神舟飛天天宮探夢(mèng)

王亞男　俞敏

摘要：文章解釋了載人飛船和空間站的基本概念，對(duì)軌道交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的控制方式和基本原理進(jìn)行了說明，介紹了中國實(shí)現(xiàn)載人交會(huì)對(duì)接的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)施過程，重點(diǎn)闡述了軌道交會(huì)對(duì)接對(duì)于中國載人航天工程的重要意義。

關(guān)鍵詞：載人飛船，空間站，空間實(shí)驗(yàn)室，空間交會(huì)，空間對(duì)接

中圖分類號(hào)：N04；V2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2016.06.011

Abstract：This article explains the basic concepts of manned spaceship and space station， introduces the basic theories and control methods for orbital rendezvous and docking system. Furthermore， the article also makes a brief description of the technical features and development of orbital rendezvous and docking of Chinese manned spaceship with space station， especially points out the significance of rendezvous and docking technology for Chinese manned space project.

Keywords： manned spaceship， space station， space lab， space rendezvous， space docking

引言

2016年10月17日7時(shí)30分，酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射塔架上，一團(tuán)明亮的尾焰從長征二F遙11運(yùn)載火箭下方噴薄而出，火箭緩緩上升，迅速加速，沖出大氣層，直奔預(yù)定軌道。在火箭頭部的整流罩內(nèi)，容納著神舟十一號(hào)載人飛船和本次任務(wù)航天員景海鵬、陳冬。10月19日凌晨，神舟十一號(hào)飛船與在軌運(yùn)行的天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，景海鵬和陳冬進(jìn)入天宮二號(hào)，開始為期33天的中期駐留任務(wù)。駐留期間，兩位航天員將進(jìn)行數(shù)十項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也為中國航天員在軌中期乃至長期駐留積累科學(xué)數(shù)據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)的對(duì)接和航天員駐留任務(wù)，標(biāo)志著中國神舟系列飛船和空間實(shí)驗(yàn)室技術(shù)已經(jīng)成熟，具備了保障航天員中期駐留生活和工作的能力。

中國載人飛船的名稱“神舟”，蘊(yùn)含著中華民族的文化、歷史特色，表明這是一艘神圣的船、神奇的船、13億神州的船，同時(shí)能夠體現(xiàn)航天器的功能或用途，字面上就能了解這一航天器是飛船[1]。中國空間實(shí)驗(yàn)室的名稱“天宮”，同樣具有濃郁的民族特色，寄托華人無限憧憬?！疤鞂m”即“天上宮殿”，很容易和“空間實(shí)驗(yàn)室”“空間站”這些概念聯(lián)系起來[2]。究竟什么是載人飛船？空間站與空間實(shí)驗(yàn)室有何區(qū)別？交會(huì)對(duì)接是如何進(jìn)行的？本文對(duì)載人航天交會(huì)對(duì)接相關(guān)術(shù)語解讀如下。

一載人飛船是什么

載人飛船（manned spacecraft）是能保障航天員在外層空間生活和工作以執(zhí)行航天任務(wù)并安全返回地面的航天器。載人飛船可以獨(dú)立執(zhí)行航天任務(wù)，是目前最小的一種載人船天器，僅能往返使用一次，在太空軌道上一般能單獨(dú)飛行數(shù)天到十幾天，也可作為往返于地面和空間站之間或地面和月球以及地面和行星之間的“渡船”，還能與空間站或其他航天器對(duì)接后進(jìn)行聯(lián)合飛行[3]。載人飛船通常借助運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入太空，繞地球軌道運(yùn)行或進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)飛行。從結(jié)構(gòu)上看，載人飛船一般分為軌道艙、服務(wù)艙和返回艙三個(gè)部分。軌道艙是航天員在太空任務(wù)中工作和生活的空間，這一部分具備功能完善的生活保障系統(tǒng)，并擁有各種觀測(cè)儀器和通信設(shè)備。返回艙也是密閉座艙，它能耐受再入大氣層時(shí)氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的高溫，依靠巨大的減速傘系統(tǒng)和反沖火箭進(jìn)行減速，保證航天員安全返回地面。在飛船起飛和再入大氣層階段，航天員都處于返回艙內(nèi)。服務(wù)艙也稱作儀器設(shè)備艙，它的內(nèi)部裝有電子設(shè)備以及環(huán)境控制、推進(jìn)系統(tǒng)和部分通信設(shè)備，此外還裝有變軌發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料貯箱等。服務(wù)艙外部還裝有用于產(chǎn)生電能的太陽能電池帆板。

二空間站和空間實(shí)驗(yàn)室的概念和區(qū)別

空間站（space station）通常也被稱作軌道站或軌道空間站，它實(shí)際上是一種能夠支持乘員長期逗留的在軌運(yùn)行的航天器，也可以理解為一種在特定高度軌道上運(yùn)行的“載人衛(wèi)星”。空間站一般具備兩個(gè)基本條件：首先具備能支持乘員長期在軌逗留，滿足工作和生活的各種功能需要；其次必須具備作為目標(biāo)航天器的交會(huì)對(duì)接能力，這樣載人飛船和貨運(yùn)飛船才能與空間站實(shí)現(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)航天員的輪換和物資的補(bǔ)給。

空間站不同于普通的載人飛船，它一般不具備主推進(jìn)系統(tǒng)，也不具備再入著陸系統(tǒng)（緊急情況下供乘員逃生用的飛船除外）。

空間站是重要的航天研究平臺(tái)，也是航天研究重要的基礎(chǔ)設(shè)施，它可以用來研究長期太空飛行對(duì)人類身體機(jī)能的影響，可以從事大量和長期的太空科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，這樣的太空實(shí)驗(yàn)條件是任何其他航天器都難以提供的?，F(xiàn)代空間站多采用多艙室結(jié)構(gòu)，即以核心節(jié)點(diǎn)艙為中心，周邊安裝多個(gè)功能艙組成聯(lián)合體，實(shí)現(xiàn)長期在軌運(yùn)行和工作。迄今為止單次太空任務(wù)航天員在軌駐留最長的紀(jì)錄是：俄羅斯航天員瓦列伊·波利亞科夫在“和平”號(hào)空間站上停留了437.7天。

空間實(shí)驗(yàn)室（space laboratory）尚沒有明確的定義，它是為了發(fā)展空間站，從載人飛船過渡到載人航天基礎(chǔ)設(shè)施的試驗(yàn)性航天器。它強(qiáng)調(diào)功能，可能是一種空間站，也可能作為空間站附屬，或航天飛機(jī)搭載的空間設(shè)備。迄今為止，中國先后發(fā)射過兩個(gè)具備空間實(shí)驗(yàn)室特征的航天器：天宮一號(hào)和天宮二號(hào)。

天空實(shí)驗(yàn)室（Skylab）原本是美國發(fā)射的第一個(gè)空間站，從1973年一直運(yùn)行到1979年。如今天空實(shí)驗(yàn)室被航天界看作是空間站技術(shù)的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是邁向成熟空間站技術(shù)的重要關(guān)口。美國1973年利用“土星”V號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室重達(dá)77.1噸，它包括一個(gè)工作艙、一個(gè)太陽觀測(cè)艙和其他任務(wù)系統(tǒng)。天空實(shí)驗(yàn)室入軌后，美國陸續(xù)發(fā)射了3艘載人飛船，每次運(yùn)載3名航天員前往天空實(shí)驗(yàn)室。

從裝配方式上，天空實(shí)驗(yàn)室的工作艙、過渡艙、對(duì)接艙和太陽能望遠(yuǎn)鏡在地面組裝好，借助“土星”V號(hào)運(yùn)載火箭送入軌道，之后再將載有3名航天員的“阿波羅”飛船送入軌道，“阿波羅”飛船同天空實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)部分對(duì)接，組成完整的天空實(shí)驗(yàn)室。天空實(shí)驗(yàn)室與標(biāo)準(zhǔn)意義上的空間站的主要區(qū)別是，前者的基礎(chǔ)部分是在地面裝配完成，整體發(fā)射入軌，載人飛船通過交會(huì)對(duì)接與空間站連接成組合體，航天員進(jìn)入天空實(shí)驗(yàn)室駐留和工作；后者則是把各個(gè)艙室分別發(fā)射升空入軌，在軌道通過多次交會(huì)對(duì)接構(gòu)成空間站組合體，組合體擁有兩個(gè)或更多對(duì)接機(jī)構(gòu)，可供載人飛船或貨運(yùn)飛船使用，其功能比天空實(shí)驗(yàn)室更為強(qiáng)大，保障能力也更為完善。美國通過天空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃，驗(yàn)證了飛船與天空實(shí)驗(yàn)室軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)、艙外作業(yè)技術(shù)、航天員中長期在軌駐留等多項(xiàng)技術(shù)，并進(jìn)行了大量太空科學(xué)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)，為美國后來在全球范圍內(nèi)組織國際空間站項(xiàng)目準(zhǔn)備了基本條件。

三空間交會(huì)對(duì)接

1. 空間交會(huì)對(duì)接的概念及實(shí)現(xiàn)過程

空間交會(huì)對(duì)接（space rendezvous and docking）是指兩個(gè)航天器在空間軌道上會(huì)合，并在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體，是實(shí)現(xiàn)空間站、飛船等空間系統(tǒng)的裝配、回收、補(bǔ)給、維修、航天員交換及營救等在軌服務(wù)的先決條件，也是載人航天活動(dòng)的基本技術(shù)之一。2011年11月3日凌晨，神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)實(shí)現(xiàn)中國首次空間交會(huì)對(duì)接。2012年6月18日14時(shí)，神舟九號(hào)飛船與天宮一號(hào)實(shí)現(xiàn)中國第二次空間交會(huì)對(duì)接，這是中國飛船首次載人交會(huì)對(duì)接。這次成功交會(huì)對(duì)接使中國成為繼俄羅斯和美國后世界上第三個(gè)完全掌握空間交會(huì)對(duì)接的國家。

交會(huì)對(duì)接要求地面發(fā)射兩個(gè)航天器，通常先發(fā)射目標(biāo)航天器，后發(fā)射追蹤航天器。追蹤航天器進(jìn)入軌道后，先是運(yùn)行在比目標(biāo)航天器稍低一些的圓軌道，然后通過霍曼變軌進(jìn)入與目標(biāo)航天器基本一致的軌道，并與目標(biāo)航天器建立通信聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)軌道一致后，追蹤航天器調(diào)整自己與目標(biāo)航天器的相對(duì)距離和姿態(tài)，逐漸靠近目標(biāo)航天器。當(dāng)兩個(gè)航天器的距離為零時(shí)，追蹤航天器與目標(biāo)航天器通過對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固連接。兩個(gè)航天器隨后開啟艙門，實(shí)現(xiàn)空間共通，航天員可以在兩個(gè)航天器之間移動(dòng)，完成既定任務(wù)。

在交會(huì)對(duì)接過程中，追蹤飛行器的飛行可以分為遠(yuǎn)程導(dǎo)引、近程導(dǎo)引、最終逼近和對(duì)接?？克膫€(gè)階段。在遠(yuǎn)程引導(dǎo)階段，追蹤飛行器在地面測(cè)控的支持下經(jīng)過若干次變軌機(jī)動(dòng)，進(jìn)入到追蹤航天器上的敏感器能捕獲目標(biāo)飛行器的范圍，一般為15～100千米。在近程導(dǎo)引段，追蹤飛行器根據(jù)自身配備的微波和激光敏感器實(shí)時(shí)測(cè)量與目標(biāo)飛行器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，自動(dòng)引導(dǎo)到目標(biāo)飛行器附近的初始瞄準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)兩者相距0.5～1千米。在最終逼近段，追蹤飛行器將捕捉目標(biāo)飛行器的對(duì)接軸，并根據(jù)情況進(jìn)行適度機(jī)動(dòng)，進(jìn)入對(duì)接走廊，此時(shí)兩個(gè)飛行器接近至100米，相對(duì)速度約1～3米/秒。在對(duì)接?？慷?，追蹤飛行器利用光學(xué)傳感器精確測(cè)量兩個(gè)飛行器的距離、相對(duì)速度和姿態(tài)，同時(shí)利用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)，沿對(duì)接走廊向目標(biāo)飛行器接近。在對(duì)接前，追蹤飛行器關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以0.15～0.18米/秒的停靠速度與目標(biāo)相撞，利用栓-錐或異體同構(gòu)周邊對(duì)接裝置使兩個(gè)飛行器在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)硬連接，同時(shí)完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。

2. 空間交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)

空間交會(huì)對(duì)接要求兩個(gè)航天器在軌道上組成聯(lián)合體，這就要求目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器配備專門的對(duì)接機(jī)構(gòu)。對(duì)接機(jī)構(gòu)是能夠?qū)蓚€(gè)飛行器連接并鎖定成為穩(wěn)固聯(lián)合體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。按照對(duì)接機(jī)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)和工作原理，空間對(duì)接機(jī)構(gòu)可分為“環(huán)-錐”式、“桿-錐”式、“異體同構(gòu)周邊”式和“抓手-碰撞鎖”式四種?！碍h(huán)-錐”式機(jī)構(gòu)是最早期的對(duì)接機(jī)構(gòu)，它由內(nèi)截頂圓錐和外截頂圓錐組成?！皸U-錐”式（也叫“栓-錐”式結(jié)構(gòu)）是在兩個(gè)航天器對(duì)接面上分別裝有栓和錐的對(duì)接機(jī)構(gòu)，俄羅斯“聯(lián)盟”飛船與“禮炮”號(hào)空間站、美國“阿波羅”登月艙與指令艙等的對(duì)接都曾采用這種對(duì)接機(jī)構(gòu)。這種對(duì)接結(jié)構(gòu)由于不具備既有主動(dòng)又有被動(dòng)的功能，所以不利于實(shí)施空間營救。“異體同構(gòu)周邊”式是一種比較新穎的對(duì)接機(jī)構(gòu)，能夠使航天器既可作為對(duì)接主動(dòng)方，也可以作為被動(dòng)方，這對(duì)于空間作業(yè)特別重要。此外，這種結(jié)構(gòu)將所有定向和鎖定部件都安裝在中央艙口的四周，保證中央往來通道的暢通。蘇聯(lián)“聯(lián)盟-19”飛船與美國“阿波羅-18”飛船、航天飛機(jī)與“和平”號(hào)空間站、航天飛機(jī)與國際空間站等對(duì)接，都采用這種對(duì)接機(jī)構(gòu)[4]?！白ナ?碰撞鎖”式機(jī)構(gòu)是無密封性能、無通道口的設(shè)計(jì)，適于不載人航天器之間的對(duì)接，如無人空間平臺(tái)、空間拖船等。

3. 空間交會(huì)對(duì)接的控制方式

兩個(gè)航天器要在空間完成交會(huì)對(duì)接，必須擁有十分完善的控制手段。根據(jù)航天員及地面站的參與程度不同，空間交會(huì)對(duì)接的控制方式可以分為遙控操作、手動(dòng)操作、自動(dòng)控制和自主控制四種類型。遙控操作方式下，追蹤航天器全部由地面站通過遙測(cè)和遙控來實(shí)現(xiàn)，航天員不參與控制，但遙控操作要求在全球廣大區(qū)域設(shè)有地面站或利用中繼衛(wèi)星支持。手動(dòng)操作方式是指航天員在地面測(cè)控站的指導(dǎo)下，對(duì)追蹤航天器的姿態(tài)和軌道進(jìn)行觀察和判斷，通過手動(dòng)操作啟動(dòng)航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)，完成交會(huì)對(duì)接。自動(dòng)控制方式同樣不依靠航天員，而是由目標(biāo)航天器與追蹤航天器自身攜帶的精密測(cè)量設(shè)備和姿態(tài)控制系統(tǒng)相配合，在地面站的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。自動(dòng)控制方式同樣要求在地面設(shè)有多處測(cè)控站或中繼衛(wèi)星支持。自主控制方式完全依靠航天器自身設(shè)備自主實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，不依賴航天員和地面站，對(duì)技術(shù)水平的要求較高。

4. 空間交會(huì)對(duì)接的意義

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)在載人航天工程方面有著特別重要的意義。首先，通過空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，可以為長期運(yùn)行的空間設(shè)施提供物資補(bǔ)給和人員運(yùn)輸服務(wù)。其次，空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)為大型空間設(shè)施的建造和運(yùn)行維護(hù)服務(wù)提供了可能?！昂推健碧?hào)就是由陸續(xù)發(fā)射升空的各艙段在軌交會(huì)對(duì)接組裝完成的，而國際空間站除了利用空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)組裝各艙段外，還利用航天飛機(jī)的運(yùn)輸能力以及航天員艙外操作，實(shí)現(xiàn)了包括桁架、太陽電池帆板和艙段的組裝。通過在軌交會(huì)對(duì)接技術(shù)，美國還利用航天飛機(jī)和航天員實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡的維修。最后，空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間飛行器的重構(gòu)和系統(tǒng)優(yōu)化。例如，“阿波羅”載人登月任務(wù)中，在地球軌道和月球軌道各進(jìn)行了一次交會(huì)對(duì)接，用以解決火箭上升段逃逸質(zhì)量與人員進(jìn)入登月飛行器通道之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)登月飛行器與返回地球飛行器的功能區(qū)分和獨(dú)立，大幅降低了對(duì)火箭運(yùn)載能力的需求。

中國載人航天工程分為三個(gè)階段。第一階段為載人飛船階段，第二階段為空間實(shí)驗(yàn)室階段，第三階段為空間站建設(shè)階段。每個(gè)階段都分兩步走，三個(gè)階段總計(jì)分為六個(gè)步驟。第一步，發(fā)射4艘無人飛船，攻克載人航天的技術(shù)難關(guān)；第二步，發(fā)射若干載人飛船，建成初步配套的實(shí)驗(yàn)性載人飛船工程，實(shí)施航天員出艙活動(dòng)，開展空間應(yīng)用試驗(yàn)；第三步，突破載人飛船和空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)；第四步，建設(shè)小型空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模、短期有人照料的空間應(yīng)用問題；第五步，初步規(guī)劃在2020年左右建造60噸級(jí)空間站，解決較大規(guī)模、長期有人照料的空間應(yīng)用問題；第六步，在實(shí)施月球探測(cè)工程基礎(chǔ)上，開展未來載人登月的各項(xiàng)預(yù)先研究和技術(shù)準(zhǔn)備[5]。

2011年9月29日天宮一號(hào)作為目標(biāo)飛行器順利升空。11月1日神舟八號(hào)無人飛船升空，并于11月3日與天宮一號(hào)從對(duì)接機(jī)構(gòu)接觸開始，經(jīng)過捕獲、緩沖、拉近、鎖緊4個(gè)步驟成功實(shí)現(xiàn)剛性連接，形成組合體，中國載人航天首次空間交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)獲得成功。組合體飛行12天后，神舟八號(hào)飛船脫離天宮一號(hào)并再次與之成功進(jìn)行交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，這標(biāo)志著中國突破了空間交會(huì)對(duì)接及組合體運(yùn)行等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

2012年6月16日載有3名航天員的神舟九號(hào)載人飛船順利升空，并于6月18日與天宮一號(hào)對(duì)接成功。6月24日3名航天員完成手控交會(huì)對(duì)接。這是中國首次載人空間交會(huì)對(duì)接，意義重大，中國的飛船成為真正的載人天地往返工具，能把人送到空間站或者空間實(shí)驗(yàn)室中去。

2013年6月11日神舟十號(hào)載人飛船順利升空，并于6月13日與天宮一號(hào)進(jìn)行首次交會(huì)對(duì)接。在這次太空飛行中，3名中國航天員在太空工作生活了15天，神舟十號(hào)先后與天宮一號(hào)進(jìn)行1次自動(dòng)交會(huì)對(duì)接和1次航天員手控交會(huì)對(duì)接。

2016年神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)的交會(huì)對(duì)接，是迄今為止交會(huì)對(duì)接組合體最長的一次載人飛行。

對(duì)于中國載人航天工程而言，交會(huì)對(duì)接技術(shù)是建設(shè)中國載人空間站、確保載人航天工程可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)基石之一。交會(huì)對(duì)接技術(shù)涉及系統(tǒng)眾多、技術(shù)復(fù)雜，要求載人航天工程各系統(tǒng)在若干技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和突破。同時(shí)，交會(huì)對(duì)接技術(shù)的突破也將帶動(dòng)中國航天技術(shù)的整體進(jìn)步，增強(qiáng)中國航天的整體實(shí)力。

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