“天宮”空間站：怎樣在太空搭積木？

王翔

為什么“ 1+1=1”？

1+1=？這是個(gè)數(shù)學(xué)問題，也可能成為哲學(xué)或文學(xué)問題。不同的語境下，它的答案是不一樣的。正在太空中組裝建造的中國空間站，給出了自己的答案：1+1=1。

系統(tǒng)的各部分各自獨(dú)立，組成系統(tǒng)時(shí)又相互聯(lián)系、相互作用，有機(jī)地形成一個(gè)整體。來自系統(tǒng)科學(xué)的這一思想，在中國空間站的設(shè)計(jì)中再次得到宏觀表達(dá)：組成空間站的各艙段（包括來訪飛船）原為獨(dú)立飛行器，對接后形成一個(gè)由空間站統(tǒng)一控制和管理的組合體;其組合過程實(shí)際上是控制權(quán)的交接或接管，新艙段將控制權(quán)交與空間站，將艙體與艙內(nèi)資源融入空間站，并成為擴(kuò)展后新的空間站的一部分。

枝葉新發(fā)，仍是樹木一棵;溪流蔓生，成就大河湯湯。

中國空間技術(shù)的重要開創(chuàng)者、“兩彈一星”元勛王希季先生將此復(fù)雜精密的過程言簡意賅地概括為“1+1=1”，并將其明確為突破、掌握載人航天器交會對接技術(shù)的標(biāo)志之一。

怎樣在太空搭積木？

我國“天宮”空間站的三艙T字基本構(gòu)型，大家應(yīng)該很熟悉了。把它轉(zhuǎn)化為公式，天宮空間站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：

1（天和）+1（問天）+1（夢天）=1（天宮）。

等式右側(cè)的“1”是一個(gè)完整系統(tǒng)，具備完整的功能、性能及系統(tǒng)冗余配置，所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)被分配至左側(cè)的三個(gè)“1”實(shí)現(xiàn)，而這三個(gè)“1”又分別是獨(dú)立的飛行器。這四個(gè)“1”，是同步設(shè)計(jì)出來的。

左側(cè)的三個(gè)“1”中，核心艙為組合體的管理中心。但與“和平號”及國際空間站不同的是，“天宮”并非直接以核心艙為基礎(chǔ)擴(kuò)展若干艙段，而是在核心艙上組裝兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙后，構(gòu)成一個(gè)更加完整和可靠的T字形“核心組合體”。在官方發(fā)布的空間站任務(wù)規(guī)劃中，此三艙的組裝任務(wù)被稱為“空間站建造階段”，正是說明了三艙作為空間站基本部分為后續(xù)擴(kuò)展艙段奠定基礎(chǔ)的地位。

“和平號”空間站和國際空間站，都是以核心艙的單艙為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展。其中，作為第一個(gè)以搭積木方式組建的多艙段空間站，“和平號”的整體功能隨著艙段的增加而不斷拼接完整;國際空間站則是在航天飛機(jī)支持下采用桁架結(jié)構(gòu)，因而具有規(guī)模擴(kuò)展性好的優(yōu)勢。

而中國空間站在采用新技術(shù)多維度實(shí)現(xiàn)“1+1=1”的基礎(chǔ)上加強(qiáng)系統(tǒng)集成，獨(dú)創(chuàng)性地一體化設(shè)計(jì)出整站三艙，爾后再開枝散葉地繼續(xù)生長。三艙以“1+1+1=1”的方式構(gòu)建了一個(gè)“組合體核心”，或者說強(qiáng)化版核心，作為“最強(qiáng)大腦”對整個(gè)空間站進(jìn)行統(tǒng)一管理，保證各艙段、飛行器動作協(xié)調(diào)，并且在通過信息和能源網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)后，正常情況下能實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一優(yōu)化使用，在故障情況下則有了更多的系統(tǒng)冗余。

這樣的總體設(shè)計(jì)，是對歷史上航天器系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展，更充分體現(xiàn)了我國空間站建設(shè)“在規(guī)模適度條件下追求高效率”的目標(biāo)，具有極高的資源利用效率和較強(qiáng)的系統(tǒng)冗余度。

從“天宮”構(gòu)型來看，三艙強(qiáng)耦合組成對稱的一體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)艙橫置端部分別配置了雙自由度大帆板。兩實(shí)驗(yàn)艙對向連接，形成近40米的結(jié)構(gòu)跨度，實(shí)際上起到了類似國際空間站桁架結(jié)構(gòu)的作用，較好地解決了帆板相互遮擋的問題，明顯優(yōu)于“和平號”各艙段的輻射狀連接形式。

從信息系統(tǒng)能力來看，核心艙發(fā)射后大家看到的高清天地圖像以及艙內(nèi)WiFi應(yīng)用、藍(lán)牙耳機(jī)等表現(xiàn)，證明了高速信息網(wǎng)絡(luò)的性能，說明基于此實(shí)現(xiàn)三艙并網(wǎng)融合及系統(tǒng)重構(gòu)有非常好的技術(shù)基礎(chǔ)。這么好的網(wǎng)絡(luò)不進(jìn)行動態(tài)并網(wǎng)、能力共享的話，簡直就是暴殄天物。

此外，從“天舟”貨運(yùn)飛船的任務(wù)規(guī)劃來看，貨運(yùn)飛船不僅要配合進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)給，而且必須在對接期間以自身發(fā)動機(jī)提供組合體的變軌動力——這又能給核心艙或“核心組合體”加上一個(gè)“1”。

俄羅斯的“進(jìn)步號”與歐洲的AT V這類典型的貨運(yùn)飛船，同樣能夠在交會對接后配合空間站對全站進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道維持。但由于種種技術(shù)和非技術(shù)障礙，國際空間站還有更多“1+1”不等于“1”的時(shí)候。例如，由于推進(jìn)劑補(bǔ)給統(tǒng)一使用俄羅斯的推進(jìn)系統(tǒng)，歐洲ATV飛船不得不單獨(dú)配置不同于自身推進(jìn)系統(tǒng)的補(bǔ)加貯箱裝載俄方使用的燃料，才能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑補(bǔ)給;國際空間站上俄羅斯艙段的熱控系統(tǒng)采用乙二醇作為回路工質(zhì)，美國艙段則采用水，兩者間的流體回路無法連通。

與之相比，“1+1=1”的思想貫穿于我國空間站設(shè)計(jì)的方方面面，從技術(shù)到管理都絕不會允許出現(xiàn)國際空間站上述系統(tǒng)不兼容的問題。

“1+1=1”，或者說“1+1+1=1”是我國建設(shè)空間站的核心理念之一，也是難點(diǎn)所在。比如，三艙并非同步研制且核心艙先于實(shí)驗(yàn)艙一年發(fā)射，這樣的安排能夠使空間站的建造更加穩(wěn)妥，但也帶來了三艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成驗(yàn)證的難度;作為第一個(gè)“1”，核心艙既要能獨(dú)立以單艙空間站模式運(yùn)行，又要作為樞紐將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙多維度融合，要求其功能必須最完整，系統(tǒng)能力最強(qiáng);兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙必須以完好的功能性能構(gòu)成完整的T形“核心組合體”，無形中又對實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射、交會對接，以及轉(zhuǎn)位任務(wù)實(shí)施的可靠性提高了要求。

系統(tǒng)工程實(shí)踐，科學(xué)思想先于工程?？v是千難萬險(xiǎn)，輕舟正過萬重山巒。