天宮一號(hào)關(guān)鍵技術(shù)：攻克世界級(jí)難題

巴軒

2013年6月25日上午，神舟十號(hào)飛船從天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器上方繞飛至其后方，完成近距離交會(huì)。繞飛試驗(yàn)實(shí)施期間，航天員聶海勝、張曉光、王亞平在神舟十號(hào)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(shí)準(zhǔn)確地向地面報(bào)告繞飛試驗(yàn)進(jìn)展情況。我國(guó)首次航天器繞飛交會(huì)試驗(yàn)取得成功。媒體普遍認(rèn)為，我國(guó)計(jì)劃在2020年左右發(fā)射長(zhǎng)期有人照料的空間站，神舟十號(hào)與天空一號(hào)的成功交會(huì)對(duì)接是邁向這一目標(biāo)的最新一步。

天宮一號(hào)的由來(lái)

天宮一號(hào)的任務(wù)方案早在1992年國(guó)家制訂中國(guó)載人航天“三步走”戰(zhàn)略時(shí)就已確定。2002年，方案論證和審查后，天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器整個(gè)任務(wù)方案通過(guò)。但天宮一號(hào)尚未定名，只是稱為“目標(biāo)飛行器”。2006年，天宮一號(hào)進(jìn)入初樣研制階段，并命名為“天宮一號(hào)”。為什么要以此命名，一種說(shuō)法是希望宇航員們?cè)谔罩猩畹牡胤胶团c宮殿一樣舒適。另一種說(shuō)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(duì)于一般老百姓而言，天宮一號(hào)的名字很容易使人聯(lián)想起中國(guó)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(duì)未知太空的通俗叫法。因此，以天宮一號(hào)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(hào)是中國(guó)首個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)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(jì)在軌壽命兩年。由于天宮一號(hào)是空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)中的被動(dòng)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(hào)、神舟九號(hào)、神舟十號(hào)，被稱作“追蹤飛行器”，入軌后主動(dòng)接近目標(biāo)飛行器，并進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。

2011年11月，神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)成功自動(dòng)對(duì)接，中國(guó)由此成為世界上第三個(gè)自主掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家。2012年6月18日，神舟九號(hào)飛船與天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器再次成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，中國(guó)3位航天員首次進(jìn)入在軌飛行器，之后順利完成手動(dòng)交會(huì)對(duì)接。2013年6月13日，神舟十號(hào)飛船與天宮一號(hào)順利完成了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。

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

攻克交會(huì)對(duì)接世界級(jí)難題

無(wú)論是目前的小型空間實(shí)驗(yàn)站，或是今后建立大型空間站，都離不開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵部件：對(duì)接機(jī)構(gòu)。此前，世界上掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的只有俄羅斯和美國(guó)，但能夠獨(dú)立研制對(duì)接機(jī)構(gòu)的只有俄羅斯，連美國(guó)用于空間交會(huì)對(duì)接的對(duì)接機(jī)構(gòu)一般也是向俄羅斯采購(gòu)。

當(dāng)時(shí)通過(guò)摸底和尋價(jià)，發(fā)現(xiàn)俄羅斯方面的開(kāi)價(jià)堪稱“天價(jià)”：不僅購(gòu)買對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)的設(shè)計(jì)專利費(fèi)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(wú)關(guān)緊要的東西的可能?？紤]到今后中國(guó)載人航天要建空間站，多個(gè)航天器之間的交會(huì)對(duì)接以及天地往返運(yùn)輸任務(wù)也會(huì)較頻繁，所以我國(guó)決定自主研發(fā)。

但17年前，對(duì)接機(jī)構(gòu)要做成什么樣子，實(shí)現(xiàn)工程化的技術(shù)難點(diǎn)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(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)，我們一開(kāi)始就提出了采用跨越式發(fā)展的思路——研制能與國(guó)際空間站相匹配的異體同構(gòu)周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)。這種對(duì)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(duì)接初始條件要求嚴(yán)格、構(gòu)造復(fù)雜。

為了將這個(gè)方案論證清楚，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司八院研制團(tuán)隊(duì)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(diǎn)點(diǎn)滴滴可用的信息，翻譯俄羅斯對(duì)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(gè)大箱子，僅論證報(bào)告的撰寫就用了3個(gè)多月時(shí)間。但是，如何把理論轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)方案，又如何把方案變成符合工程應(yīng)用需求的實(shí)物，這是一個(gè)艱難的過(guò)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(duì)接過(guò)程。

俄羅斯采用的是“吊掛”方案，即把兩個(gè)飛行器吊起來(lái)，利用鐘擺的原理來(lái)模擬初始對(duì)接過(guò)程，但這種方案在穩(wěn)定性上有很大的局限性。剛開(kāi)始時(shí)，嘗試用滑車的方案，但試驗(yàn)下來(lái)發(fā)現(xiàn)摩擦力太大，無(wú)法模擬飛行器在太空中的環(huán)境特性。后來(lái)，八院科技人員創(chuàng)造性地提出了氣浮平臺(tái)的方案。但這個(gè)方案的關(guān)鍵是需要建立兩個(gè)平整度高和穩(wěn)定性好的平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)在任何情況下平面高低起伏不能超過(guò)3‰毫米，也就是一根頭發(fā)絲直徑的1/20。通過(guò)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(gè)多月，終于開(kāi)采到了兩塊70多噸重的大石頭。接著，又用5個(gè)多月的時(shí)間加工成兩個(gè)20噸重的精密平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，兩個(gè)8噸重的飛船模型只須用手指輕輕一點(diǎn)就可移動(dòng)，而且還可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置各種初始對(duì)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(duì)接機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)?！?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(jiān)持。對(duì)接機(jī)構(gòu)第一次地面模擬試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)就獲得了較為理想的成果，但也暴露出設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題。例如分離角速度過(guò)大的問(wèn)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(dòng)快慢的一個(gè)物理量，手表秒針的角速度是6度/秒。角速度過(guò)大，在太空環(huán)境中就可能導(dǎo)致天宮一號(hào)和神舟八號(hào)發(fā)生碰撞，甚至不能分開(kāi)，后果嚴(yán)重。一開(kāi)始測(cè)得的分離角速度是0.2度/秒，這無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。于是科研人員開(kāi)始了攻關(guān)，分析、試驗(yàn)；再攻關(guān)、再分析、再試驗(yàn)……但試驗(yàn)結(jié)果始終沒(méi)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(huì)影響整個(gè)交會(huì)對(duì)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(gè)精雕細(xì)琢的過(guò)程，沒(méi)有任何捷徑可走。經(jīng)過(guò)170多次的反復(fù)試驗(yàn)、分析和改進(jìn)，最終科研人員用最嚴(yán)苛的環(huán)境條件來(lái)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(hào)與天宮一號(hào)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(bào)，分離角速度實(shí)測(cè)下來(lái)只有0.04度/秒。

為了航天員能吃上熱菜熱飯

電源系統(tǒng)對(duì)航天器來(lái)說(shuō)，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(yáng)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(dòng)力，同時(shí)又把多余的電能存儲(chǔ)起來(lái)，以備在沒(méi)有光照的時(shí)候保障航天器仍能正常工作。

在天宮一號(hào)之前，這顆“心臟”的動(dòng)力并不算大，神舟六號(hào)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(yàn)設(shè)備的增加，更要求為航天員提供一個(gè)可以長(zhǎng)時(shí)間工作的舒適環(huán)境。為此，必須在天宮一號(hào)的供電模式上實(shí)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(shí)施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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

這是一個(gè)全新的課題，國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何相關(guān)的研制基礎(chǔ)。通過(guò)前期的一些調(diào)研，科研人員曾樂(lè)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(guò)國(guó)際市場(chǎng)購(gòu)買或借鑒的?？蓛H僅過(guò)了一個(gè)春節(jié)，一個(gè)又一個(gè)的問(wèn)題便接踵而至。首先是俄羅斯的技術(shù)合作項(xiàng)目出現(xiàn)了中斷，接著是日本將半剛性太陽(yáng)帆板的關(guān)鍵材料、美國(guó)將氫鎳蓄電池的關(guān)鍵材料、歐洲將高壓元器件相繼對(duì)中國(guó)實(shí)施了出口封鎖。

國(guó)外的技術(shù)封鎖逼迫著研制團(tuán)隊(duì)只能通過(guò)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(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域最優(yōu)秀的50多家單位，開(kāi)展了100多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。攻關(guān)項(xiàng)目涵蓋電子、機(jī)械、化學(xué)、材料等多個(gè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，終于研制出了比國(guó)外還要好的玻璃纖維網(wǎng)、離子交換膜、固體潤(rùn)滑劑、高壓繼電器等近百項(xiàng)新材料、新器件、新技術(shù)。

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

那次決策會(huì)從中午12點(diǎn)開(kāi)到了第二天凌晨5點(diǎn)，會(huì)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(yàn)都要重新做，8個(gè)月的時(shí)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(jì)劃節(jié)點(diǎn)就要為此更改，我國(guó)的交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)勢(shì)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(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)技術(shù)的充分評(píng)估和對(duì)進(jìn)度的反復(fù)測(cè)算，研制人員最后決定：拼了命也要干成！于是，調(diào)度按時(shí)間節(jié)點(diǎn)倒排計(jì)劃，計(jì)劃安排精確到了小時(shí)。

當(dāng)拿到計(jì)劃表時(shí)，研制人員不禁感嘆：這簡(jiǎn)直不是給人排的計(jì)劃！中國(guó)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(gè)月的時(shí)間內(nèi)，除了春節(jié)休息兩天，所有設(shè)計(jì)師都吃住在所里，每天工作14個(gè)小時(shí)以上。為了進(jìn)一步壓縮時(shí)間，把原本串行的產(chǎn)品研制改為并行研制，對(duì)生產(chǎn)工人實(shí)行“三班倒”……就這樣，8個(gè)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(guó)的“太空家園”

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

空間站潛在的技術(shù)突破和可能取得的重大實(shí)用價(jià)值得到了世界的認(rèn)可，建造空間站是通向未來(lái)更高更遠(yuǎn)目標(biāo)的必由之路。由于多種原因，中國(guó)尚未成為國(guó)際空間站（ISS）的成員國(guó)，但隨著天宮一號(hào)的發(fā)射和未來(lái)空間實(shí)驗(yàn)室設(shè)想的不斷實(shí)現(xiàn)，我國(guó)將會(huì)更深入地參與國(guó)際空間站的活動(dòng)。正如美國(guó)宇航專家詹姆斯·奧伯格所言，中國(guó)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(guó)際空間站完全合作的機(jī)會(huì)。

太空授課的中國(guó)航天實(shí)力

6月20日，王亞平太空授課51分鐘實(shí)現(xiàn)不間斷直播，在普通老百姓看來(lái)是科普，背后卻是強(qiáng)大的航天實(shí)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(gè)測(cè)控站對(duì)340公里的測(cè)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(gè)站點(diǎn)，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(wú)縫的數(shù)據(jù)傳輸，主要依靠三顆天鏈一號(hào)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星來(lái)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(dòng)狀態(tài)，在轉(zhuǎn)動(dòng)速度、加速度和角速度上都沒(méi)有規(guī)律，天線的機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅要精度高，而且要求在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；還有天線與衛(wèi)星的震動(dòng)耦合問(wèn)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(guó)航天人克服了這些難題，保障了太空授課的完美出境。