天宮一號/神舟八號交會對接任務總體評述

周建平

（中國載人航天工程辦公室，北京100720）

2011年11月3日，天宮一號目標飛行器與神舟八號飛船成功實現了我國首次空間飛行器自動交會對接，我國空間交會對接技術取得重大突破。這是繼突破載人飛船天地往返和航天員空間出艙活動技術后，我國載人航天技術發展的又一新的里程碑，為實現我國載人航天工程“三步走”發展戰略，建造和運營空間站邁出了關鍵的一步。

1 飛行任務基本情況

1.1 交會對接技術方案概述

天宮一號目標飛行器與神舟八號飛船交會對接任務是在載人航天工程兩總和工程總體的領導和組織下，在載人航天工程航天員、空間應用、載人飛船、運載火箭、發射場、測控通信、著陸場和空間實驗室八大系統密切配合下共同完成的。

我國首次交會對接采取的主要技術路線是：以工程第一步任務研制的神舟飛船為基礎研制交會對接追蹤飛行器，使其具備自動和手動交會對接功能以完成交會對接飛行試驗任務，對部分設備進行改進和完善，以提高可靠性安全性及功能和性能，改進后的神舟飛船未來將作為天地往返載人運輸系統為空間站提供航天員天地往返運輸服務和部分物資的天地上下行運輸服務；全新研制天宮一號目標飛行器作為對接目標，支持與飛船的多次交會對接，同時具備組合體運行管理、航天員中短期在軌駐留、空間科學實驗等功能，驗證交會對接和空間站部分關鍵技術；研制改進型CZ-2F運載火箭，提高入軌精度、運載能力和可靠性，用于發射載人飛船和目標飛行器；采用陸海天基測控通信網，完成飛行器全程測控通信任務和飛船交會飛行的遠距離導引控制任務；采用微波雷達、激光雷達和CCD圖像測量設備測量兩個飛行器的空間相對位置，由飛船自主完成近距離交會飛行控制；采用導向瓣內翻的周邊式對接機構自動完成兩飛行器的捕獲、鎖緊。載人飛行器按照“一度故障工作、二度故障安全”進行設計。

天宮一號目標飛行器采用實驗艙和資源艙兩艙構型，具備支持交會對接、接納航天員訪問、進行組合體管理和開展空間科學實驗和應用等功能。實驗艙前端框安裝被動式對接機構，艙外安裝飛船交會對接測量設備的合作目標等設備，密封艙內部為航天員工作和生活場所。資源艙為柱段非密封結構，配置推進系統和太陽電池翼等，提供動力和能源。

改進型神舟八號飛船沿用三艙結構，在原神舟飛船的基礎上新增了交會對接功能：軌道艙前端安裝導向瓣內翻的異體同構周邊式主動對接機構，艙外安裝微波雷達、激光雷達、CCD光學敏感器、電視攝像機等交會測量設備，增加反推和平移發動機，具備自動和手動交會對接功能。

CZ-2F運載火箭改進了助推器結構以增加推進劑加注量，提高了運載能力；控制系統進一步增加了冗余度，利用組合導航修正慣導誤差并采用攝動+迭代制導方法，提高了可靠性和入軌精度；新研直徑4.2m的整流罩用于目標飛行器的發射。

天宮一號目標飛行器科學實驗和應用載荷包括對地觀測、空間材料科學實驗、空間環境與物理探測和再生生保技術試驗設備等；神舟八號飛船主要載荷為中德合作通用生物培養裝置。

發射場為酒泉衛星發射中心載人航天發射場。由北京、東風、西安三個任務中心，中繼衛星控管中心，15個國內外陸基測控站，3艘測量船，天鏈一號01、02中繼衛星和地面通信網組成陸、海、天基一體化測控通信網，測控覆蓋率提高到約70%，確保了交會對接關鍵事件的測控覆蓋，可同時支持飛船和目標飛行器的測控。主著陸場位于內蒙古自治區蘇尼特右旗以西地區。

1.2 主要飛行過程

2011年9月29日21:16:03，改進型CZ-2F T1運載火箭載著天宮一號目標飛行器準時點火起飛并按預定程序飛行。飛行582.1s后，目標飛行器與火箭分離，進入軌道傾角約42.8°、近地點高度200km、遠地點高度346km的初始軌道。在第4圈、第13圈實施兩次變軌后，目標飛行器進入平均高度354km的近圓軌道。9月29日至10月6日，進行了目標飛行器的交會對接支持設備、姿態和軌道控制、能源、環熱控、信息管理等平臺功能測試。在飛船發射前6d和前1d，分別進行了調相和軌道圓化控制，使目標飛行器進入高度約343km的近圓對接軌道。10月30日，目標飛行器偏航180°轉入倒飛姿態，等待與神舟八號飛船對接。

11月1日05 :58:10，改進型CZ-2F Y8運載火箭載著神舟八號飛船起飛并按預定程序飛行，582.7s后船箭分離，飛船進入軌道傾角約42.8°、近地點高度200km、遠地點高度330km的初始運行軌道，相對目標飛行器的初始相位角約88.7°。在遠距離導引段，地面測控網測量飛船和目標飛行器軌道，由飛控中心根據交會變軌策略計算飛船的軌控參數，注入到飛船上，通過5次變軌，將飛船導引到自主控制段起始點。

11月2日23 :08，在第28圈圣地亞哥站測控區內飛船轉入自主控制，經尋的、接近和平移靠攏段實現與目標飛行器對接機構接觸。在尋的段，飛船采用C-W相對制導，通過4次軌道機動，將飛船送入與目標飛行器在同一軌道平面內，同一軌道高度、正后方5km停泊點。在接近段的400m接近和140m接近過程中，采用C-W制導和視線制導相結合的方案，通過2次軌道控制，飛船進入140m停泊點，停泊3min57s后轉出。平移靠攏段從140m開始，采用六自由度控制方式，飛船進入30m停泊點，停泊4min09s后轉出。兩飛行器相距0.4m時，飛船GNC停控。

11月3日01 :28，對接環接觸，經捕獲、緩沖、校正、拉近、鎖緊等，飛船與目標飛行器形成剛性連接。兩飛行器對接后，飛船轉入停靠模式，由目標飛行器負責組合體控制與管理。

在組合體運行段，神舟八號飛船和目標飛行器實現總線并網，組合體轉正飛狀態。11月14日，組合體飛行第12d在納米比亞站至遠望三號船連續測控區內，進行了二次對接試驗，二次對接采用飛船后向撤離和正向接近的飛行方式進行。

11月16日18 :26，神舟八號飛船與目標飛行器分離。飛船先后完成第一次調姿、軌道艙返回艙分離和第二次調姿，在納米比亞站測控區內按照程序和注入的控制參數進行制動。兩艙制動減速后，保持慣性滑行至約145km高度推返正常分離，返回艙調整配平攻角，建立升力式返回再入姿態后再入大氣層，約10km高度時引導傘、減速傘、主傘陸續正常開傘，GNC進行減旋控制，落地前反推發動機點火工作，19:32返回艙著陸。

目標飛行器與飛船分離后，于11月18日通過2次變軌控制，軌道高度抬升至382km，進入獨立在軌飛行，等待與神舟九號飛船的對接，其間將進行有效載荷科學實驗和應用。

2 總體評價

天宮一號/神舟八號交會對接飛行任務，對工程總體和各系統方案，特別是目標飛行器和飛船發射入軌、遠距離導引、自主控制、對接、組合體飛行、分離、撤離及返回著陸進行了全面的考核驗證，工程各系統工作正常，可靠地完成了全部任務，實現了“準確進入軌道、精確交會對接、穩定組合運行、安全撤離返回”的任務目標。首次交會對接任務的成功實施表明，工程總體方案和各系統方案正確，系統間接口協調、匹配；各系統完成了規定的任務，功能、性能和技術指標滿足要求；突破和基本掌握了交會對接關鍵技術；首次交會對接任務取得圓滿成功。

航天員系統研制的裝船、裝器產品在軌工作正常，完成了醫學和工效學評價各項實驗任務。

空間應用系統研制的有效載荷在軌運行狀態良好，多光譜數據完整、圖像清晰；空間環境探測和空間材料科學實驗獲取了具有研究價值的實驗數據；中德生物培養裝置完成了在軌試驗、回收及地面比對實驗，實驗樣品狀態良好。任務期間空間環境監測、預報保障有力，有效載荷應用中心運行正常。

載人飛船系統突破了交會對接制導、導航與控制、對接機構及自主測量等關鍵技術，研制了具備交會對接功能的載人飛船，設計了合理可行的交會對接飛行程序。飛行任務中，飛船姿態與軌道控制、交會對接自主測量、對接與分離等交會對接功能正常、程序協調，能源系統正常、整船能量平衡，回收傘系統、著陸反推發動機等可靠性改進有效。

運載火箭系統突破了迭代制導、組合導航、雙慣組冗余、控制系統三冗余計算機、馮·卡門外形整流罩、助推器氧化劑箱改進等關鍵技術，研制了改進型CZ-2F運載火箭，有效提高了運載火箭的入軌精度、運載能力和可靠性。飛行過程中各系統工作正常，控制程序執行正確。

發射場系統地面設施設備運行穩定，測試發射流程合理可行。

測控通信系統構建了陸海天基一體化測控通信網，飛行任務中，測控通信網工作正常，飛行控制快速準確，遠距離導引精度高。

著陸場系統主副場測控設備及時跟蹤測量了返回艙出黑障前后的軌道，遙測遙控正常，通信信道暢通，快速完成了搜索處置返回艙和有效載荷。

空間實驗室系統突破了變結構姿軌控、能源管理、信息管理、載人環境控制、對接分離等組合體控制關鍵技術，研制了具備交會對接和組合體控制功能的目標飛行器，設計了合理可行的飛行程序。飛行任務中，交會對接支持、組合體控制功能正常、程序協調，能源系統正常、整器能量平衡，推進劑等消耗性資源剩余量在設計范圍內，滿足后續交會對接任務需求。

首次交會對接任務飛行結果表明，上述各參試系統總體方案正確，滿足工程總體規定的技術要求和指標，均圓滿完成了任務。

3 飛行任務主要成果

3.1 突破和基本掌握了自動交會對接技術

（1）制定了合理正確的技術路線。實踐證明，制定的以神舟飛船為基礎研制追蹤飛行器和目標飛行器，運載火箭提高入軌精度和運載能力，采用陸海天基測控通信網完成遠距離交會導引控制及雙目標測控，采用飛船船載自主測量設備進行相對測量，由飛船自動完成近距離交會飛行控制，采用導向瓣內翻周邊式對接機構的技術路線正確，關鍵技術均獲突破。

（2）設計了科學合理的交會對接飛行程序。在系統分析各項制約因素和風險的基礎上，進行了科學合理的任務規劃，設計了完備的交會對接飛行程序和故障預案。開展了軌道共面、能源、熱控、相位、測量敏感器光照約束、測控覆蓋等多種約束條件下的任務規劃，完成了遠距離導引、自主控制、對接、組合體運行、撤離與返回等交會對接程序設計，確保了關鍵事件測控支持。實踐證明交會對接飛行程序設計科學合理，實現了總體優化和高可靠、高安全的要求，為圓滿完成我國首次空間交會對接奠定了基礎。

（3）掌握了交會對接大型地面試驗設備研制與試驗技術。研制了九自由度運動模擬器、對接機構緩沖試驗臺、交會對接仿真系統等交會對接大型地面設備，建設了交會技術綜合實驗室、對接動力學實驗室等，開展了交會和對接半物理仿真、九自由度自動和手控半物理仿真、近距離綜合閉環仿真、交會對接測量設備測試、對接/分離功能和性能測試、組合體控制與管理功能和性能測試等大型試驗，比較全面地覆蓋了交會對接全過程，地面試驗結果與飛行結果一致。

3.2 研制了具備天地往返運輸功能的載人運輸飛船

在神舟飛船基礎上研制的改進型神舟載人運輸飛船，具備自動和人工控制交會對接功能，突破了交會對接制導、導航與控制、對接機構、交會對接測量設備等關鍵技術，改進和優化了降落傘等分系統，進一步提高了飛船的性能和可靠性安全性。由改進型神舟飛船和CZ-2F運載火箭共同構成的載人天地往返運輸系統將為我國空間站建設和運行提供乘員天地往返運輸服務。

（1）突破了交會對接制導、導航與控制技術。采用的交會對接軌道控制策略以及制導和控制技術，充分利用了測控網資源，優化了制導控制律和姿態控制律，具有多種故障條件下的重構和應對能力；建立的實物、半實物和數學仿真系統對交會過程進行了充分、有效的試驗驗證。

（2）突破了對接機構技術。研制了異體同構周邊式對接機構，突破了對接機構設計、分析、試驗與制造技術，掌握了對接緩沖參數設計、總體布局參數設計、結構參數設計以及精度分配等總體設計技術，對接動力學建模與仿真分析方法，電性能、整機特性、對接緩沖及連接分離等試驗技術，捕獲鎖、對接鎖、驅動組合、差動組合、彈簧機構、電連接機構、電磁阻尼器、摩擦制動器等關鍵部件的制造技術。對接機構可適應目前交會對接任務及未來空間站的需要。

（3）突破了交會對接自主測量技術。基于微波雷達、激光雷達和CCD圖像測量技術的飛船船載測量設備，可以獲得百公里以遠到對接過程飛船和目標飛行器之間的相對位置（包括距離和指向）和相對速度，測量精度高，設備重量輕，技術體制先進。

3.3 研制了中國首個試驗性空間實驗室

天宮一號目標飛行器除支持交會對接外，還具備組合體運行管理和支持開展航天員中短期在軌駐留、空間科學實驗、航天醫學實驗和空間技術試驗的功能，是一個功能基本完整、規模較小的試驗性空間實驗室。天宮一號既保證了全面驗證交會對接技術，又對多項空間站關鍵技術開展了技術驗證，降低了飛行試驗消耗，提高了效費比。

（1）突破了多項空間實驗室平臺關鍵技術。天宮一號目標飛行器首次在國內低軌飛行器上采用100V高壓母線、三結砷化鎵太陽電池、半剛性太陽帆板及鎳氫電池，研制成功了適用于載人空間實驗室及空間站的新一代能源系統。突破了金屬膜片成形、膜盒組件焊接、雙金屬焊接和熱旋壓成形等關鍵工藝技術，研制了可長期貯存、多次加注泄出的高排放效率金屬膜盒貯箱，可滿足未來空間站多次補加任務需要。設計了微流星體及空間碎片防護方案，利用輻射器兼作實驗艙密封艙段的防護結構，并在高風險撞擊區設計了專用防護結構。采用整體壁板技術設計制造的實驗艙結構效率高、漏率低。

（2）突破了組合體控制與管理技術。設計了變結構飛行器姿態控制方案，國內首次采用控制力矩陀螺（CMG）和磁力矩器控制為主的姿控方案，控制力矩大、控制能力強、控制精度高，大幅減少了在軌飛行的資源消耗；采用空空通信和總線并網的無線和有線兩條鏈路實現了兩飛行器間的信息通信；組合體運行期間，兩飛行器電源并網，由目標飛行器統一對組合體進行姿態與軌道控制、信息管理、能源管理、熱管理和環境控制。

3.4 研制了高入軌精度、高可靠的載人運載火箭

改進型CZ-2F載人運載火箭采用迭代制導方法和組合導航技術顯著提高了入軌精度，改進了助推器結構以增加推進劑加注量，新設計的控制系統提高了冗余度和容錯能力，滿足了交會對接對運載火箭嚴苛的入軌精度和可靠性要求。研制的新型目標飛行器整流罩是我國目前最大的整流罩。

（1）突破了運載火箭高精度入軌技術。首次在我國運載火箭上采用迭代制導控制技術，解決了迭代制導數學模型、迭代算法優化、快速平穩收斂等關鍵技術問題，加強了算法的可靠性和安全性設計，提高了迭代制導對飛行中系統干擾及故障的適應能力。采用組合導航技術方案，引入衛星導航信息，有效修正了慣性器件誤差。飛行試驗表明，火箭入軌精度大幅提高，降低了飛行器消除入軌偏差的推進劑消耗。

（2）突破了運載火箭控制系統冗余設計技術及故障檢測隔離與重組技術。采用三冗余箭載計算機、三冗余功率放大器和伺服機構前置級伺服閥、三冗余伺服機構反饋電位計、軟硬件一體化設計的三冗余時序控制器、雙捷聯慣組、雙速率陀螺等冗余設計技術以及飛行控制軟件冗余信息管理技術，進一步提高了系統可靠性。

（3）突破了馮·卡門外形整流罩設計制造與分離技術。國內首次在設計中采用馮·卡門外形整流罩方案，降低了火箭飛行中的氣動阻力。采用玻璃鋼蒙皮+鋁蜂窩夾層結構、承載一體化透波口以及直筒段分段連接結構，解決了制造中的關鍵工藝技術難題。整流罩縱向解鎖采用膨脹管-凹口螺栓和導爆索冗余設計方案，提高了分離可靠性。

3.5 構建了陸海天基一體化測控網

利用定點于東經77°和東經176.8°的兩顆天鏈一號中繼衛星以及布局于國內外的陸基測控站、測控船，并通過國際聯網使用國外測控站資源，構建了國內迄今為止規模最大、系統最復雜的陸海天基一體化測控網，測控覆蓋率由以前的15%提高到約70%，較好地滿足了交會對接的測控支持要求，確保了任務的可靠完成。

（1）統籌利用陸海天基測控資源，實現資源優化配置。充分發揮天基測控高覆蓋率和雙目標連續測控的優勢，保證了飛船和目標飛行器長弧段的遙測、遙控及圖像話音的高質量傳輸，提高了遠距離導引段測軌、定軌和軌道預報的精度；陸海基測控站重點覆蓋關鍵事件和航天器大姿態運動情況下的測控，二者協同配合，關鍵飛行弧段互為備份，增強了測控通信系統的可靠性，提升了測控通信系統的任務支持能力。

（2）突破了高精度遠距離導引技術。綜合利用陸海天基測控資源，融合處理USB外測、中繼外測和衛星導航遙測等多種數據，及時更新空間環境參數并進行在軌實時辨識，較好解決了低軌航天器中長期軌道預報受空間環境等不定因素影響較大以及短弧定軌偏差較大的問題；綜合優化遠距離導引軌道控制策略，在兩天交會期間頻繁變軌情況下，滿足了軌控時效性和精度的要求，獲得了很高的遠距離導引精度；針對軌控相關故障模式，采取軌道重構的方法，制定了多種軌道控制預案。

4 結論與展望

天宮一號/神舟八號交會對接任務圓滿成功，實現了我國航天技術新的跨越，使中國成為第三個獨立實現載人航天空間飛行器交會對接的國家。按照交會對接任務總體規劃，還將陸續實施神舟九號、神舟十號飛船與天宮一號目標飛行器的交會對接飛行試驗，進一步驗證自動交會對接技術，并將首次驗證人控交會對接技術。在我國空間站建造和運營中，交會對接技術將在艙段在軌組裝、航天員定期輪換、貨物運輸和燃料補給等方面發揮重要作用。交會對接技術在載人登月、深空探測和航天器在軌服務中亦具有廣闊的應用前景。 ◇