矢志不渝十六載 構(gòu)建中國特色的空間站

沈曉鵬

對接是載人航天活動中最重要的技術(shù)之一，是空間站組裝的核心技術(shù)。利用對接技術(shù)可以進行空間飛行器的連接。無論是目前的小型空間實驗室，或是今后建立大型空間站，對接的實現(xiàn)都離不開一個關(guān)鍵部件，即對接機構(gòu)。沒有它，建立空間站，維持空間站的正常運行，航天員的定期更換，以及提供給空間站一切必要條件的天地往返運輸任務(wù)，都無從談起。

美俄認為“中國造不出自己的對接機構(gòu)”

1992年9月，中央決策實施載人航天工程并確定了我國載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。對接機構(gòu)技術(shù)是實現(xiàn)工程第二步要突破的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。但對接機構(gòu)技術(shù)是世界公認的難點，原我國載人航天工程總設(shè)計師王永志說，交會對接是載人航天工程中難度最大、最為光輝的技術(shù)亮點。

20世紀90年代初，對接技術(shù)只有俄羅斯和美國掌握，其他的國家或者航天組織對這項技術(shù)始終望而生畏，難以突破。上海航天的研制人員在參觀俄羅斯“能源”火箭公司對接機構(gòu)研制車間時，那位車間主任自豪地說：世界上所有的對接機構(gòu)都是他們這里生產(chǎn)出來的。俄方還直截了當?shù)馗嬖V中方，對接機構(gòu)的研制難度非常大，并極力慫恿買他們的產(chǎn)品。

載人航天工程決策層就交會對接技術(shù)到底是走引進成熟技術(shù)、購買現(xiàn)成產(chǎn)品的道路，還是走主要依靠自己的技術(shù)力量、走獨立自主研制的道路進行了充分調(diào)研。

當時通過摸底和尋價，得知俄羅斯方面的開價是，僅購買他們對接機構(gòu)技術(shù)的設(shè)計專利費就要1億美元，然后引進成熟的技術(shù)和現(xiàn)成的產(chǎn)品再要花一大筆昂貴的價錢。另外，他們還要搭售許多無關(guān)緊要的東西給中國，俄羅斯方面開出的條件，讓中國航天人難以接受。而中國要建立自己的空間站，空間交會對接技術(shù)是必須突破和掌握的。并且用于空間站交會對接的對接機構(gòu)不僅是一套兩套，今后中國載人航天建立空間站，進行各個航天器之間的交會對接、完成天地往返運輸任務(wù)等較為頻繁，對接機構(gòu)的用量也較多，而關(guān)鍵部件和關(guān)鍵技術(shù)一旦掌握在別人手里，失去了自主權(quán)，對于中國載人航天事業(yè)的進一步發(fā)展十分不利。于是，中國航天人下決心走自力更生、自主創(chuàng)新的路。而“接單”的正是上海航天人！

白手起家，十六年埋頭攻關(guān)

1995年初，上海航天805所剛成立對接機構(gòu)研制隊伍時，這個團隊僅有7人。中國載人航天工程載人飛船、空間實驗室系統(tǒng)副總設(shè)計師張崇峰博士就是當年7人團隊中的開創(chuàng)者之一。當時還是哈工大導師的他被交會對接任務(wù)的巨大挑戰(zhàn)所吸引，毅然來到805所，多年來他始終默默無聞地堅守在一線。張崇峰最欣賞的一句格言是：“只有執(zhí)著追求，才能取得成功?！边@句話成為了支撐他走向成功的信念，也成為對接機構(gòu)團隊無數(shù)默默奉獻的人堅守的信仰。

對標國際先進，上海航天人一開始便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)周邊式對接機構(gòu)，保證人貨通行方便。異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)適應(yīng)性高、承載能力強，但與此相應(yīng)的是重量大、對接初始條件要求嚴格、構(gòu)造復(fù)雜。為了將這個方案論證清楚，整個團隊，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，翻譯俄羅斯對接機構(gòu)的相關(guān)書籍。收集到的各類資料裝滿了整整十個大箱子，僅論證報告的撰寫就用了三個多月時間。艱辛付出沒有白費，通過一輪輪的評審和質(zhì)詢，國家最終采納了團隊提出的方案，上海航天人邁出了對接機構(gòu)研制決定性的一步。

回首對接機構(gòu)的研制之路，就是一個不斷碰到新問題、不斷解決新問題的創(chuàng)新歷程。把理論轉(zhuǎn)化為設(shè)計方案難，而把方案變成符合工程應(yīng)用需求的實物更是難上加難！搞工程，最重要的就是通過各種試驗來驗證設(shè)計的正確性，如何模擬太空微重力環(huán)境下的對接過程成為擺在上海航天人面前的第一道難關(guān)。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，團隊嘗試用滑車方案，但是摩擦力太大，無法模擬飛行器在太空中的環(huán)境特性。后來一名設(shè)計師建設(shè)性地提出氣浮平臺的方案。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千分之三毫米，也就是1/20根頭發(fā)絲的直徑。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，設(shè)計師親赴泰山石礦區(qū)，仔細考察了一個多月，終于開采到了兩塊70多噸重的大石頭，又用五個多月的時間加工成兩個20噸重的精細平臺。在這個平臺上，兩個8噸重的飛船模型只要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：“這是當今世界上水平最高的對接機構(gòu)地面試驗設(shè)備?！?/p>

有時候，成功往往就是源于最后一小步的堅持。2007年，對接機構(gòu)地面模擬試驗時測得分離角速度太大，超過了0.35度/秒，達不到設(shè)計要求。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。角速度對飛行器分離后的姿態(tài)影響非常大，角速度過大，就可能導致天宮一號和神舟飛船發(fā)生碰撞甚至側(cè)翻，后果不堪設(shè)想。航天人開始了無休止的攻關(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?？茖W是嚴謹?shù)?，需要用?shù)據(jù)和事實說話。搞科研最大的痛苦在于攻關(guān)，而這卻又是一個精雕細琢的過程，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，最終用最嚴苛的環(huán)境條件來模擬，將分離角速度做到了0.1度/秒。

誰都無法否認，成功就是意味著超常人的付出。對上海航天人來說，連續(xù)十幾天工作到凌晨2、3點，周六、周日也得不到休息是常有的事。柏合民是對接機構(gòu)團隊中的一名研制人員，2000年9月，對接機構(gòu)項目正是需要進一步深入攻關(guān)的關(guān)鍵時刻，剛博士畢業(yè)的他便加入了對接機構(gòu)研制隊伍。在研制初期，他找來各種各樣的機構(gòu)方面的書籍，認真揣摩，反復(fù)研究。到2007年，經(jīng)過前期的積累和總結(jié)，他對機構(gòu)的把握已經(jīng)到了一個常人無法理解的高度：機構(gòu)的實物，只要讓他看一眼，他就知道工作原理。柏合民曾說過：人生的意義，在于不斷地追求；人生的歡樂，源自事業(yè)的成功。他的隨身提包里永遠備著簡單的出差物品，可以說不是在出差的路上，就是在隨時準備出差的過程中。

2011年11月3日凌晨1時29分，經(jīng)歷近43小時飛行和五次變軌的“神舟八號”飛船與等待已久的“天宮一號”成功對接，在靜謐太空中上演了一場屬于中國的“天神擁吻”盛景，這標志著我國成為世界上第三個獨立掌握交會對接技術(shù)的國家，并達到世界領(lǐng)先水平。上海航天人歷經(jīng)十六年艱辛努力，給中國航天交出了完美答卷。

從“輕量級”到“重量級”，為空間站建設(shè)奠定基礎(chǔ)

神舟八號天宮一號首次交會對接任務(wù)結(jié)束后不久，還未來得及休整的上海航天人就立即投入到新型號研制——貨運飛船對接機構(gòu)的研制。神舟八號和天宮都是8噸級的航天器，其對接在上海航天人看來已經(jīng)是重量級選手間的高難度動作了，但是對于接下來的空間站來說還是“輕量級”的，第二代貨運飛船對接機構(gòu)必須適應(yīng)未來空間站建造階段8～180噸各種噸位、各種方式的對接，包括偏心對接，其間將會產(chǎn)生巨大的對接能量，對對接機構(gòu)的緩沖耗能能力提出很高的要求，這也是空間建造階段必須突破的一項技術(shù)。這直接導致了貨運飛船對接機構(gòu)初始研制的巨大壓力。

壓力越大，挑戰(zhàn)越大，動力也就越大。貨運飛船主任設(shè)計師邱華勇頂住壓力，帶領(lǐng)設(shè)計師通過大量的技術(shù)攻關(guān)和方案論證，破解了這一難題，為了既不影響原捕獲性能，方便捕獲，又實現(xiàn)對接機構(gòu)捕獲后的大噸位耗能需求，系統(tǒng)性提出了可控阻尼的控制思路，增大貨運飛船吸收能量的能力，使大噸位的飛行器對接更平穩(wěn)。接下來研制團隊一路披荊斬棘：在2012年底就完成可控阻尼器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2014年完成初樣設(shè)計驗證，2015年完成天舟一號正樣產(chǎn)品研制。邱華勇帶領(lǐng)團隊，攻克了一個個難關(guān)，按時完成了一個個階段性節(jié)點。過程是艱辛的，結(jié)局是美好的。2017年4月22日12時23分，天舟一號與天宮二號空間實驗室成功實現(xiàn)在軌首次交會對接，第二代對接機構(gòu)首秀表現(xiàn)完美。

空間交會對接是一個龐大的系統(tǒng)工程，它肩負著推動中國載人航天事業(yè)繼續(xù)向前發(fā)展的偉大使命，任重而道遠。二十三年來，上海航天的設(shè)計師們堅實地走好了每一步。通過對接機構(gòu)研制工作，建立了清晰的組織體系和工作模式，確立了相應(yīng)的研制標準和規(guī)范，孕育了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，培養(yǎng)了一支技術(shù)能力強、能攻關(guān)能創(chuàng)新、作風硬朗、吃苦耐勞、管理有效的設(shè)計、生產(chǎn)和試驗人員隊伍。對接機構(gòu)先后榮獲“國家科技進步特等獎”“軍隊科技進步一等獎”“國防科學技術(shù)進步一等獎”，發(fā)表科技論文100余篇，獲得國防專利授權(quán)87項。隨著載人工程第三步——空間站研制不斷深入，上海航天的設(shè)計師們必將抓住機遇，為我國航天的繪制更壯美的畫卷。

（作者單位：上海宇航系統(tǒng)工程研究所）