尚志

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

國際載人航天目前正處于轉變時期，縱觀國際載人航天的發(fā)展歷程，我國載人航天工程按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略進行實施。第一步為“以載人飛船起步，發(fā)射幾艘無人試驗飛船和一艘有人飛船”解決天地往返的運輸工具問題；第二步為“研制和發(fā)射空間實驗室，盡早建成完整配套的空間站工程大系統(tǒng)，實現(xiàn)一定規(guī)模的空間應用”；第三步為“建造長期有人照料的大型空間站”。本著“自主創(chuàng)新、重點跨越、支持發(fā)展、引領未來”的指導思想，認真總結國際載人航天發(fā)展的經(jīng)驗，結合我國政治、經(jīng)濟、國防及科學技術等各個方面對載人航天長遠任務需求，順應世界載人航天發(fā)展的趨勢，探索出一條符合我國國情、目標長遠、可持續(xù)發(fā)展的道路。

2004年12月中央批準啟動我國載人航天第二步任務，并明確第二步任務重點放在載人航天器交會對接和航天員空間活動等重大技術突破上。神舟七號飛船出艙活動已經(jīng)突破和基本掌握了航天員空間活動技術。天宮一號目標飛行器將分別與神舟八號、神舟九號和神舟十號3艘載人飛船執(zhí)行無人或載人交會對接任務，以突破航天器交會對接技術。

2011年11月，神舟八號載人飛船和天宮一號目標飛行器完成了交會對接、組合體飛行并分離后安全返回地面，標志著我國首次交會對接任務圓滿完成。

本文系統(tǒng)介紹了天宮一號目標飛行器和神舟八號載人飛船的研制歷程、主要技術成就、與國外技術的比較、任務意義和后續(xù)發(fā)展展望。

2 主要研制歷程及交會對接任務過程概況

天宮一號目標飛行器和神舟八號載人飛船的研制歷時6年多時間，先后經(jīng)歷了方案設計、初樣研制和正樣研制階段，完成了規(guī)定的700余項試驗。

2.1 主要研制歷程

以下分別介紹天宮一號目標飛行器和神舟八號載人飛船的主要研制歷程。

1）天宮一號目標飛行器主要研制歷程

2006年12月，完成了方案設計，轉入初樣研制階段；

2009年5月，完成了初樣結構/熱控器的總裝和大型試驗；

2009年7月，完成了初樣電性器總裝、電性能測試、電磁兼容性（EMC）測試和磁試驗；

2009年12月，完成了初樣研制，轉入正樣研制階段；

2011年5月，完成了正樣器總裝、電測、大型試驗、軟件落焊及回歸測試；

2011年6月，通過了正樣出廠評審；

2011年9月，完成了發(fā)射場任務，由長征-2F火箭運載升空；

2011年10月，完成了在軌測試；

2011年11月，完成了降軌調相、轉倒飛以及交會對接前設置，在343km 高度軌道等候交會對接。

2）神舟八號載人飛船主要研制歷程

2006年12月，完成了方案設計，轉入初樣研制階段；

2008年12月，完成了初樣結構/熱控船的總裝和大型試驗；

2009年9月，完成了初樣電性船總裝、電性能測試、EMC測試和磁試驗；

2010年4月，完成了初樣研制，轉入正樣研制階段；

2011年6月，完成了正樣船總裝、電測、大型試驗、軟件落焊及回歸測試；

2011年8月，通過了正樣出廠評審；

2011年11月，完成了發(fā)射場任務，由長征-2F火箭運載升空，變軌后進入343km 高度軌道。

2.2 交會對接任務過程概況

神舟八號載人飛船與天宮一號目標飛行器的空間交會對接任務飛行過程需經(jīng)歷5個階段：（1）遠距離導引段，兩航天器都入軌后，通過地面測控站的引導，建立穩(wěn)定的通信鏈路，自主導航；（2）自主控制段，經(jīng)過尋的、接近和平移靠攏3個過程，神舟八號載人飛船自主導航至與天宮一號目標飛行器接觸；（3）對接段，從對接機構接觸開始，完成捕獲、緩沖、拉近和鎖緊4個過程，最終實現(xiàn)兩航天器剛性連接，形成組合體；（4）組合體飛行段，由天宮一號目標飛行器負責組合體飛行控制，神舟八號載人飛船處于?？繝顟B(tài)，擇機進行并完成第二次交會對接試驗；（5）分離撤離段，兩航天器再次分離，神舟八號載人飛船撤離到安全距離，交會對接試驗完成。

整個交會對接過程需保證接合平穩(wěn)，避免因劇烈搖晃而影響兩在軌航天器的姿態(tài)。

3 我國首次交會對接任務取得的主要技術成就

我國自20世紀90年代，開始進行載人航天器空間段設計技術的論證，并對交會對接總體技術和關鍵技術進行攻關，先后完成了飛船與目標飛行器交會對接方案設計、飛船和目標飛行器構成的載人航天器空間段系統(tǒng)的交會對接飛行方案設計，并攻克了空間交會對接技術、組合體控制與管理技術、低軌長壽命載人航天器設計技術和載人航天器組批研制技術。

3.1 載人航天器空間段設計技術

交會對接飛行任務需要天宮一號目標飛行器和神舟八號、神舟九號、神舟十號載人飛船通過4次發(fā)射在軌組合飛行來完成，這也是區(qū)別于以往載人航天飛行任務和衛(wèi)星飛行任務的重要方面，需要從載人航天器空間段層面來開展設計。

載人航天器空間段設計，負責組織分析工程總體下達的交會對接任務的技術要求；“空間段”飛行任務分析和方案設計；研究目標飛行器和載人飛船間聯(lián)合飛行或運營管理技術；協(xié)調兩航天器指標和接口；確定聯(lián)合試驗、仿真和測試項目。

3.2 空間交會對接技術

目標飛行器在飛船發(fā)射前1天進入交會對接軌道，等待飛船進行交會對接；在飛船入軌后，由飛船完成遠程導引控制；飛船和目標飛行器相對距離小于100km 后，利用空空通信和交會測量設備進行自主控制實現(xiàn)船器空間交會，最后通過兩航天器前端配置的主被動對接機構完成對接。

1）遠距離導引技術[1]

載人飛船的遠距離導引段從收到“船箭分離”信號起，至轉入自主控制點止，通過軌道機動提高飛船軌道高度，調整兩航天器的相位差，縮短相對距離；同時消除入軌誤差造成的兩航天器軌道面偏差，最終使載人飛船軌道終端條件滿足轉入自主控制的條件。

2）兩航天器間的相對測量與通信技術

載人飛船配置了多種交會測量設備，用于交會自主控制過程的相對測量。包括微波雷達、激光雷達、CCD 光學成像敏感器和電視攝像機。

載人飛船與目標航天器交會對接和組合體飛行中，有空空通信無線信息傳輸和對接總線有線信息傳輸兩條鏈路，分別用于兩航天器對接前后信息通信。

3）兩航天器對接與分離技術

載人飛船與目標飛行器采用導向板內翻的異體同構周邊式對接機構，載人飛船為主動端，目標飛行器為被動端，兩對接機構共同實現(xiàn)兩航天器的捕獲、緩沖、鎖緊、連接以及解鎖、分離。兩航天器對接鎖的主、被動鎖鉤上均安裝爆炸螺栓，在緊急情況下，可引爆對接鎖上的火工品實現(xiàn)兩航天器分離。

3.3 組合體管理技術

組合體是從“目標飛行器與載人飛船完成剛性對接、目標飛行器控制組合體姿態(tài)啟控”至“組合體分離開始、目標飛行器控制組合體?？亍钡拇鹘M合體。組合體飛行期間，以目標飛行器為主進行組合體的控制與管理，飛船處于?？繝顟B(tài)，共同實現(xiàn)組合體載人環(huán)境控制、姿態(tài)與軌道控制的功能。

1）大質量、大慣量、大柔性、變結構姿控技術

為解決組合體模態(tài)密集、且在大型轉動撓性外伸結構引起的動力學耦合情況下保持姿態(tài)穩(wěn)定的難題，目標飛行器設計單框架控制力矩陀螺進行姿態(tài)控制，使用磁力矩器完成對控制力矩陀螺系統(tǒng)卸載，滿足組合體姿態(tài)控制要求，同時為空間站組合體姿態(tài)控制方案進行在軌驗證。

2）熱負荷動態(tài)變化的組合體載人環(huán)境控制技術

天宮一號的載人環(huán)境控制設計需滿足自主運行、1人飛行、2人飛行和3人飛行等工況，各工況的密封艙內熱負荷動態(tài)變化大。目標飛行器采用通風換熱為主、被動熱控為輔的環(huán)熱控一體化設計，通過調節(jié)輻射器混合出口溫度，實現(xiàn)外回路換熱能力調節(jié)，滿足密封艙溫濕度的要求。

3.4 低軌長壽命載人航天器設計技術

天宮一號目標飛行器是我國首個在軌運行時間為2年的低軌長壽命載人航天器，飛行期間運行在340～400km 的近圓軌道，需經(jīng)受太陽輻射、高層大氣、地球磁場、失重、真空、高能帶電粒子、電離層、微流星體及空間碎片等低軌空間環(huán)境。天宮一號開展的低軌長壽命載人航天器設計與驗證主要包括：

（1）對艙外材料/涂層、太陽電池翼、對接鎖系等性能參數(shù)受原子氧、紫外線或真空等低軌環(huán)境影響，對性能參數(shù)逐步退化的產品進行可靠性及壽命試驗，驗證對低軌環(huán)境的適應能力；

（2）對影響目標飛行器控制、環(huán)控熱控、測控、能源關鍵功能的機電產品從軸承設計、潤滑設計等開展長壽命設計，安排專項壽命試驗進行驗證，同時從系統(tǒng)設計層面提高風機、泵、陀螺等產品的冗余度，采用冷備份設計提高平臺壽命；

（3）對電子設備注重芯片選型，采用雙機冷備份的設計方式保證整機性能不受低軌環(huán)境影響，采用加速壽命試驗驗證是否滿足壽命要求。

3.5 載人航天器組批研制體系

為適應交會對接任務小批量、發(fā)射密集程度高的特點，建立載人航天器組批研制、生產與測試的體系。

（1）通過梳理和確定適應批量化生產要求的載人航天器研制計劃流程和技術流程，培育并掌握批量化生產的總裝工藝、測試和試驗等技術，固化技術狀態(tài)、接口關系，建立適應批量化生產要求的技術體系；

（2）通過規(guī)劃、調整、補充建設適應載人航天器總體生產能力的批量化柔性生產線，形成滿足發(fā)展要求的批量化生產保障能力；

（3）通過對現(xiàn)有管理模式的調整，建立適應批量化生產要求，涵蓋計劃、質量、成本、物資、人力資源、信息溝通以及風險控制等要素的管理體系，形成適應批量化生產要求的管理模式，提升科學管理能力。

4 國內外交會對接技術比較[2-6]

1961年4月12日蘇聯(lián)航天員加加林乘東方1號載人飛船上天，標志著載人航天時代的開始?；仡?0多年來的發(fā)展歷程，美國走過的載人航天路線是：由載人飛船到航天飛機再到空間站；俄羅斯走過的載人航天路線是：由載人飛船到空間站再到航天飛機。除美國阿波羅號飛船登月外，美俄兩國涉足的載人航天活動領域基本相當，以互相競賽式的模式發(fā)展為主。目前，共有蘇聯(lián)/俄羅斯、美國、歐洲、日本和中國等國家和組織成功實施了空間交會對接，各國的交會對接技術比較見表1。

其中，人控交會對接和自動交會對接的優(yōu)缺點對比如下。

（1）人工控制的優(yōu)點：可充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢，提高交會對接成功的概率，能對對接過程中的故障進行處置或維修；缺點：航天員的操作負荷大，受空間環(huán)境條件（光照）限制。

表1 各國的交會對接技術比較Table1 Comparison of rendezvous and docking technology of different countries

（2）自動控制的優(yōu)點：只依賴自控設備，系統(tǒng)可靠性高，對環(huán)境適應性好；缺點：作為安全性措施，需要分布很廣的地面站或中繼衛(wèi)星支持。

從上述分析可知，雖然我國交會對接技術發(fā)展較晚，但總體水平和航天發(fā)達國家相當。我國采取自動控制和手動控制相結合的方案，充分發(fā)揮了人控交會對接和自動交會對接的特點，比較好地兼顧了系統(tǒng)可靠性和安全性[7]。

5 我國首次交會對接任務的意義及展望

2011年11月17日，我國首次空間交會對接任務取得圓滿成功，其具有的工程、科學及社會意義深遠。

1）提升國家威望，產生廣泛社會效益

強大政治影響力需要強大的綜合國力作后盾，而載人航天，就是衡量國家綜合國力的重要標志之一。如果沒有高度發(fā)達的科學技術和科研能力，如果沒有雄厚的經(jīng)濟基礎，任何一個國家都是不可能開展載人航天工程的。

通過首次航天器交會對接任務，大大提高了我國的國際地位和國際威望，增強了政治影響力、民族自信心和自豪感，也增強了國家的戰(zhàn)略威懾力量。同時廣泛鼓舞了青少年的科學熱情，為我國航天科技發(fā)展吸引了新生力量。

2）帶動基礎學科發(fā)展

完成首次交會對接任務的兩個載人航天器——載人飛船與目標飛行器，分別具有可返回、在軌時間長的特點。根據(jù)其特點，可搭載空間站技術試驗、空間科學試驗、空間應用試驗和航天醫(yī)學試驗項目。

后續(xù)載人航天工程任務必然會牽引更多的科學實驗項目，帶動相應基礎學科的發(fā)展。3）推動航天技術持續(xù)發(fā)展

研制并發(fā)射目標飛行器，既作為目標配合突破交會對接技術，又可為空間站積累經(jīng)驗；研制功能完善的載人運輸飛船，既可突破交會對接技術，又可滿足空間實驗室和中小規(guī)模空間站的乘員組運輸服務需求。

空間實驗室和空間站作為航天領域的重要基礎設施，將成為我國航天技術發(fā)展研究和實驗的重要基地。通過開展這些航天高新技術的實驗研究和驗證，將極大地提高我國航天技術的整體水平。

4）為后續(xù)載人航天任務奠定堅實基礎

交會對接技術是各國發(fā)展載人航天所必須掌握的關鍵技術。首次交會對接任務的成功，表明我國已掌握了這一關鍵技術，從而可以向更高的目標前進。

本次交會對接任務的完成，同時還突破和基本掌握了部分空間站關鍵技術，如：在軌載人航天器整體壁板結構技術，大質量、大慣量、大柔性變結構姿控技術，高電壓大功率低軌長壽命電源技術，組合體管理技術，長期在軌飛行空間碎片防護技術，長期在軌生命保障核心技術，長期在軌運動機構技術，金屬膜盒式貯箱技術，高速大容量數(shù)據(jù)處理及傳輸技術。這些技術的掌握，將成為我國空間站建設的有力保障。

載人飛行可以充分發(fā)揮人的能動性，開展航天技術試驗，利用載人飛行平臺，開展空間綜合應用，從而推動國家航天技術和空間應用的持續(xù)發(fā)展。

首次交會對接任務的成功實施，標志著我國突破和基本掌握了航天器交會對接技術及其組合體控制技術。預計2012年上半年發(fā)射的神舟九號載人飛船、2012年下半年發(fā)射的神舟十號載人飛船，還將與天宮一號目標飛行器執(zhí)行交會對接任務，以對交會對接技術、組合體控制技術和航天員中短期駐留支持技術進行全面驗證。

后續(xù)任務通過空間實驗室和空間站，開始解決人類長期宇宙飛行技術，符合載人航天發(fā)展規(guī)律，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略。主要的發(fā)展前景包括：

（1）突破航天員長期在軌技術，奠定堅實的服務與發(fā)展基礎；

（2）開展空間新技術試驗，拓展載人航天領域；

（3）開展載人登月技術試驗探索，開發(fā)宇宙空間資源；

（4）發(fā)展低成本的、可部分重復使用的、載人行星探測的新一代大型天地往返運輸飛船。

載人航天已作為一個專項納入國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要。2010年9月，中央批準實施載人空間站工程。我們相信在掌握了航天員出艙活動技術、交會對接技術、組合體控制技術和航天員駐留支持技術的基礎上，大力協(xié)同、集智攻關，必將實現(xiàn)中國的空間實驗室及后期空間站的建設任務。

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