空间对接技术为人类实现大规模、深层次的空间探索活动提供了更多的可能性,提高了航天任务中宇航员的能动性,大幅提高深空探测的灵活性。随着未来国家空间站建设与对宇宙资源的利用的迫切需求,对接机构更加成为了世界航天大国的研究侧重点。多国已经开展了在轨对接技术的研究,并取得了实际飞行对接验证,由于任务探测深度的不断拓展,对接机构技术有了新的发展方向的同时也面临着新的需求。我国现有对接机构质量较高,极大地制约了其应用的轨道高度与相应探测器有效载荷的配置,难以应用于对轻量化要求很高的探测任务中,所以迫切需要开展轻量化对接机构技术研究。因此,本文针对舱段对接机构开展方案与布局设计,并模拟空间对接进行实验验证。根据功能需求、设计指标与创新要求,提出一种展开式对接机构方案,包含中心式布局与异体同构式布局方式,以容差能力为指标对中心布局式展开对接机构开展关键参数优选与结构设计,确定关键结构尺寸,根据初始位姿误差数据建立容差理论模型。建立舱段间碰撞的动力学理论模型,建立捕获臂与V型槽缓冲机构的动力学模型,将舱段对接初始位姿误差进行边界位姿分类与简化,针对特定边界位姿提出一种分步式协同捕获策略,完成速度选择与捕获臂动作匹配,建立捕获策略的数学模型。完成中心布局式展开对接机构有限元建模,进行静强度分析;通过仿真进行机构捕获、位姿校正、拉近、锁定功能的验证以及对接过程缓冲力、动能等动力学特性指标分析;通过仿真分析不同初始位姿工况下的容差捕获效果并验证两种捕获策略的可靠性;应用机械加工与3D打印制造,搭建了对接实验平台和机构样机,通过实验检验中心布局式展开对接机构原理合理性与可靠性。