巴軒

2013年6月25日上午，神舟十號飛船從天宮一號目標(biāo)飛行器上方繞飛至其后方，完成近距離交會。繞飛試驗實施期間，航天員聶海勝、張曉光、王亞平在神舟十號飛船返回艙值守，3名航天員身著艙內(nèi)航天服，密切監(jiān)視飛船儀表上的各類數(shù)據(jù)，及時準(zhǔn)確地向地面報告繞飛試驗進(jìn)展情況。我國首次航天器繞飛交會試驗取得成功。媒體普遍認(rèn)為，我國計劃在2020年左右發(fā)射長期有人照料的空間站，神舟十號與天空一號的成功交會對接是邁向這一目標(biāo)的最新一步。

天宮一號的由來

天宮一號的任務(wù)方案早在1992年國家制訂中國載人航天“三步走”戰(zhàn)略時就已確定。2002年，方案論證和審查后，天宮一號目標(biāo)飛行器整個任務(wù)方案通過。但天宮一號尚未定名，只是稱為“目標(biāo)飛行器”。2006年，天宮一號進(jìn)入初樣研制階段，并命名為“天宮一號”。為什么要以此命名，一種說法是希望宇航員們在太空中生活的地方和與宮殿一樣舒適。另一種說法是與“神舟”、“嫦娥”相呼應(yīng)，有一種真正的空間站雛形的概念。對于一般老百姓而言，天宮一號的名字很容易使人聯(lián)想起中國古代四大名著之一《西游記》中孫悟空大鬧天宮的故事。此外，“天宮”是中華民族對未知太空的通俗叫法。因此，以天宮一號為目標(biāo)飛行器命名，是有著深厚的歷史文化底蘊(yùn)的。

天宮一號是中國首個目標(biāo)飛行器和空間實驗室，屬載人航天器，高10.4米、重8.5噸。于2011年9月29日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，設(shè)計在軌壽命兩年。由于天宮一號是空間交會對接試驗中的被動目標(biāo)，所以也被稱作“目標(biāo)飛行器”。而之后發(fā)射的神舟八號、神舟九號、神舟十號，被稱作“追蹤飛行器”，入軌后主動接近目標(biāo)飛行器，并進(jìn)行交會對接。

2011年11月，神舟八號飛船與天宮一號成功自動對接，中國由此成為世界上第三個自主掌握空間交會對接技術(shù)的國家。2012年6月18日，神舟九號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器再次成功實現(xiàn)自動交會對接，中國3位航天員首次進(jìn)入在軌飛行器，之后順利完成手動交會對接。2013年6月13日，神舟十號飛船與天宮一號順利完成了自動交會對接。

天宮一號的發(fā)射標(biāo)志著中國已經(jīng)擁有建立初步空間站，即短期無人照料的空間站的能力，為后續(xù)空間實驗室和空間站的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

攻克交會對接世界級難題

無論是目前的小型空間實驗站，或是今后建立大型空間站，都離不開一個關(guān)鍵部件：對接機(jī)構(gòu)。此前，世界上掌握空間交會對接技術(shù)的只有俄羅斯和美國，但能夠獨立研制對接機(jī)構(gòu)的只有俄羅斯，連美國用于空間交會對接的對接機(jī)構(gòu)一般也是向俄羅斯采購。

當(dāng)時通過摸底和尋價，發(fā)現(xiàn)俄羅斯方面的開價堪稱“天價”：不僅購買對接機(jī)構(gòu)技術(shù)的設(shè)計專利費就要1億美元，其后引進(jìn)成熟的技術(shù)和現(xiàn)成的產(chǎn)品還要加錢，另外還不排除被搭售其他無關(guān)緊要的東西的可能?？紤]到今后中國載人航天要建空間站，多個航天器之間的交會對接以及天地往返運(yùn)輸任務(wù)也會較頻繁，所以我國決定自主研發(fā)。

但17年前，對接機(jī)構(gòu)要做成什么樣子，實現(xiàn)工程化的技術(shù)難點在哪里，很多概念都只是停留在模型和圖片資料上，一切都是未知數(shù)。對標(biāo)國際先進(jìn)，我們一開始就提出了采用跨越式發(fā)展的思路——研制能與國際空間站相匹配的異體同構(gòu)周邊式對接機(jī)構(gòu)。這種對接機(jī)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)、承載能力大，便于航天員在不同飛行器之間自如進(jìn)出.但與之相應(yīng)的難題便是重量大、對接初始條件要求嚴(yán)格、構(gòu)造復(fù)雜。

為了將這個方案論證清楚，中國航天科技集團(tuán)公司八院研制團(tuán)隊搜集和查閱了所有能找到的相關(guān)資料，在字里行間篩選點點滴滴可用的信息，翻譯俄羅斯對接機(jī)構(gòu)的相關(guān)書籍。前后收集到的各類資料裝滿了整整10個大箱子，僅論證報告的撰寫就用了3個多月時間。但是，如何把理論轉(zhuǎn)換為設(shè)計方案，又如何把方案變成符合工程應(yīng)用需求的實物，這是一個艱難的過程。擺在面前的第一道難關(guān)就是如何模擬太空微重力環(huán)境下的對接過程。

俄羅斯采用的是“吊掛”方案，即把兩個飛行器吊起來，利用鐘擺的原理來模擬初始對接過程，但這種方案在穩(wěn)定性上有很大的局限性。剛開始時，嘗試用滑車的方案，但試驗下來發(fā)現(xiàn)摩擦力太大，無法模擬飛行器在太空中的環(huán)境特性。后來，八院科技人員創(chuàng)造性地提出了氣浮平臺的方案。但這個方案的關(guān)鍵是需要建立兩個平整度高和穩(wěn)定性好的平臺，整個平臺在任何情況下平面高低起伏不能超過3‰毫米，也就是一根頭發(fā)絲直徑的1/20。通過查詢各種資料，發(fā)現(xiàn)只有泰山花崗巖才能滿足上述要求。于是，科技人員親赴泰山石礦區(qū)，在那里仔細(xì)考察了一個多月，終于開采到了兩塊70多噸重的大石頭。接著，又用5個多月的時間加工成兩個20噸重的精密平臺。在這個平臺上，兩個8噸重的飛船模型只須用手指輕輕一點就可移動，而且還可以根據(jù)實驗需要設(shè)置各種初始對接條件。俄羅斯專家參觀后，不由贊嘆：“這是當(dāng)今世界上水平最高的對接機(jī)構(gòu)試驗臺?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2024/07/01/qkimagesjgwhjgwh201307jgwh20130709-2-l.jpg"/>

成功，往往就是最后一小步的堅持。對接機(jī)構(gòu)第一次地面模擬試驗時，科技人員準(zhǔn)備了3套參數(shù)，把所有的零件、部件都準(zhǔn)備齊全了。雖然第一次試驗就獲得了較為理想的成果，但也暴露出設(shè)計中的一些問題。例如分離角速度過大的問題就成為一只攔路虎，足足困擾了科研人員一年。角速度是物體轉(zhuǎn)動快慢的一個物理量，手表秒針的角速度是6度/秒。角速度過大，在太空環(huán)境中就可能導(dǎo)致天宮一號和神舟八號發(fā)生碰撞，甚至不能分開，后果嚴(yán)重。一開始測得的分離角速度是0.2度/秒，這無法滿足設(shè)計要求。于是科研人員開始了攻關(guān)，分析、試驗；再攻關(guān)、再分析、再試驗……但試驗結(jié)果始終沒有大的改觀。

眼看任務(wù)周期一天天臨近，如果再找不到原因，將會影響整個交會對接任務(wù)的進(jìn)度。搞科研最大的痛苦在于攻關(guān)，而這又是一個精雕細(xì)琢的過程，沒有任何捷徑可走。經(jīng)過170多次的反復(fù)試驗、分析和改進(jìn)，最終科研人員用最嚴(yán)苛的環(huán)境條件來模擬，將分離角速度做到了0.1度/秒。2011年11月14日，神舟八號與天宮一號首次成功分離，科研人員一年半的艱辛付出終于獲得了令人驚喜的回報，分離角速度實測下來只有0.04度/秒。

為了航天員能吃上熱菜熱飯

電源系統(tǒng)對航天器來說，如同人體的心臟和血液一般重要，為航天器源源不斷地提供電能，是航天器成敗的關(guān)鍵。它吸收太陽的能量，轉(zhuǎn)化成電能，作為航天器上所有設(shè)備提供運(yùn)行的動力，同時又把多余的電能存儲起來，以備在沒有光照的時候保障航天器仍能正常工作。

在天宮一號之前，這顆“心臟”的動力并不算大，神舟六號上的航天員為了節(jié)省電能，在天上吃的是冷飯冷菜。最后建成的空間站和其他航天器相比，不僅是體積和試驗設(shè)備的增加，更要求為航天員提供一個可以長時間工作的舒適環(huán)境。為此，必須在天宮一號的供電模式上實現(xiàn)重大突破，采用更大功率的高壓母線系統(tǒng)，為后續(xù)空間站的順利實施打下堅實的基礎(chǔ)。

9年前的一個冬季，作為一支承擔(dān)了神舟一號至神舟七號電源系統(tǒng)研制任務(wù)的團(tuán)隊，天宮一號低軌高壓電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作責(zé)無旁貸地落在了八院科研團(tuán)隊肩上。

這是一個全新的課題，國內(nèi)沒有任何相關(guān)的研制基礎(chǔ)。通過前期的一些調(diào)研，科研人員曾樂觀地認(rèn)為低軌高壓電源系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵材料是可以通過國際市場購買或借鑒的?？蓛H僅過了一個春節(jié)，一個又一個的問題便接踵而至。首先是俄羅斯的技術(shù)合作項目出現(xiàn)了中斷，接著是日本將半剛性太陽帆板的關(guān)鍵材料、美國將氫鎳蓄電池的關(guān)鍵材料、歐洲將高壓元器件相繼對中國實施了出口封鎖。

國外的技術(shù)封鎖逼迫著研制團(tuán)隊只能通過自主創(chuàng)新研發(fā)空間電源技術(shù)。5年中，他們除了廣泛聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)單位，還牽頭電科集團(tuán)、兵器集團(tuán)、中科院、上海交大、東華大學(xué)等國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域最優(yōu)秀的50多家單位，開展了100多項技術(shù)攻關(guān)。攻關(guān)項目涵蓋電子、機(jī)械、化學(xué)、材料等多個領(lǐng)域。經(jīng)過艱苦攻關(guān)，終于研制出了比國外還要好的玻璃纖維網(wǎng)、離子交換膜、固體潤滑劑、高壓繼電器等近百項新材料、新器件、新技術(shù)。

2009年6月21日，神舟八號已基本完成了研制任務(wù)，可這時卻發(fā)現(xiàn)原有總體方案有一定的風(fēng)險。為了解決這一風(fēng)險，需要將供電能力設(shè)計值提升40%。這對電源系統(tǒng)來說是顛覆性的改變。系統(tǒng)、產(chǎn)品和測試設(shè)備全部需要重新設(shè)計。按照正常程序至少要兩年半時間，但留給研制人員的時間只有短短8個月。

那次決策會從中午12點開到了第二天凌晨5點，會議室里煙霧騰騰，大家都在思考：這么多新技術(shù)要上，還有那么多地面試驗都要重新做，8個月的時間能行嗎？如果不行，那就意味著其他系統(tǒng)已做好的工作就要停步或放緩，所有協(xié)調(diào)好的計劃節(jié)點就要為此更改，我國的交會對接試驗勢必就要為此而推遲。為了總體方案的可行和不突破最后的節(jié)點，經(jīng)過對技術(shù)的充分評估和對進(jìn)度的反復(fù)測算，研制人員最后決定：拼了命也要干成！于是，調(diào)度按時間節(jié)點倒排計劃，計劃安排精確到了小時。

當(dāng)拿到計劃表時，研制人員不禁感嘆：這簡直不是給人排的計劃！中國航天科技集團(tuán)公司八院第811研究所集中了所內(nèi)最優(yōu)秀的各類資源，全所專家參與論證把關(guān)。在這8個月的時間內(nèi)，除了春節(jié)休息兩天，所有設(shè)計師都吃住在所里，每天工作14個小時以上。為了進(jìn)一步壓縮時間，把原本串行的產(chǎn)品研制改為并行研制，對生產(chǎn)工人實行“三班倒”……就這樣，8個月后，終于攻克了這一道難題，產(chǎn)品提前十幾天交付總體。

筑起中國的“太空家園”

從世界載人航天發(fā)展的歷史經(jīng)驗看，空間站階段無法回避?？臻g站是人類向深空進(jìn)軍的重要試驗平臺，許多關(guān)鍵技術(shù)需要在空間站驗證。同時，空間站也是開展空間科學(xué)實驗、造福地球的重要平臺。

空間站潛在的技術(shù)突破和可能取得的重大實用價值得到了世界的認(rèn)可，建造空間站是通向未來更高更遠(yuǎn)目標(biāo)的必由之路。由于多種原因，中國尚未成為國際空間站（ISS）的成員國，但隨著天宮一號的發(fā)射和未來空間實驗室設(shè)想的不斷實現(xiàn)，我國將會更深入地參與國際空間站的活動。正如美國宇航專家詹姆斯·奧伯格所言，中國載人航天的飛速發(fā)展，不僅證明高科技水平日趨提高，也將使其獲得與國際空間站完全合作的機(jī)會。

太空授課的中國航天實力

6月20日，王亞平太空授課51分鐘實現(xiàn)不間斷直播，在普通老百姓看來是科普，背后卻是強(qiáng)大的航天實力。

授課期間，天宮神舟組合體繞地球飛行半圈多，受地球曲率影響，地面或海面單個測控站對340公里的測控、通訊控制范圍很小，如果要保持不間斷的通聯(lián)，理論上需要布設(shè)100多個站點，并均勻分布在地表，這在政治和經(jīng)濟(jì)上是不可能的。

數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星可以稱得上是當(dāng)今技術(shù)含量最高的通訊衛(wèi)星。穩(wěn)定無縫的數(shù)據(jù)傳輸，主要依靠三顆天鏈一號數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星來保障。在36000公里高空運(yùn)行的中繼衛(wèi)星捕獲和跟蹤340公里的神舟天宮，需要采用增益高、波束極窄的Ku/Ka波段天線進(jìn)行通訊，跟蹤精度達(dá)到0.06度。天線處于復(fù)雜的變速運(yùn)動狀態(tài)，在轉(zhuǎn)動速度、加速度和角速度上都沒有規(guī)律，天線的機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)不僅要精度高，而且要求在惡劣環(huán)境下長時間穩(wěn)定運(yùn)行；還有天線與衛(wèi)星的震動耦合問題，數(shù)米直徑的拋物面天線整體形面誤差要低于0.1毫米，這些都是需要克服的技術(shù)難題，而中國航天人克服了這些難題，保障了太空授課的完美出境。