（3）自動控制：不依靠航天員，由船載設備和地面站相結合實現交會對接，該控制方式亦要求全球設站或有中繼衛星協助； （4）自主控制：不依靠航天員與地面站，完全由船上設備自主實現交會對接。中國神舟八號飛船與天宮一號(微博)目標飛行器交會對接採用自動控制方式。
交會對接的對接結構類型
按不同的結構和原理，空間對接機構有四種：
「環-錐」式
「環-錐」式機構是最早期的對接機構，它由內截頂圓錐和外截頂圓錐組成。內截頂圓錐安裝在一系列緩衝器上，使它能吸收衝擊能量。這種結構曾用於美國的「雙子星座」飛船與「阿金納」火箭以及美國「雙子星座」飛船之間的對接等。
「杆-錐」式
「杆-錐」式機構（也叫「栓-錐」式結構）是在兩個太空飛行器對接面上分別裝有栓和錐的對接機構，即一個太空飛行器的對接機構內裝有接收錐，另一個太空飛行器上裝有對接碰撞杆，在對接時，碰撞杆漸漸指向接收錐內，接收錐將桿頭鎖定。由於這種對接結構不具備既有主動又有被動的功能，所以不利於實施空間營救。俄羅斯「聯盟」飛船與「禮炮」號空間站、「聯盟TM」飛船與「和平」號空間站，美國「阿波羅」登月艙與指令艙等的對接，都曾採用這種對接機構。
「異體同構周邊」式
「異體同構周邊」式對接機構可以克服「杆-錐」式機構的缺點，因為它滿足了下面兩個要求：
（1）對接機構是異體同構，使太空飛行器既可作主動方，也能作被動方，這一點對空間救援特別重要；
（2）對接機構必須是周邊的，即所有定向和動力部件都安裝於中央艙口的四周，從而保證中央成為來往通道空間。蘇聯「聯盟-19」飛船與美國「阿波羅-18」飛船、太空梭與「和平」號空間站、太空梭與國際空間站等對接，都採用這種對接機構。其中，太空梭與國際空間站的對接雖然仍採用「異體同構周邊」對接機構，但增加了先進的綜合測量系統，包括GPS導航接收系統、數據跟蹤與中繼導航與通信接收系統、微波交會雷達系統、雷射對接雷達系統、光學對接攝像系統等，此外，還包括航天員顯示裝置（空間六分儀、望遠鏡、顯示器、螢光屏等）。
圖 2 「異體同構周邊」式對接機構
工作過程：當兩個太空飛行器接近時，三塊導向瓣分別插入對方的導向瓣空隙處。對接框上的鎖緊機構使兩個太空飛行器保持剛性連接。
「抓手-碰撞鎖」式
「抓手-碰撞鎖」式機構是歐洲、日本研製的十字交叉和三點式對接機構。這兩種機構實際上性質相同，只是布局上的差別。前者在周邊布置四個抓手與撞鎖，後者在周邊布置三個抓手與撞鎖。這兩種對接機構都是無密封性能、無通道口的設計，適合與不載人太空飛行器之間的對接，如無人空間平臺、空間拖船等。
二、國外發展歷史
目前世界上有美國、 俄羅斯、 歐洲和日本研製的飛行器分別完成了與運行在地球軌道上目標飛行器的交會對接。1966 年 3 月 16 日，美國雙子星座 8 號飛船與由阿金納火箭末級改裝的對接目標實現了世界上首次交會對接。1967年 10 月，前蘇聯宇宙 188 號飛船與宇宙 186 號飛船實現了世界上首次無人自動交會對接。 1969 年 7 月，美國阿波羅登月艙與指令服務艙實現了首次月球軌道人控交會對接。歐洲和日本分別於 2008 和 2009年實現了自動轉移飛行器 ATV （ Automated Transfer Vehicle）和 H-II 轉運飛行器 HTV （ H-II Transfer Vehicle）與國際空間站的交會對接。迄今為止，美國和俄羅斯共計進行了 300 多次交會對接飛行，美、 俄的交會對接技術已經成熟並在空間站和載人登月中發揮了重要作用，兩國交會對接技術也具有近距離交會段分別以人控和自控為主的鮮明特色。同時，兩國都在不斷提升交會對接過程中飛行器的自主能力。
國際重要的太空飛行器交會對接幾個第一：
第一次有人空間交會。1965年12月15日，美國「雙子星座」6號飛船在航天員的參與下，和「雙子星座」7號飛船實現了世界上第一次有人空間交會。
第一次有人空間對接。1966年3月16日，美國「雙子星座」8號飛船通過太空人手動操作，與無人「阿金納」目標飛行器對接。
第一次自動交會對接。1967年10月30日，蘇聯「宇宙」188號飛船與「宇宙」186號飛船在太空實現自動對接。
第一次太空梭與空間站對接。1995年6月29日，美國「亞特蘭蒂斯」號太空梭與俄羅斯「和平」號空間站對接。
圖3 空間交會對接典型事例
表1 目前世界上具備交會對接能力的太空飛行器
到目前為止，只有美國、俄羅斯和我國掌握完整的交會對接技術。歐洲和日本的 ATV 和 HTV 在交會對接技術方面，分別得到了美國或俄羅斯的技術支持。ATV 的對接機構由俄羅斯提供，HTV 的對接機構由美國提供，其最後的對接過程是由空間站機械臂控制完成的。二者在飛行任務中均需要美國和俄羅斯的數據中繼衛星系統（Tracking and Data RelaySatellite，TDRS）支持。
美國交會對接技術的發展
美國在阿波羅、天空實驗室、太空梭的衛星維修任務、太空梭與和平號空間站對接任務、國際空間站計劃和獵戶座飛船計劃等載人航天計劃中不斷研究、 發展、 改進和完善了交會對接技術。
在阿波羅登月計劃中，為了發展和驗證交會對接等關鍵技術，美國研製並發射了雙子星座號系列飛船。從1964 年到1966年，雙子星座號共進行了2次不載人和 10 次載人飛行，驗證了多種交會對接方式下的任務規劃、航天員人工操作控制、地面跟蹤多太空飛行器等技術。
阿波羅飛船的登月艙和指揮服務艙都具備在交會對接中作為主動（追蹤）飛行器的能力。為了保證在缺少地面支持的月球軌道上交會對接的安全性，登月艙和指揮服務艙都具備一定的自動化能力。正常情況下，交會對接任務規劃由地面完成，但是船上系統具有對目標定位並自主機動的能力。最終的捕獲和對接則是由航天員完成的。
天空實驗室計劃繼承了阿波羅交會對接的軟硬體技術。1975 年，阿波羅飛船與聯盟號飛船實現了美、俄太空飛行器間的交會對接，這一項目應用了新的異體同構周邊式對接機構。
太空梭的交會對接具有許多新的特點。與此前的交會對接任務不同，太空梭的重要任務之一是為位於不同軌道上的飛行器提供軌道服務，這些任務及其軌道在太空梭研發設計時可能並沒有考慮，有的任務中目標飛行器甚至不能提供相對導航支持。太空梭採用了對接機構、機械臂、航天員艙外活動等不同方式實現對目標的捕獲，大大增強了其軌道服務功能。太空梭的任務規劃仍然由地面完成，機上 GNC 系統根據航天員指令可以自動執行許多交會控制功能，包括目標定位、相對導航和控制。最終逼近段仍然由航天員操作完成。
獵戶座飛船的研發對交會對接的自動性和自主性提出了更高要求。目前在研發的關鍵技術包括自動交會 GNC 算法、自主任務管理、自動相對導航敏感器技術、先進捕獲和對接機構、機械臂組裝技術。這些技術中許多已經成熟，關鍵的挑戰是要將這些技術進行集成
俄羅斯/前蘇聯交會對接技術的發展
俄羅斯/前蘇聯在早期的飛船與飛船交會對接試驗、禮炮號系列空間站、 和平號空間站和國際空間站計劃中不斷研究、發展、改進和完善了交會對接技術。
1967年10月，不載人的宇宙186和宇宙188飛船進行了世界上首次太空飛行器自動交會對接，其後聯盟4號和5號飛船實現了前蘇聯的首次載人交會對接。聯盟號飛船近距離交會採用視線制導進行運動控制，包括人控和自動控制兩種方式。 若採用人控方式，則航天員藉助電視攝像機和光學瞄準器，手動操作軌道和姿態控制執行機構實現對接。自控交會對接時，飛船相對距離和姿態的測量由 Kurs 雷達測量系統完成。
1971 年 4 月 19 日，前蘇聯發射了世界上第一個空間站——禮炮 1 號，對以前的 「撞杆—接收錐」 結構進行了改進，發展了可移開的 「杆錐」 式對接機構，實現了對接後的密封連接並形成航天員來往通道，
該對接機構需要一定的相對速度才能完成對接鎖定。 後續發射的禮炮 6 號和禮炮 7 號空間站，首次在單模塊艙段上配置了兩個對接口，可同時接納載人飛船和貨運飛船。 Kurs 系統一直延續使用至今，優點是系統簡單，從距離幾十千米的自主段起始點開始，到對接機構接觸的全程均由該系統完成相對位置和姿態的測量。
1986 年 2 月 20 日，前蘇聯發射了和平號空間站服務艙，共配置了 6 個對接口。在其後的空間站組裝建造過程中，交會對接仍然在水平軸向進行，對接後通過機械臂將空間站艙段或飛船移動到側向對接口。飛船與和平號的交會對接仍然有人控和自控兩種方式，對於無人的進步號飛船，人控由和平號上的航天員或地面控制人員進行操作。聯盟-TM 載人飛船和進步號貨運飛船為和平號空間站成功提供了連續 15 年的運輸補給服務。
歐洲和日本交會對接技術的發展
歐洲的交會對接技術研發開始於上世紀 80 年代，為了實現擬議中的 Hermes 太空梭與國際空間站對接，歐空局開展了自動交會對接技術的研究。Hermes 太空梭項目取消後，歐空局開始為國際空間站研製用於後勤補給的自動轉移飛行器 ATV，自
動交會對接技術的研發也自然過渡到為 ATV 與國際空間站的對接服務。ATV 採用從俄羅斯引進的用於進步號貨運飛船的對接機構。
ATV 的GNC系統包括三個IMU組件，兩臺用來進行絕對和相對導航的GPS接收機，一個用來測量相對位置和姿態信息的交會敏感器 RVS。在遠程交會機動階段（距對接口200m之前），主要採用差分 GPS 數據完成導航控制，在近距離接近段（距對接口200m以內），由於遮擋和多徑效應的影響不能採用 GPS，相對測量手段切換到交會敏感器 RVS。交會敏感器固定在 ATV 前端，主動發出 905 μ㎜波長的雷射，雷射被固定在目標飛行器上的六個反射器反射。在 200m範圍內，交會敏感器利用接收到的反射雷射信號可以得到距離、距離變化率和方位信息，在最後 40m 得到相對姿態和相對姿態變化率信息。在應用於ATV交會對接前，相對GPS 和交會敏感器 RVS在1996年和1997年三次在太空梭上進行了飛行搭載測試。ATV 最終於2008年4月發射，並成功與國際空間站對接，首次飛行的 ATV 被命名為凡爾納飛船。
日本在1997年進行了實驗技術衛星7號（ ETS-VII）在軌近距離交會對接演示驗證。 目標和追蹤飛行器一起發射入軌，在軌分離並相距一定距離後開始進行試驗。該演示驗證飛行的主要任務有三項：（1）自動空間交會對接飛行試驗；（2）空間機器人技術試驗；（3）通過數據中繼衛星對多星測控。試驗驗證了從相對接近階段到對接階段的自動交會對接技術都是可行的。
HTV 是日本研製的向國際空間站運輸貨物的不載人飛船，於 2009 年 9 月進行了首飛並成功與國際空間站對接。在經過交會飛行到達國際空間站後，HTV 停泊在距空間站幾米的位置，由國際空間站的機械臂捕獲後與日本實驗艙完成對接，這也是國際空間站第一次採用這種方式與來訪太空飛行器對接。HTV 在遠距離時採用相對 GPS 導航，近距離時採用交會敏感器 RVS 導航
三、我國交會對接技術的發展
我國是世界上第三個完整掌握交會對接技術的國家。我國在載人航天工程第二步第一階段的任務中，通過自主研製天宮一號目標飛行器以及神舟八號、 神舟九號、神舟十號載人飛船，於 2011 年 11 月 3 日實現首次交會對接，2012 年 6 月 16 日實現首次載人交會對接,，2013 年 6 月 26 日完成首次載人交會對接應用性飛行任務，3 次飛行任務共在軌完成 8 次交會、 6次對接，覆蓋了自動和手動、前向和後向、陽照區和陰影區等多種交會對接模式，系統突破並掌握了交會對接技術。
與俄(蘇聯)、美相比，我國交會對接起步較晚，技術積累薄弱， 但設計了清晰的發展路線和飛行規劃，通過充分做好地面試驗，飛行試驗一次成功, 飛船狀態一次到位。即驗證和突破了技術，又研製成功了可用於未來空間站工程的標準載人運輸飛船. 技術跨越幅度大。我國在飛行任務中均規劃了兩次交會對接, 神舟八號的兩次交會對接分別驗證了在陰影和陽照條件下的自動交會對接技術， 神舟九號的兩次交會對接則分別驗證了載人自動交會對接技術和人控交會對接技術，飛行試驗驗證效率高。
表2 我國與國外太空飛行器的交會對接技術對比
圖4 各種對接機構的構型
（從左至右依次為杆-錐式、國外和我國的異體同構對接機構）
圖5 空間交會對接
從表2、圖4、圖5可看到，我國獨立設計的交會對接控制系統採用了自動控制和人工控制相結合，自動控制為主的的模式，提高了系統冗餘度和可靠性，6 次對接自動/人控交會控制精度均達到了釐米級，從公開報導數據評估處於國際領先水平。我國獨立研製了自成體系的交會測量系統，具有較強的冗餘度和抗幹擾能力，測量精度達到了國際領先水平。我國獨立研製使用的異體同構周邊式對接機構實現了兩飛行器的密封對接，與國外對接機構技術相當, 達到了國際先進水平。