中國(guó)空間站建設(shè)中的“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(yǔ)境下，它的答案是不一樣的。

正在太空中組裝建造的中國(guó)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(lái)自系統(tǒng)科學(xué)的這一思想，在中國(guó)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(lái)訪飛船）原為獨(dú)立飛行器，對(duì)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(guò)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)資源融入空間站并形成擴(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(guó)空間技術(shù)的重要開創(chuàng)者、“兩彈一星”元?jiǎng)淄跸＜鞠壬鷮⒋藦?fù)雜精密的過(guò)程言簡(jiǎn)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(huì)對(duì)接技術(shù)的標(biāo)志之一。

一覽人類航天史上的多艙段航天器飛行任務(wù)可以發(fā)現(xiàn)，“1+1=1”有著不同層次和程度上的實(shí)現(xiàn)，而這個(gè)看似簡(jiǎn)單的加法并不容易。

1975年，阿波羅18號(hào)飛船和聯(lián)盟19號(hào)飛船對(duì)接成功，在經(jīng)歷了1天 23小時(shí)的飛行后，二者各自返回地球。在打開艙門的那一刻，蘇聯(lián)宇航員阿列克謝·列昂諾夫與美國(guó)宇航員托馬斯·斯坦福德緊握雙手，這是人類歷史上最偉大的時(shí)刻之一。

結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)控制的“1+1”。美國(guó)采用雙子座飛船與改裝后的二級(jí)火箭進(jìn)行對(duì)接，對(duì)接后由飛船進(jìn)行組合體控制;蘇聯(lián)用兩艘飛船相互對(duì)接，對(duì)接后由模擬空間站的被動(dòng)飛船進(jìn)行組合體控制;1975年的阿波羅-聯(lián)盟測(cè)試計(jì)劃（ASTP），美蘇兩個(gè)飛行器互換角色進(jìn)行了兩次對(duì)接，分別擔(dān)任主控方。這些任務(wù)中，對(duì)接前的目標(biāo)飛行器與追蹤飛行器獨(dú)立進(jìn)行各自的運(yùn)動(dòng)控制，對(duì)接后的兩飛行器通過(guò)剛性連接裝置在結(jié)構(gòu)上成為一體，形成了具有新的幾何構(gòu)型和質(zhì)量、慣量特性的組合體，隨后由兩飛行器中的一方統(tǒng)一對(duì)此組合體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。兩個(gè)飛行器的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)控制必須實(shí)現(xiàn)“1+1=1”，這是形成組合體最基本的要求，也是早期交會(huì)對(duì)接飛行試驗(yàn)首先解決的基礎(chǔ)技術(shù)。

信息系統(tǒng)的“1+1”。人類太空探索活動(dòng)進(jìn)入空間站時(shí)代后，空間站的計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)接上來(lái)的新艙段進(jìn)行統(tǒng)一管理，是為常態(tài)。實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)融合的基礎(chǔ)是通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩飛行器的電路連接，也可以在對(duì)接后由航天員手動(dòng)拉線連接——國(guó)際空間站不少出艙活動(dòng)，都包含了手動(dòng)連接空間站與艙段電纜的任務(wù)。來(lái)自不同航天器的信息怎么融合？從最基礎(chǔ)的相互采集遙測(cè)信息、代傳指令，到信息網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)重構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)的重構(gòu)為其中一種典型應(yīng)用：空間站的控制器通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)連通統(tǒng)一使用各個(gè)艙段的敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（發(fā)動(dòng)機(jī)），從而實(shí)現(xiàn)控制優(yōu)化。

能源系統(tǒng)的“1+1”。俄羅斯電影《太空救援》講了蘇聯(lián)禮炮計(jì)劃中最后一個(gè)空間站禮炮7號(hào)在軌失控后的救援行動(dòng)，這段真實(shí)歷史就涉及能源系統(tǒng)的維修和恢復(fù)。兩個(gè)飛行器供電網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)有多種模式：（1）單向由空間站向新艙段輸電并完全供其所需。比如，被航天飛機(jī)送上天連接至國(guó)際空間站后，歐洲和日本艙段完全由站上提供能源。（2）單向補(bǔ)充新艙段的供電短缺。比如，飛船對(duì)接至空間站后，因帆板受遮擋等原因?qū)е伦陨戆l(fā)電能力受限，由空間站提供部分能源彌補(bǔ)不足。（3）雙向供電實(shí)現(xiàn)能源跨艙段調(diào)配。空間站自身的可發(fā)電艙段通常以此模式工作，以靈活滿足不同負(fù)載的使用需求。（4）在空間站出現(xiàn)故障或短時(shí)功耗過(guò)大情況下，通過(guò)飛船向站供電滿足應(yīng)急需求。上述的禮炮7號(hào)電源失效后，曾考慮讓航天員從聯(lián)盟T13飛船拉電源線至空間站進(jìn)行供電，后因擔(dān)心短路故障影響飛船電源，改為直接維修禮炮號(hào)設(shè)備。

熱控流體回路的“1+1”。能源調(diào)配總是伴隨著設(shè)備發(fā)熱及散熱的調(diào)配。高效率的熱調(diào)配措施是將艙段間的熱控流體回路連通，直接將熱量跨艙傳輸。此方法也可以用于均衡熱控輻射器的散熱能力，或在輻射器局部受損時(shí)進(jìn)行散熱區(qū)域調(diào)配。

載人環(huán)境的“1+1”。中國(guó)航天員在飛船對(duì)接上核心艙后不久即開艙門進(jìn)入空間站，這是因?yàn)楹诵呐撆c飛船采用了相同的壓力體制，大氣總壓和氧分壓設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，只需進(jìn)行壓力平衡消除微小壓差即可。這就是密封艙連通后整個(gè)飛行器形成統(tǒng)一載人環(huán)境的結(jié)果。而在美蘇ASTP計(jì)劃中，聯(lián)盟飛船采用760mmHg、20%含氧量的標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)設(shè)計(jì)，阿波羅飛船為260mmHg和100%純氧環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)真正的“太空握手”，聯(lián)盟飛船將大氣環(huán)境設(shè)置為520mmHg、40%含氧量，并在對(duì)接后進(jìn)一步將壓力降至500mmHg，阿波羅飛船則在對(duì)接后充入氮?dú)庹{(diào)整空氣成分并增壓，這才打開了艙門。

推進(jìn)系統(tǒng)的“1+1”。媒體報(bào)道說(shuō)，5月30日與中國(guó)空間站核心艙對(duì)接的天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船除運(yùn)送物資外，“還需要實(shí)現(xiàn)與核心艙交會(huì)對(duì)接后的推進(jìn)劑補(bǔ)給”。這里被稱為“太空加油”的推進(jìn)劑補(bǔ)加，可以視作一種特殊的、短時(shí)間的推進(jìn)劑貯箱連通融合。

天宮空間站：我們?cè)鯓釉谔焐洗罘e木？

我國(guó)“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(mèng)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(lái)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(hào)及國(guó)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(shuō)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(hào)空間站和國(guó)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(hào)的整體功能隨著艙段的增加而不斷拼接完整;國(guó)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(shì)。D29D2B94-AE6C-4A5D-B46D-560E633E5A64

而中國(guó)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(zhǎng)。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(shuō)強(qiáng)化版核心，作為“最強(qiáng)大腦”對(duì)整個(gè)空間站進(jìn)行統(tǒng)一管理，保證各艙段、飛行器動(dòng)作協(xié)調(diào)，并且在通過(guò)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，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(duì)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(guó)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(lái)看，三艙強(qiáng)耦合組成對(duì)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(duì)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(guó)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(hào)各艙段的輻射狀連接形式。

從信息系統(tǒng)能力來(lái)看，核心艙發(fā)射后大家看到的高清天地圖像以及艙內(nèi)Wi-Fi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(shuō)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(dòng)態(tài)并網(wǎng)、能力共享的話，簡(jiǎn)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(lái)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(duì)接期間以自身發(fā)動(dòng)機(jī)提供組合體的變軌動(dòng)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(hào)與歐洲的ATV這類典型的貨運(yùn)飛船，同樣能夠在交會(huì)對(duì)接后配合空間站對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)艙段則采用水，兩者間的流體回路無(wú)法連通。

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

“1+1=1”或者說(shuō)“1+1+1=1”是我國(guó)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(lái)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(wú)形中又對(duì)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射、交會(huì)對(duì)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。縱是千難萬(wàn)險(xiǎn)，輕舟正過(guò)萬(wàn)重山巒。D29D2B94-AE6C-4A5D-B46D-560E633E5A64