王翔：空間站，開始了

口述/王翔 文/陳立 攝/宿東等

“一橫一豎”，十年的苦功?？臻g站建成，說明我們的系統(tǒng)工程實踐向前跨了一大步，這是我最引以為榮的。大家都很開心，我也是，但感受還不太一樣。這是新的開始，我們要做的事還有很多，好戲在后頭。我很期待這座由中國人設(shè)計并主導(dǎo)、向世界開放的空間站，在運營中充分體現(xiàn)載人航天的價值。

是目標(biāo)，也是開始

《載人空間站工程實施方案》2010 年獲批，載人航天“三步走”戰(zhàn)略中的“第三步”拉開序幕，也就是神舟八號飛船發(fā)射的前一年。在那之前，“第二步”的飛行任務(wù)主要是在做突破性、驗證性工作。像航天員出艙，是證明人具備在天上工作的能力，因為空間站需要航天員長期駐留。而空間站的組裝、建造和長期飛行，又要靠交會對接來實現(xiàn)，先得把多個艙段拼成整體。這是建造空間站前要掌握的兩個“大技術(shù)”。再往前，“第一步”更是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)，保證人在天上能生存，能安全返回?！暗谝徊健焙汀暗诙健倍际窃跒椤暗谌健弊鲵炞C和鋪墊。

所以從廣義上講，建造空間站的時間跨度遠(yuǎn)不止這12 年。我們的副總設(shè)計師劉剛過去30 年都在干載人航天，從分系統(tǒng)崗位干到總體崗位。這種“老資歷”對團(tuán)隊的幫助是很大的。我2003 年才進(jìn)入航天科技集團(tuán)五院工作，第一個從頭到尾參與研制的項目就是交會對接（神舟八號）任務(wù)。

中國在實現(xiàn)了飛船安全飛行、航天員安全出艙安全返回后，接下來就是要掌握交會對接技術(shù)。當(dāng)時的規(guī)劃是先用一艘無人船（神舟八號）驗證一遍，后面兩艘船再上人。三艘船有主備份關(guān)系，如果神舟八號的任務(wù)沒完成好，神舟九號就繼續(xù)驗證無人交會對接技術(shù)，神舟十號再上人。因為神舟八號和天宮一號的交會對接任務(wù)完成得很好，所以神舟九號就進(jìn)一步驗證了有人交會對接技術(shù)，神舟十號則實現(xiàn)了首次應(yīng)用性飛行，有了第一次太空授課。這些都是環(huán)環(huán)相扣的。天宮二號也是天宮一號的備份，開始叫“天宮一備”，后來作為空間實驗室首發(fā)的天宮一號飛得很好，它就又承擔(dān)了新的任務(wù)。

建成空間站是“第三步”的目標(biāo)，但又是一個開始。載人航天工程即將進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段，考慮到空間站要長期運營，我們從一開始就要照著“可更新、可擴展、可開放”的目標(biāo)來設(shè)計它。

空間站會“變形”

其實我們有3 座空間站。按照工程總體賦予的任務(wù)，五院成立載人航天器運營支持中心（八院成立分中心），里面有一座與天上空間站1：1鏡像的數(shù)字空間站，可以進(jìn)行仿真驗證、數(shù)字推演。還有一座測試用的電性空間站，軟硬件和天上的一模一樣，由三艙的初樣產(chǎn)品改造而成，能和天上航天員視頻連線并同步模擬系統(tǒng)工作與在軌活動。堅持“1+1=1”設(shè)計理念的空間站作為一個可更新、可擴展、可開放的系統(tǒng)，運營起來一定是動態(tài)的，所以我們非常需要這種天地協(xié)同。

以后，站上的硬件設(shè)備壞了能修，到壽命了能換。軟件也沒問題，信息技術(shù)發(fā)展日新月異，天地同步更新不在話下。許多人關(guān)心空間站會如何擴展?！癟”字基本構(gòu)型建成后，可以在前向?qū)有屡摱?，形成“十”字?gòu)型，新艙段上帶有節(jié)點艙，增加4 個對接口和1 個出艙口，既可以為巡天望遠(yuǎn)鏡這一級別的航天器進(jìn)行補給、維護(hù)、服務(wù)保障，還可以對接艙段級的“大塊頭”科學(xué)載荷?，F(xiàn)在我們送上天的實驗項目都是基于機柜一級的載荷，量級小。像柔性充氣艙這種艙段級的實驗項目，就需要有專門的對接口和足夠的資源來保障。值得期待的還有很多，新一代可重復(fù)使用的載人飛船服役后，一次可以運6～7 個人到空間站，還可以帶很多東西回來。不管是“十”字還是“干”字構(gòu)型，想象空間巨大，與帶人工重力的航天器甚至另外一個空間站對接在理論上也是可行的。有了這種擴展能力，開放合作就可以上升到更高的層次。目前空間站上的國際合作還停留在外國來做實驗階段，有了新的對接口后，國外的飛船或艙段可以過來，空間站的功能就擴展了。大家還可以聯(lián)合研制新技術(shù)，比如我們的國外同行正在研究新一代對接機構(gòu)，如果用中國空間站作為試驗驗證平臺，雙方會有很多交流和收獲，這些都可以算進(jìn)空間站費效比的賬里。未來它會像一個工業(yè)區(qū)，不僅工程師、科學(xué)家能來，外面的企業(yè)、機構(gòu)也可以。我們把水電氣網(wǎng)這些資源保障好，“廠房”和設(shè)備一應(yīng)俱全，大家可以開展深層次項目合作?，F(xiàn)在空間站上資源有限，主要還是用來保障整個平臺可靠、安全、長壽命運行。雖然上了很多冗余備份來保證可靠性，但要解釋的是，這些冗余備份一定是有效的、經(jīng)濟(jì)的，很少有“死冗余”“呆冗余”。在三艙組合后，冗余可以共用，這也是“1+1=1”設(shè)計理念的體現(xiàn)。核心艙就是個單艙空間站，雖然載荷支持功能不如實驗艙，但平臺配置絕對是“高配”，光控制系統(tǒng)的星敏感器就有4 個，保證各個方向的星星都能“看見”。實驗艙上的星敏感器隨之就少了，三艙總線一并網(wǎng)，大家共用。再比如貨運飛船上的中繼終端，也可以為三艙服務(wù)。我們正在開展第四個艙段的方案論證和先期設(shè)計，以后會將更多精力用在為航天員提供更多活動空間、增加人性化設(shè)計、提升用戶體驗上。比如，儀器儀表還可以設(shè)計得更有科技美感和更適于隨身穿戴。再比如，操縱桿為什么不能更符合人體工學(xué)、功能更強大點呢？總之，資源夠了，發(fā)揮的空間就大了。

▲ 神舟八號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器實施對接

“未知”和“已知”

空間站的好戲還在后頭，我們過去所做的一切就是盡可能把基礎(chǔ)打牢，把平臺、結(jié)構(gòu)、能源、信息、控制、生命保障等功能做到令人放心，同時又賦予其足夠的擴展能力和適應(yīng)能力。

要做到令人放心并不容易，在這個過程中遇到了不少問題，講兩類有代表性的。

第一類跟長壽命長周期長時間有關(guān)。一些材料在載人航天一期、二期工程中表現(xiàn)很好，卻在三期工程研制中出問題。這跟我們對材料特性的了解、對關(guān)鍵風(fēng)險點的識別不夠有關(guān)系，導(dǎo)致做長壽命試驗時未能抵近極限。還有工藝的問題。我們在小尺寸材料上做防原子氧的處置可以做得很漂亮，有很多新方法新技術(shù)，在某些大尺寸材料上做就有瑕疵。另外，對一些成熟工藝做了改進(jìn)，帶來的蝴蝶效應(yīng)要很長時間才顯現(xiàn)。

第二類問題的源頭是地面沒法完全真實地模擬某些空間環(huán)境。誰都知道要用好地面仿真手段，可對仿真對象的了解不夠深，模型就做不準(zhǔn)。我們自認(rèn)為地面驗證情況已經(jīng)與微重力環(huán)境比較近似了。例如液體收集管理，我們在試驗中關(guān)注收集率，比如說達(dá)到了99%，指標(biāo)很好了，但這個結(jié)果很可能是在地面重力的幫忙下達(dá)到的。實際在天上即使達(dá)到了98%，好像與地面試驗只差1%，但殘留量就多了一倍。殘留的總量雖然不大，但日積月累也會給我們帶來麻煩。

“已知”和“未知”是天壤之別。但我們造空間站，光有定性的“已知”還不足以真正解決工程問題，得足夠準(zhǔn)確地量化“已知”才行。航天人老講“識別關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)”，這些攻關(guān)最大的特點或者難點就在于你不光要攻技術(shù)原理，還得把工程實現(xiàn)的全過程走通，把每個產(chǎn)品都做到家，把各種狀態(tài)都摸透，最后有一套手段“控制住”。

是不是很難？這就是我們每天經(jīng)歷的，也是工程從構(gòu)想、藍(lán)圖到最終實現(xiàn)所必需的。

從識別“未知”到量化“已知”，我們主要還是通過各種分析驗證，做一些有針對性的地面試驗。來自天上的數(shù)據(jù)反饋能助上一臂之力，甚至直接決定了我們的成敗。

實驗艙上碩大的太陽翼可以像大風(fēng)車一樣360°轉(zhuǎn)動，看上去很酷，給它做試驗就經(jīng)歷了這么一個過程。

這個太陽翼尺寸特別大，單側(cè)長27 米，展開面積138 平方米，它在天上展開后會怎么振動是未知的。太陽翼連同伸展機構(gòu)那么大一片，在地面展開的話，沒辦法做1：1 的動力學(xué)特性驗證，我們最大的真空罐也就能放下實驗艙（不到20 米高）。我們只能從局部入手，對伸展機構(gòu)做單獨的動力學(xué)特性驗證，再通過仿真、數(shù)值補償?shù)绒k法去推出完整的動力學(xué)特性，但總是不放心。

這時候天上的核心艙就起作用了。艙上帶了一套辨識系統(tǒng)，通過監(jiān)測核心艙太陽翼在天上的振動、擾動，測出振動頻率。

“正問題”是知道振動頻率，去預(yù)測怎么振動?，F(xiàn)在是在天上看怎么振動，再反推出振動頻率，研究它的動力學(xué)特性。我們把這叫“反問題”，通過表征反推本質(zhì)。

有了核心艙的數(shù)據(jù)反饋，眼見為實了，我們在實驗艙上天前把它的太陽翼控制參數(shù)、仿真模型參數(shù)都修正了一遍，心里才踏實。

核心艙單飛那一年

剛才說的這種反饋，在核心艙在軌期間是持續(xù)不斷進(jìn)行的，涉及面大到航天器的設(shè)計狀態(tài)、控制模型，小到航天員生活工作上不方便的地方。為什么管天和核心艙單飛那一年叫空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段？因為建造空間站的七大關(guān)鍵技術(shù)要在天上驗證，包括空間站推進(jìn)劑補加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅(qū)動機構(gòu)、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修。

像艙外操作和在軌維修都會用到的機械臂，就需要在天上充分驗證。載人航天工程總設(shè)計師周建平說過一句話：沒有機械臂，我們的空間站就是個和平號，有了機械臂才能跟國際空間站媲美。機械臂能把航天員在天上的操作能力擴展、提升一個量級?？臻g站配備了大小兩個機械臂，設(shè)備搬運和大范圍轉(zhuǎn)移工作不在話下。重活和精細(xì)活都能干，組合在一起又是個“1+1=1”的案例。

再生生保技術(shù)也很典型，既受微重力環(huán)境影響，又有時間效應(yīng)。有很多液體的處理，包括水處理、尿處理、電解制氧等，這些在微重力環(huán)境下的表現(xiàn)跟地面不一樣。這套自我循環(huán)系統(tǒng)又需要足夠長的時間才能建立起物質(zhì)平衡，這也是航天員要在天上待夠幾個月的原因。不突破這項技術(shù)，就得頻繁地給航天員送補給，成本非常大。

空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段之后就是建造階段。該驗證的驗證了，該考核的考核了，我們對核心艙足以承擔(dān)10～15 年飛行任務(wù)充滿信心了，才放心往下走。這幾年，我們一邊在地面研制艙段，一邊在天上做技術(shù)驗證，還一邊把空間站設(shè)置成長期運行的模式，三線并進(jìn)。

▲ 空間站核心艙

2021 年神舟十二號飛行乘組進(jìn)入核心艙后，把該開的設(shè)備開起來，該運行的運行起來，該循環(huán)的循環(huán)起來，讓它變成真正的載人空間站，和我們買到新手機后從出廠模式調(diào)成個性化使用模式差不多。神舟十三號和神舟十四號飛行乘組又進(jìn)行了一些艙外操作驗證，實際上也是完成對空間站上機電產(chǎn)品、有流體回路的產(chǎn)品的設(shè)置。航天員還可以遙控貨運飛船與空間站對接，這個以后也可能用到。

說起航天員遙控操作，很多科幻作品里都有這樣的畫面：人在駕駛臺上一頓操作猛如虎，航天器在太空中閃轉(zhuǎn)騰挪。那空間站姿態(tài)偏移或失控，航天員也能這么干嗎？還是有很大區(qū)別的。人在空間站里適合做一些大狀態(tài)的判斷、切換、處置，對軌道空間運動的感知能力遠(yuǎn)不如地面計算機。手動交會對接中，兩器最后相距100米時才讓人介入控制，就是因為那時的操作基本上是六自由度控制，跟人在地面的運動感知一致。如果飛行器還處在按軌道規(guī)律飛行的階段，人是沒有這種感知能力的。

“T”字構(gòu)型是設(shè)計出的最優(yōu)解

從2010 年空間站立項開始，先后有十幾種構(gòu)型布局方案擺在桌面上。大家花了一兩年討論這個事。首先構(gòu)型必須有理有據(jù)，既要考慮到每個方案的優(yōu)勢，又要跟實際的工程能力結(jié)合，還不能太保守——全用現(xiàn)成的技術(shù)，等建好就落伍了。之所以討論那么久，因為它從根兒上決定了空間站功能性能的天花板。

一般來說，航天器構(gòu)型要滿足三大原則：適配天地環(huán)境，滿足功能性能要求，保障重要設(shè)備在軌工作。空間站作為一個多艙段航天器組合體，特有的建造方式又讓三大原則更復(fù)雜。

▲ 中國空間站上的機械臂

舉個例子，有些設(shè)備在單艙段單飛時表現(xiàn)完美，但進(jìn)入組合體狀態(tài)后就很受影響。像蘇聯(lián)和平號空間站組合體的太陽帆板因為相互遮擋，一共損失了40%的發(fā)電能力。我們當(dāng)時也面臨抉擇。選“T”字構(gòu)型，是為了獲得最大發(fā)電效率，可以在“T”字一橫的兩頭采用雙自由度太陽翼，但當(dāng)時我們并不掌握這項技術(shù)，這是要下很大決心的。不選雙自由度方案，就得多布幾個單自由度的太陽翼并保證都曬到太陽，發(fā)電能力才夠用。布在哪、怎么布，這勢必又會反過來影響到構(gòu)型方案。

“T”字構(gòu)型在對稱關(guān)系中保持著前、后、下三向?qū)拥哪芰?。后向?qū)迂涍\飛船，空間站可以直接用貨運飛船發(fā)動機進(jìn)行軌道機動；前向、徑向兩個對接口可以接納兩艘載人飛船實現(xiàn)輪換，而且兩個對接口都在軌道平面內(nèi)，飛船可以在軌道面內(nèi)沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接，無需對接后再轉(zhuǎn)位。簡潔不僅是美的，更是安全的。

最后我們選了“T”字構(gòu)型，它是“設(shè)計”出來的最優(yōu)解，凝聚了我們在特定約束條件下創(chuàng)造最大價值的智慧。

“T”字構(gòu)型不是“完成時”，而是“進(jìn)行時”。所以在方案論證階段，我們就要做大量的前瞻性規(guī)劃，確保在10 年后、15 年后這個空間站還是相當(dāng)靠譜的。整個航天科技集團(tuán)、全國航天領(lǐng)域的專家都在幫我們做這件事，盡可能避免走到半路才發(fā)現(xiàn)自己跟不上趨勢；也不能一下把目標(biāo)定太高，最后死活實現(xiàn)不了。曾經(jīng)有一些局部方案走到半路往后退，但總體來說我們對技術(shù)的把握還是相當(dāng)?shù)轿坏?，沒有出現(xiàn)大的偏差。

系統(tǒng)工程與團(tuán)隊協(xié)作

空間站的設(shè)計空前復(fù)雜，系統(tǒng)多、接口多、狀態(tài)多，組織體系和設(shè)計體系比較特殊。五院和八院都分別抓總研制了實驗艙段，艙段上各分系統(tǒng)由眾多不同單位負(fù)責(zé)。每一個艙段的研制難度超過了很多航天器，自身是一個獨立系統(tǒng)，又要融入到整個大系統(tǒng)里，所以協(xié)調(diào)、均衡和優(yōu)化工作特別多。我的腦子里時刻都在想各系統(tǒng)之間相互會產(chǎn)生什么影響。要做“系統(tǒng)決策”，就得從空間站大系統(tǒng)的視角來看問題，而不是站在某一方立場上。

在我們這個團(tuán)隊里，不管哪個崗位，哪怕就是做些很瑣碎事情的人，遇到多少麻煩、受到什么樣的環(huán)境影響，都是反反復(fù)復(fù)地磨。10 多年了，大家一路這么走過來，對這個事業(yè)是有感情有期待的。

團(tuán)隊的大局觀和協(xié)作精神很了不起。做一次對接轉(zhuǎn)位試驗，十幾家單位的人都得搬著設(shè)備趕去上海，而到了AIT 階段，全系統(tǒng)的隊伍都集中到天津，大家都非常配合。各單位聯(lián)合設(shè)計時，所有人都非常坦誠——“我的性能是什么，我的參數(shù)是什么”，最后把模型交給總體單位。為了同一個期待，大家都毫無保留地貢獻(xiàn)自己。

實驗艙太陽翼采用二次展開方案，先展開6 米多，發(fā)電量夠用，只為給控制系統(tǒng)創(chuàng)造好的條件，保證對接精度。對接成功后，太陽翼再全部展開。

你說太陽翼的研制方拿到這個方案能不犯難嗎？結(jié)構(gòu)機構(gòu)的復(fù)雜性要增加、重量要增加、可靠性受影響……但最后每個人想的都是傾盡所有去成全整個大系統(tǒng)。

總體也要通盤考慮做取舍，不能片面追求個別指標(biāo)，導(dǎo)致某個方向技術(shù)難度過大，甚至對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響。比如在太陽翼方案上，總體綜合了功耗需求和各方情況，通過余量共享來降低對發(fā)電能力的要求，進(jìn)而減小了帆板尺寸。

空間站系統(tǒng)與載人飛船系統(tǒng)、貨運飛船系統(tǒng)、長征五號B 運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等的協(xié)作配合也是如此。有些技術(shù)，飛船系統(tǒng)已經(jīng)用了很久，非常成熟了，要改的話，波及面很廣，但空間站是新研制的，可以去適應(yīng)，麻煩一次沒什么。此外，我們也希望火箭發(fā)射重量越大越好，箭艙分離時的沖擊力越小越好，但火箭可靠性要求擺在那兒，雙方就都努努力，各自優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計，合作愉快。

空間站艙段發(fā)射對入軌精度要求高，發(fā)射窗口有限制，發(fā)射場和火箭系統(tǒng)也一直在給我們創(chuàng)造好的交會對接條件，測控系統(tǒng)不斷加強和優(yōu)化陸海天基測控資源。航天是“千人一枚箭、萬人一桿槍”的事業(yè)，沒這精神，這么多人、單位、系統(tǒng)就捏不到一起。

面對內(nèi)外接口和協(xié)同方面的問題，團(tuán)隊里難免出現(xiàn)焦慮和不理解的情緒。我作為總指揮，更愿意從技術(shù)角度與自己的團(tuán)隊溝通，并引導(dǎo)他們也從技術(shù)角度與外系統(tǒng)溝通。技術(shù)是客觀的，也是最好的調(diào)和劑，大家一起冷靜找出問題所在、分析問題影響，情緒就慢慢化解了。