引言
在之前的《轨道动力学》系列中，我们讨论了航天器如何在惯性空间中运行（二体问题、摄动理论）以及如何从一点转移到另一点（兰伯特问题）。然而，在空间站补给、在轨服务、登月任务等场景中，我们不仅要求航天器到达目标附近，还要求其与目标位置重合、速度同步，并最终实现机械连接。这就是空间交会对接 (Rendezvous and Docking, RVD) 技术。
RVD 被称为“万里穿针”，是航天技术中复杂度最高、风险最大的环节之一。本系列文章将建立在《轨道动力学》的基础上，深入探讨 RVD 的动力学模型、制导导航与控制 (GNC) 算法以及对接机构设计。
什么是交会对接？
交会 (Rendezvous) 是指两个航天器（追踪器 Chaser 和 目标器 Target）在预定的时刻、预定的位置，以预定的相对速度和姿态相遇的过程。 对接 (Docking) 是指在交会完成后，两个航天器通过专门的机构在机械上连接成一个整体，并在电气、液路等方面实现连通的过程。 停靠 (Berthing) 则是指追踪器被目标器（或空间站）上的机械臂捕获，并由机械臂辅助完成连接的过程（如 SpaceX Dragon 1 代）。
任务阶段划分
一个典型的 RVD 任务通常持续数天，可以划分为以下几个阶段：
1. 发射与入轨段 (Launch and Injection)
追踪器发射入轨。为了节省燃料，追踪器通常进入一个比目标器轨道略低（周期更短）的相位调整轨道 (Phasing Orbit)。
- 关联知识：霍曼转移（轨道动力学 Vol.3）。
2. 远距离导引段 (Far-Range Rendezvous / Phasing)
范围：几千公里 $\to$ 几十公里。 目标：消除初始的相位差。 策略：利用轨道周期差（低轨快、高轨慢）进行追赶。通过多次变轨，使追踪器在预定时刻到达目标器后方或下方的特定点（如“艾梅点”）。
- 动力学模型：绝对轨道动力学（二体模型 + J2 摄动）。
3. 近距离导引段 (Close-Range Rendezvous / Homing)
范围：几十公里 $\to$ 几百米。 目标：建立相对导航，消除相对位置和速度偏差。 策略：此时相对距离远小于轨道半径，可以使用相对运动动力学（如 HCW 方程）来描述。追踪器通常采用双脉冲或多脉冲机动，沿特定轨迹（如足球轨道 Football Orbit）接近目标。
- 关键技术：相对导航传感器（微波雷达、GPS差分）。
4. 终逼近段 (Final Approach)
范围：几百米 $\to$ 接触。 目标：精细控制相对位置、速度和姿态，满足对接初始条件。 策略：
- R-bar 接近：沿地球半径方向（径向）由下向上接近。优点是重力梯度自然制动，安全性好。
- V-bar 接近：沿速度矢量方向（切向）由后向前接近。
- 控制方法：直线导引律 (Glideslope)、人工势场法。
5. 对接与锁紧段 (Docking and Locking)
范围：接触 $\to$ 刚性连接。 目标：缓冲撞击能量，校正微小误差，实现密封。 策略：依靠对接机构（如异体同构周边式 APAS）的机械柔顺性。
知识体系概览
本系列将按照以下逻辑展开：
- 动力学：从惯性系下的二体运动（轨道动力学 Vol.1）转变为非惯性系下的相对运动（HCW 方程、T-H 方程）。
- 制导 (Guidance)：如何设计相对运动轨迹？（V-bar/R-bar, 脉冲制导, 连续推力）。
- 导航 (Navigation)：如何测量相对状态？（雷达, 视觉, 相对滤波）。
- 控制 (Control)：如何执行指令？（RCS 推力分配, 6-DOF 控制）。
- 机构 (Mechanism)：硬连接的物理实现。
下一章，我们将推导描述相对运动最经典的数学模型——Hill-Clohessy-Wiltshire (HCW) 方程。