中国“天宫”：世界航天丰碑

中国空间站在轨运行示意图。　中国航天科技集团五院供图

 

　　航天员王亚平在中国空间站执行任务期间留影。　资料图片

 

　　一横一竖组成遨游太空的“T”字，积十多年苦功，中国天宫空间站建成了，铸就了中国载人航天工程和世界史上的一座丰碑。作为中国空间站建设的一分子，我以参与中国“天宫”建设为自己最大荣耀。

 

　　三步走，步步为营

 

　　1992年9月，中央决策实施载人航天工程，并确定了中国载人航天“三步走”的发展战略。第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

 

　　第一步是最基础的工作，目标是保证中国航天员能在太空生存，能安全返回。第二步主要是做突破性、验证性工作，实现中国航天员出舱，具备在太空工作的能力。这两步都是在为第三步做验证和铺垫，其中空间交会对接是至为关键的技术之一，空间站的组装、建造和长期飞行都要靠该技术来实现。

 

　　2003年，我进入中国航天科技集团五院即航天五院工作，第一个从头到尾参与的项目就是神舟八号，其核心目标是突破空间交会对接技术。按照规划，先发射一艘无人飞船（神舟八号）来验证无人空间交会对接技术，之后再实施两艘载人飞船即神舟九号和神舟十号任务。这3艘飞船是主备份关系，即如果神舟八号没有达到任务预期目标，就由神舟九号继续验证，神舟十号载人飞船则验证有人空间交会对接技术。由于神舟八号顺利完成了使命，神舟九号的任务被确定为验证有人交会对接技术，神舟十号的任务则是实现首次应用性飞。

 

　　作为目标飞行器，天宫二号其实是天宫一号的备份，其最初就被命名为“天宫一备”，由于天宫一号任务圆满成功，天宫二号的任务被确定为开展航天员中期驻留、推进剂在轨补加、在轨维修技术试验等。

 

　　就这样环环相扣，中国载人航天工程稳步前进。

 

　　2010年9月，《载人空间站工程实施方案》获批。之后历时约12年，经过空间实验室任务和空间站任务两个阶段，中国“太空之家”在轨建成。

 

　　“T”字型，可以拓展

 

　　除在九天之上运行的天宫空间站之外，我们其实还有两座“空间站”：一座是与天宫空间站1∶1镜像的“数字空间站”，用于进行仿真验证和数字推演等；另一座是测试用的“电性空间站”，其软硬件与在轨运行的“天宫”一模一样，可以实现与在轨的航天员视频连线并同步模拟系统工作与在轨活动等。通过这两座“空间站”，我们能够实现天地协同。

 

　　为了保障可靠、安全、长寿命运行，天宫空间站进行了一些冗余备份设计，要指出的是，这些冗余备份是经济的，不会出现“死冗余”“呆冗余”。比如，在3舱组合后，冗余备份可以共用，充分体现了“1+1=1”设计理念。再比如，核心舱虽然在载荷支持功能方面不如实验舱，但配置很高，仅控制系统的星敏感器就有4个，可以减少实验舱上的星敏感器数量。

 

　　中国“天宫”是一个可更新、可开放的系统，不仅能够实现硬件设备的维修、更换和升级，而且其本身可以根据需要拓展。“T”字基本构型建成后，可以在前向对接新舱段，形成“十”字构型，新舱段上带有节点舱，增加4个对接口和1个出舱口，既可以为巡天望远镜这一级别的航天器进行补给、维护、服务保障，也可以对接舱段级的“大块头”科学载荷。将来，国外的飞船或舱段也可以与“天宫”对接，这将大幅提升国际空间合作的水平。

 

　　目前，我们正在开展第四个舱段的方案论证和先期设计，将把更多精力用在为航天员提供更多活动空间、增加人性化设计、提升用户体验上。比如，把仪器仪表设计得更有科技美感，更适于随身穿戴。再比如，使操纵杆更符合人体工学、功能更强大。

 

　　最优解，彰显智慧

 

　　关于中国空间站构型布局，先后有十几种方案摆在桌面上供讨论和选择。综合多方面因素，特别是适配天地环境、满足功能性能要求、保障重要设备在轨工作等，我们最终选定“T”字构型。

 

　　选“T”字构型可以获得最大发电效率。通过在“T”字“横”的两段，设置双自由度太阳翼，能够保障最大限度利用太阳光。

 

　　“T”字构型可以保持前向、后向、径（下）向三向对接能力。前向、径向两个对接口可以接纳两艘载人飞船实现轮换，而且两个对接口都在轨道平面内，飞船可以在轨道面内沿飞行方向和沿轨道半径方向直接对接，无需对接后再转位，更安全。后向对接货运飞船，天宫空间站可以直接用货运飞船发动机进行轨道机动。

 

　　“T”字构型是最优解，彰显了中国航天人的智慧。

 

　　难关多，逐一攻克

 

　　空间站重在科研应用，我们所有的努力都旨在为科研应用打牢基础，让平台、结构、能源、信息、控制、生命保障等功能经得起考验，做到令人放心，同时赋予其足够的扩展能力和适应能力。

 

　　当然，要做到令人放心并不容易，在这个过程中，我们遇到了很多难题，其中有两类颇具代表性。

 

　　第一类与长寿命、长周期、长时间有关。一些材料在前期表现很好，却在工程研制中出问题，导致做长寿命试验时未能抵近极限。一些小尺寸材料做防原子氧处置效果很好，但是在用一些新方法、新技术在某些大尺寸材料上做，就出现瑕疵。

 

　　第二类与在地面无法完全真实模拟某些空间环境有关。由于地面仿真手段有限，对仿真对象了解不够深入，导致仿真模型不够准。比如在液体收集管理方面，我们在地面试验中做到收集率达到99%，在太空中即使达到98%也会造成麻烦，因为液体残留量会日积月累。

 

　　航天领域老前辈们常说：“识别关键技术进行攻关。”面对难关，我们不仅要攻破技术原理，而且要把工程实现的全过程走通，把每件产品质量做到极致，把各种状态摸透。可以说，我们一直在努力识别“未知”，量化“已知”并通过各种分析验证，借助相关数据反馈，把难关逐一攻克。

 

　　“天宫”的实验舱上有一对硕大的太阳翼，可以像大风车一样360°转动，非常炫酷。这对太阳翼就是我们用上述方式攻克难关取得的一大硕果。

 

　　该太阳翼尺寸特别大，单翼长约27米，展开面积138平方米。如此巨型的翼在轨展开后会产生怎么振动呢？由于在地面无法进行等尺寸动力学特性验证，我们只能从局部入手，对太阳翼伸展机构做单独的动力学特性验证，再通过仿真、数值补偿等办法推出完整的动力学特性，再结合核心舱的一套辨识系统，监测其太阳翼在轨振动、扰动情况并测出振动频率。 据此，我们在实验舱发射前对其太阳翼控制参数、仿真模型参数进行了修正。最终，实验舱振翅高飞，助力中国“天宫”遨游太空。

 

　　忙验证，三线并行

 

　　天和核心舱在发射入轨后约一年间，在两艘载人飞船和两艘货运飞船配合下，完成了“关键技术验证阶段”。这一阶段是系统工程一个生命周期寻求满意解的“最后一公里”。对于空间站建造来说，在该阶段有空间站推进剂补加、再生生保、舱外操作、在轨维修等7大关键技术要在轨验证。

 

　　再生生保即再生式生命保障是人类实现中长期载人飞行最核心的关键技术之一，既受微重力环境影响，又有时间效应。在空间站微重力环境下，水处理、尿处理、电解制氧等构成的自我循环系统与在地面的表现不同，同时需要足够长的时间才能建立起物质平衡，这就需要航天员在轨生活数月进行验证。

 

　　2021年6月，神舟十二号飞行乘组进入核心舱，中国空间站开始载人飞行，对相关性能进行在轨验证。之后，神舟十三号和神舟十四号飞行乘组入驻“天宫”，进行了一些舱外操作验证，完成对空间站上机电产品、有流体回路的产品的设置。值得一提的是，神舟十三号航天员乘组在地面科技人员的密切协同下，在空间站核心舱内采取手控遥操作方式，圆满完成了天舟二号货运飞船与空间站组合体交会对接试验。

 

　　空间站关键技术验证阶段之后就是空间站在轨建造阶段。那几年，我们一边研制舱段，一边做空间站关键技术验证，还一边谋划空间站长期运行模式，可谓三线并进。

 

　　大系统，团结协作

 

　　空间站的设计空前复杂，系统多、接口多、状态多，组织体系和设计体系特殊。

 

　　舱段上各分系统由众多单位负责，研制难度超过了很多航天器。由于各部分自身是一个独立系统，同时又要融入整个大系统中，涉及大量协调和优化工作。

 

　　作为中国空间站系统总指挥，我时刻关注各分系统之间的相互影响，从空间站大系统的视角来看问题，做“系统决策”。让我非常感动的是，空间站系统所有参与人员都多年如一日，兢兢业业、精益求精、忘我工作，都着眼大局、服务大局、团结协作。大家为了完成同一个目标，倾情付出，贡献自己的汗水和聪明才智。

 

　　中国载人航天工程系统当然是更庞大的系统，除了空间站系统之外，还有载人飞船系统、货运飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统等。只有各系统群策群力、密切协作才能保障中国载人航天工程取得成功。

 

　　多年来，中国空间站系统获得其他兄弟系统的鼎力支持。飞船系统的有些技术，已经应用很久，非常成熟了，但是为了适应空间站需求，做出了必要调整。对运载火箭系统，空间站不仅要求其推力大、起飞重量大，而且要求箭舱分离时的冲击力小。火箭系统团队与我们精诚合作，携手实现了目标。空间站舱段发射对入轨精度要求高，对发射时间窗口有限制。为了满足要求，发射场系统团队和火箭系统团队积极努力，使空间站舱段精准入轨，给空间交会对接创造了好条件。同时，测控系统不断加强和优化陆、海和天基测控资源，提供优质测控服务。

 

　　航天是“千人一枚箭、万人一杆枪”的事业，正是靠着万众一心的团结协作精神，中国空间站建成，遨游于九天之上。

 

　　随着中国“天宫”的诞生，中国航天站上了新起点，国际科技界拥有了一项新的太空科研基础设施。我们深信，这座由中国人设计并主导、向世界开放的空间站将充分体现载人航天的价值，为人类进一步认识宇宙、更好利用空间资源做出卓越贡献。     

 

　　（王翔 本文作者王翔为空间站系统总指挥，由陈立根据作者口述整理）　中国科协科学技术传播中心与本报合作推出