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两个或以上的航天器在外层空间中构成刚性连接的过程 来自维基百科，自由的百科全书
空间对接是指两个或以上的航天器在外层空间中构成刚性连接的过程。该连接既可以是临时性的（如货运飞船及载人飞船的停泊滞留[1][2]），也可以是永久性的（如空间站的组成舱段[3]）。航天器在进行空间对接之前须首先完成空间交会（即两航天器在同一轨道上近距离运行），故掌握空间对接能力的同时也必须掌握空间交会能力（合称“交会对接”）[4][5]。
现阶段的空间交会对接技术主要用途有三[6]：其一是为长期在轨运行的太空设施（如空间站）提供人员与货物的天地往返运输服务；其二是为方便空间设施的在轨组装建造、保障修复和服务运行（如国际空间站高达423吨重量的各组成模块便极度依赖空间对接技术以便分次发射并在轨模块化组装[7][8]）；其三是为方便对航天器进行分段重构以优化任务流程（如阿波罗计划得益于空间对接技术的发展而得以将飞船拆分为登月部分和非登月部分并实施月球轨道交会方案[9]）。
在人类航天史上，美国为掌握空间交会对接技术而在双子座计划中率先规划了交会对接测试任务，曾计划在1965年10月让双子座6号乘组在瓦尔特·施艾拉的指挥下与无人的阿金纳目标飞行器进行交会对接测试，但原计划先期发射升空的阿金纳目标飞行器在发射过程中爆炸[10]，双子座6号任务取消，相关对接测试计划也被迫推迟[11]。在其后经过修改的双子座6A号任务中，施艾拉驾驶双子座6A号于1965年12月成功与双子座7号载人飞船完成了空间交会任务，任务中双方的最近距离仅为0.3米（1英尺），但两艘双子座飞船均没有进行对接的能力[12]。1966年3月16日，尼尔·阿姆斯特朗驾驶双子座8号飞船成功完成了与阿金纳目标飞行器间的交会对接，这是人类航天史上的首次空间对接。此后的三次双子座任务中亦进行了手动操作交会对接[13]。
在其后的阿波罗计划中，航天员在登陆月球前后需要至少两次在阿波罗指令/服务舱（CSM）和登月舱（LM）之间进行人员转移和撤离，而空间交会对接作为航天员在指令/服务舱和登月舱间进行转移时的重要步骤而被极其重视[14]。在一次标准的阿波罗登月任务中，飞船在被送入地月转移轨道不久后指令/服务舱就需首先与火箭的第三级分离，然后与登月舱进行空间对接，将其从火箭中抽出并撤离[15][16]。其后航天员在完成登月任务并驾驶登月舱上升段起飞后，上升段上的两名航天员也必须在月球轨道上与指令/服务舱进行另外一次交会对接才能转移人员和月表样品并返回地球[17]。阿波罗飞船在设计上首次采用了舱内转移通道，可允许航天员乘组通过指令舱和登月舱前端对接口之间的通道直接进行舱内转移。这套登月对接机动流程首先于1969年3月7日通过阿波罗9号任务在地球轨道上进行了测试[18]，其后通过1969年5月进行的阿波罗10号任务在月球轨道上进行了全流程演练[19]，此后的七次阿波罗任务均在任务过程中进行了该交会对接流程，其中在阿波罗13号任务中登月舱并非用于登月，而是被临时当作救生舱使用[20]。
与在双子座计划、阿波罗计划、天空实验室计划和早期的航天飞机计划中一直使用手动操作交会对接的美国所不同，苏联在其早期的交会对接测试中便开始尝试使用自动对接系统。其首个自动对接导航系统“Igla”于1967年10月30日通过两艘无人测试航天器“宇宙186号”和“宇宙188号”之间的自主空间交会对接而成功完成测试[21][22]，这也是苏联首次成功的交会对接试验。其后苏联继续进行发展交会对接技术并开始尝试载人对接。苏联于1968年10月25日完成了联盟2号无人飞船与联盟3号载人飞船之间的空间交会；但对接尝试失败[23]。苏联的首次成功的载人交会对接任务于1969年1月16日由联盟4号和联盟5号飞船完成[24]。与美国的阿波罗飞船所不同，早期苏联并未尝试通过航天器之间的对接口来构筑气密性舱内转移通道，故联盟5号三名航天员中的两人需要通过舱外活动来从联盟5号转移至联盟4号才能按照任务目标以最终搭乘联盟4号返回地球[25]。
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苏联在1970年代初对联盟号飞船的对接机构进行了升级更替，新对接机构设计中增设了一个加压的舱内转移通道，以便在礼炮计划中航天员能够通过对接口在飞船与空间站之间进行直接转移[26]。首次成功的空间站对接任务在1971年6月7日由联盟11号载人飞船与礼炮1号空间站完成[27]。美国紧随其后，于1973年5月完成了阿波罗飞船指令/服务舱与天空实验室空间站之间的对接[28]。1975年7月，美苏两国合作完成了阿波罗-联盟测试计划[29]，通过专门设计的新对接机构和对接舱来适配两国不同标准的对接系统和舱内气压以支持阿波罗飞船指令/服务舱与联盟号飞船之间的交会对接能力[30]。
从1978年的礼炮6号空间站起，苏联开始在空间站上设置一个以上的对接口，并同时启用无人的进步号货运飞船以定期向空间站补给物资，大大延长了航天员乘组的在轨滞留时间[31]。作为一艘无人飞船，进步号与空间站之间的对接完全自主。1986年，联盟号飞船上的“Igla”自动对接导航系统被更新的“Kurs”系统所替代，几年后进步号飞船获得了同样的升级[21]:7。“Kurs”自动对接系统至今仍用于国际空间站俄罗斯轨道段的交会对接[32]。
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航天器之间的“非合作目标交会对接”（英語：Berthing）最早可以追溯到航天飞机货舱内的有效载荷的释放和捕获，主要目的是对载荷进行在轨保养或返地维修[33]:20-22。最早用于帮助捕获/释放这一类没有自主配合能力的有效载荷的辅助装置便是航天飞机上搭载的加拿大臂。航天飞机时代的非合作目标交会对接会根据任务需要而使用了几种不同的对接口[33]:113-117。
一个典型的，由空间交会和空间对接共同组成的交会对接过程一般可分为4个阶段，包括远距离导引段、近距离导引段、逼近段和对接段。从广义上讲，还可包括对接完成之后的组合体飞行段、分离与撤离段[34]。其基本过程如下[35]：
具体至实际应用中，以神舟八号与天宫一号之间的交会对接类型为例，由于“目标飞行器”（交会对接试验中的被动目标）与“追踪飞行器”（晚于目标飞行器发射，入轨后主动接近目标飞行器）均具备配合能力且交会对接过程中对两航天器的控制大部分由地面站与船载设备联合完成，这次对接任务可以被大致归类为“合作目标自动交会对接”[36]。其主要流程为[37]：
以神舟八号对接任务为例，“远距离导引段”是飞船在发射入轨之后，到飞船远距离导引终点为止的一个飞行阶段[37][38]。这期间主要由地面测控系统在中继卫星及测量船的协助下进行导航计算和控制指令生成，然后将指令注入飞行器并执行相应操作（即“地面导引控制”交会）。此时追踪飞行器的主要飞控工作是通过5次轨道控制，使飞船在预定时刻到达天宫一号（目标飞行器）后下方约52公里处（即远距离导引终点）[37][38]，控制飞船与目标飞行器建立相对导航，并做好下一步自主控制的准备。
以神舟八号对接任务为例，“自主控制段”是追踪飞行器从地面导引控制转入自主控制开始，到与目标飞行器完成对接机构接触为止的一个飞行阶段[39]。还可具体分为以下三个部分[37][38]：
以神舟八号对接任务为例，“对接段”是指从两个航天器的对接机构完成初步接触开始，到彻底锁紧并形成刚性连接的组合体这一飞行阶段[37][38]。在对接机构完成锁紧后，天宫一号接管组合体的姿态控制，建立起组合体飞行模式，开始组合体运行阶段。对阶段全程约15分钟，主要由“接触”、“捕获”、“缓冲&校正”、“拉回”、“锁紧”共五个部分组成[37][38]。
空间对接机构按照其不同的结构和原理大致可分为以下四种[40]：
| 示意图 | 名称 | 类型 | 是否支持人员舱内转移？ | 是否异体同构？ | 航天器 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
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双子座对接机构 | “环-锥”式 | 否 | 否 | 双子座号飞船、阿金纳目标飞行器 | 作为历史上第一种被成功应用的对接机构，该对接机构的主动方与被动方装置并不通用，其支持双子座号飞船（主动方）与阿金纳目标飞行器（被动方）之间的空间交会对接。 |
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阿波罗对接机构 | “杆-锥”式 | 是 | 否 | 阿波罗飞船（指令/服务舱、登月舱）、天空实验室 | 直径约为810 mm（32英寸）[41][42]，可支持阿波罗指令/服务舱（主动方）与登月舱或天空实验室（均为被动方）之间的空间对接。除此之外也曾在阿波罗-联盟测试计划（ASTP）期间用于连接阿波罗指令/服务舱前端的对接舱。 |
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初代俄制“杆-锥”式对接机构 | “杆-锥”式 | 否 | 否 | 联盟7K-OK型飞船（1966年-1970年） | 从1966年至1970年期间，初代的俄式“杆-锥”对接机构被安装在第一代联盟7K-OK型飞船上进行测试以为苏联的空间站建造计划做准备。测试期间收集到的工程数据随后被用于建造和发展联盟号飞船，后者原先是苏联载人登月计划的一部分，但其后成为其空间站航天员天地往返系统的重要一环[43]:10。
1967年10月30日，宇宙186号和宇宙188号在任务中完成了两艘无人航天器间的首次对接——这是人类太空飞行史上的第一次自主空间交会对接任务[44][45]。 |
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“Kontakt”对接机构 | “杆-锥”式 | 否 | 否 | 联盟7K-LOK型飞船（原计划）、LK登月舱（原计划） | 原计划用于苏联的载人登月计划，可支持联盟7K-LOK型飞船（主动方）与LK登月舱（被动方）间的空间交会对接[46]。与阿波罗飞船使用的对接机构所不同的是，由于该对接机构并不具备构筑气密性连接以供航天员乘组在舱内进行转移的能力，每次航天员需要在登月舱和轨道/返回舱间转移时都必须进行出舱活动。
因苏联载人登月计划的中途下马，该对接机构故而从未被实际使用过[47]。 |
 
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SSVP-G4000 | “杆-锥”式 | 是 | 否 | 礼炮系列空间站、和平号空间站、联盟号飞船、进步号飞船、国际空间站（俄罗斯段的大部分接口）、ATV货运飞船 | SSVP-G4000，也常被不准确地称作“俄罗斯杆-锥”（英語：Russian probe and drogue）或“俄罗斯对接系统”（英語：the Russian Docking System (RDS)）[43]:10[48]，是礼炮系列空间站与和平号空间站上的主要对接机构标准，由能源火箭公司设计制造[49][50]:5[26]，其圆形舱内转移通道直径约800 mm（31英寸）。在俄语中，SSVP意为“对接及舱内转移系统”（俄语：Система стыковки и внутреннего перехода，羅馬化：Sistema Stykovki i Vnutrennego Perekhoda (SSVP)）[26]
SSVP-G4000的首次使用可追溯至1971年的联盟10号和联盟11号任务，两次任务均尝试与礼炮1号空间站进行对接并皆取得了部分成功，这也是人类航天史上首次尝试载人飞船与空间站之间的交会对接[48]（但两次任务均遭遇事故，联盟10号任务中航天员在完成软对接环节之后尝试硬对接未果，不得不被迫返回；而联盟11号的航天员乘组在其后撤离空间站返回地球的过程中因飞船失压而不幸丧生，该事故也由此成为人类航天史上最严重的灾难之一[51][52][53]）。该对接机构曾在1980年代中期进行了大规模升级以支持和平号空间站模块化组装过程中20吨级空间站舱段之间的对接组合[26]。 除俄制联盟号、进步号飞船之外，欧空局的ATV货运飞船亦使用该对接机构标准[54]。 |
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APAS-75 | 周边式 | 是 | 是 | 阿波罗-联盟测试计划中的对接舱以及联盟7K-TM型（联盟19号） | 仅用于阿波罗-联盟测试计划中的阿波罗对接舱和经过改进后的联盟7K-TM型飞船。该对接机构的美国版和苏联版在设计上有些许不同，但仍可兼容。 |
 
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APAS-89 | 周边式 | 是 | 部分 | 和平号空间站（晶体号、对接舱）[47][55]、联盟TM-16[47][55]、美国航天飞机、暴风雪号航天飞机（原计划）[55] | 该对接机构原计划用于暴风雪号航天飞机，其圆形舱内转移通道直径约为800 mm（31英寸），因苏联解体后俄罗斯的航天飞机计划中途下马，故又被转而用于支持美国航天飞机与和平号空间站之间的对接[43]:15-16[49][50]:5。 |
 
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APAS-95 | 周边式 | 是 | 部分 | 航天飞机、国际空间站（曙光号、加压对接适配器） | 该对接机构主要用于美国航天飞机与国际空间站之间的空间对接[55]，其圆形舱内转移通道直径约为800 mm（31英寸）[43]:23-25[49][50]:5，大小与APAS-89基本相同[55]。此外，它也被用作国际空间站上俄罗斯轨道段（ROS）与美国轨道段（USOS）之间的连接[56]，俄罗斯段曙光号功能货舱的球形节点舱后端接口与美国段团结号节点舱上的PMA-1对接舱分别配备了这种对接口以完成两轨道段不同对接机构标准之间的适配。 |
 
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SSVP-M8000 | “杆-锥”式 | 是 | 否 | 国际空间站（俄罗斯段部分接口）[43]:22[57] | SSVP-M8000，也被称为“混合式对接机构”[58]，是SSVP-G4000和APAS-95的一种混合改进型号。该对接机构最早于1996年起便由能源火箭集团制造[26]，主要用于国际空间站上的俄罗斯段，其圆形舱内转移通道直径约为1,100 mm（43英寸），同时采用了SSVP-G4000的“杆-锥”式软对接结构设计和APAS-95上的硬对接环设计[26]。
国际空间站上的俄罗斯轨道段舱段大部分均有一定使用。（星辰号的节点舱后端对接口、曙光号前端对接口、码头号/探索号[59]对接舱以及科学号实验舱[57]） |
 
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通用对接机构（CBM）[60] | 其他 | 是 | 否 | 国际空间站（美国段）、一系列货运飞船（天鹅座号飞船、龙飞船[61]、HTV货运飞船） | 主要用于国际空间站美国轨道段的舱段以及龙飞船、HTV、天鹅座号等一系列货运飞船。该对接机构不具备合作目标交会对接能力，需要通过机械臂的辅助才能完成对接过程，结构较之其他对接机构种类也更为简单[62]。CBM对接机构中的转移通道口为圆角方形，标准型通道的宽度约为1,300 mm（50英寸）[50]:5，天鹅座飞船上使用的版本则为940 mm（37英寸）[63]。 |
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中国空间站对接机构 | 周边式 | 是 | 部分 | 中国空间站组成航天器（神舟飞船、天舟飞船、天宫一/二号、天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱、巡天光学舱） | 主要用于中国空间站工程中所建造的空间实验室以及空间站舱段（天宫一号、二号、天宫空间站）和相关配套的天地往返运输航天器（神舟、天舟）之间的交会对接。该对接机构的首次使用是天宫一号与神舟八号之间的交会对接试验任务。因其在外观和功能方面近似于APAS-89/APAS-95对接系统，故亦有说法称该对接机构的技术是美俄APAS对接机构的“克隆”[43]:26。中国官方关于其与 APAS-89/95兼容性的报道则相互矛盾[64]。该对接机构的圆形舱内转移通道直径约为800 mm（31英寸）[65][66]。标准版的质量为310kg，目标飞行器使用的被动方对接机构质量则为200kg[67]。 |
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NDS对接机构 | 周边式 | 是 | 部分 | 国际空间站（国际对接适配器）、龙飞船2号、波音星际航线、猎户座飞船 | 主要用于支持国际空间站美国轨道段的国际对接适配器（英語：International Docking Adapter (IDA)）与一系列载人飞船（龙飞船、星际航线等）以及美国正在研制中的其他载人航天器之间的空间交会对接。该对接机构可被视为航天飞机对接机构标准“APAS-89/95”在其退役之后的继承者，其圆形舱内转移通道直径约为800 mm（31英寸）[68]。 |
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通用停泊对接机构（IBDM）[69] | 周边式 | 是 | 是 | 追梦者号飞船 | IBDM对接机构的设计符合国际对接系统标准（英語：International Docking System Standard (IDSS)）[68]，因此可与国际空间站美国段中使用NDS对接机构的国际对接适配器（IDA）兼容[70]。其圆形舱内转移通道直径约为800 mm（31英寸）[68]。
美国的内华达山脉公司当前正在开发一种小型可重复使用太空飞机“追梦者号”，可将宇航员以及货物运送到国际空间站。欧空局当下已经与该公司展开了一系列合作，未来可能会提供IBDM对接机构的技术以便其对接至国际空间站[71][72]。 |
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中国无人深空探测器对接机构 | “抓手-碰撞锁”式 | 否 | 否 | 嫦娥五号、嫦娥六号 | 用于嫦娥五号/六号等中国无人采样返回探测器。 |
^A 异体同构式标准对接机构（仅联盟TM-16），异体异构式被动对接机构（晶体号实验舱[73]、和平号空间站核心舱[74]）
^B 异体同构式标准对接机构（航天飞机、曙光号功能货舱[75]、PMA-1[43]:23），异体异构式被动对接机构（PMA-2、PMA-3）[43]:23
^C 异体同构式标准对接机构（神舟飞船、天舟飞船、问天/梦天实验舱、巡天号光学舱），异体异构式被动对接机构（天宫一号/二号、天和核心舱）
^D 异体同构式标准对接机构（商业载人航天飞行器、猎户座飞船），异体异构式被动对接机构（国际对接适配器）
“对接舱”或“对接适配器”是一种专门用于适配不同对接机构以及(或)舱内气压标准的过渡模块。“对接舱”（Docking Module）主要用于指代可加压的独立过渡舱段[76][77][30][29]，而“对接适配器”（Docking Adapter）通常只是一个对接过渡环或过渡通道而非独立舱段[78][79][80]。下表列出现役和已退役的一些对接舱或对接适配器：
| 图片 | 名称 | 搭载航天器 | 数量 | 对接机构标准 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
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ASTP对接舱 | 阿波罗飞船指令/服务舱（阿波罗-联盟测试计划） | 1 | 阿波罗对接机构—APAS-75 | 该对接舱同时也具备类似气闸舱的能力，可支持美苏两国飞船之间不同对接机构和舱内气压标准的适配，该舱由罗克韦尔国际公司（英語：Rockwell International）为1975年阿波罗-联盟测试计划的对接任务而专门设计建造[30]。 |
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加压对接适配器 | 国际空间站（美国轨道段） | 3 | APAS-95—通用对接机构（主动方） | 目前国际空间站上共有3个加压对接适配器（英語：Pressurized Mating Adapter (PMA)），均用于通用对接机构与APAS-95对接机构之间的过渡适配[81]。其中PMA-1和PMA-2均由STS-88航天飞机任务于1998年发射入轨，PMA-3则于2000年底通过STS-92任务被发射升空。PMA-1适配器主要负责俄罗斯轨道段的曙光号功能货舱与美国轨道段的团结号节点舱之间的连接，而PMA-2和PMA-3则主要用于航天飞机与国际空间站之间的空间对接[56]。 |
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国际对接适配器[82] | 国际空间站（美国轨道段） | 3（实际使用2枚） | APAS-95—NDS对接机构 | 国际对接适配器（英語：International Docking Adapter (IDA)）[82]主要用于将国际空间站上航天飞机在退役前于PMA-2以及PMA-3适配器上使用的APAS-95对接机构替换成符合国际标准的NDS对接机构。因此，除PMA-1之外的所有PMA适配器均直接对应一个IDA适配器。IDA-1原计划与SpaceX CRS-7号龙飞船一同前往国际空间站并连接至PMA-2适配器的前端，但发射任务失败而不得不作罢[82][83]。IDA-2故而被作为替补在SpaceX CRS-9任务中发射升空并成功对接至PMA-2适配器的前端[82][83]。IDA-3则用于执行原IDA-2的任务，通过SpaceX CRS-18任务被运往国际空间站并最终成功对接至PMA-3适配器的前端[84]。该适配器所使用的NDS对接机构的设计符合国际对接系统标准（英語：International Docking System Standard (IDSS)），后者则是国际空间站多边协调委员会（英語：ISS Multilateral Coordination Board）试图划定国际性的交会对接机构标准的尝试之一。 |
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APAS转SSVP临时对接环 | 国际空间站俄罗斯轨道段（科学号实验舱） | 1 | SSVP-M8000—SSVP-G4000 | 该对接环曾被临时安装在科学号服务舱的末端对接口，主要目的是将科学号末端采用SSVP-M8000对接机构（被动方）标准的硬对接环转为SSVP-G4000标准[85]，以使联盟号和进步号飞船在新的码头号节点舱被对接至该接口之前得以通过它来进行与国际空间站的对接。联盟MS-18和进步MS-17飞船均通过该对接环实现对接，直到进步MS-17在撤离空间站时将该对接环一同分离再入以为码头号节点舱（采用SSVP-M8000对接机构）的到来腾出对接口[86]（右图里撤离中的进步号飞船硬对接环上覆盖着的即为该临时对接环）。 |
| 图片 | 名称 | 搭载航天器 | 建造数量 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
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加拿大臂 | 航天飞机 | 5 | 该机械臂由加拿大太空總署负责制造[87]，后者早在1969年就受到NASA的邀请以协助进行航天飞机计划[88]。该臂的主要用途是辅助航天飞机部署、移动和捕获有效载荷。作为人类航天史上最早投入使用的太空机械臂之一，其设计奠定了后续同类产品的发展基础[89]。 |
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“爪”式机械臂 | 和平号空间站（量子2号、晶体号、光谱号和自然号） | 4 | 正式名称为“自动再对接系统”（俄语：Автоматическая система перестыковки (АСПр)，羅馬化：Avtomaticheskaya sistema perestykovki (ASPr)），该臂是和平号空间站在其建造组装阶段中所使用的一种转位机械臂。和平号空间站的量子2号、晶体号、光谱号以及自然号均搭载该臂以辅助转位过程[90][91][92]。 |
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加拿大臂2 | 国际空间站 | 1 | 该机械臂是航天飞机上加拿大臂的升级版本，其主要用途包括搬运设备和补给，协助宇航员进行舱外活动，在空间站上安装设备和载荷等[93]。除此之外，它也作为非合作目标交会对接的辅助设备释放/捕获不具备配合能力的卫星，或协助使用CBM对接机构的一系列商业货运飞船型号以及HTV飞船完成交会对接[94][95]。 |
| 天和机械臂 | 天宫空间站（天和核心舱） | 2[註 1] （页面存档备份，存于互联网档案馆） | 该机械臂的主要用途为支持航天员出舱活动、舱段转位、舱外货物搬运、舱外状态检查以及舱外大型设备的维护，曾进行过对天舟飞船的辅助转位对接实验[97]。该臂一般不用作非合作目标交会对接的辅助设备[98][99]，但在必要情况下也可作为实验舱转位机械臂的备份使用[100][101]。 | |
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天宫空间站转位机械臂 | 天宫空间站（问天实验舱、梦天实验舱） | 4 | 问天和梦天实验舱也将携带类似和平号空间站上使用的转位机械臂，以便其能够在天和核心舱的节点舱周围进行机动转移[99]，该臂的主要功能与和平号空间站的“爪”式机械臂大同小异，但后者可在多个轴面上对舱段进行抬起辅助对接[90][91][92]。 |
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