為了太空神奇的一“吻”——上海航天研制對接機(jī)構(gòu)紀(jì)實

■ 游本鳳

為了太空神奇的一“吻”
——上海航天研制對接機(jī)構(gòu)紀(jì)實

■ 游本鳳

這是一個對中國載人航天來說最為輝煌的時刻，這是一個令全中國人民砰然心動的時刻。2011年11月3日1點35分，天宮一號小型空間試驗站與神舟八號飛船，這兩個8噸多重的“大家伙”在距離地面343公里的太空軌道上，慢慢地靠近、靠近，咔嚓一下，交會對接成功。

神奇的一“吻”，美妙的瞬間！

對接機(jī)構(gòu)鎖定了兩個航天器，使它們連成一個整體在太空里遨游。兩個航天器之間形成了一個直徑達(dá)80公分的圓形通道。這一通道，日后將供航天員自由地進(jìn)出，以及貨運(yùn)飛船運(yùn)送空間站必需的物質(zhì)和實驗設(shè)備等。

無論是目前的小型空間實驗站，或是今后建立大型空間站，一切都離不開一個關(guān)鍵部件，即對接機(jī)構(gòu)。沒有它，建立空間站，維持空間站的正常運(yùn)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(yùn)輸任務(wù)，都無從談起。

抓住先機(jī)踏上16年的攻關(guān)之路

當(dāng)今世界，掌握空間交會對接技術(shù)的只有俄羅斯和美國兩個國家。而能夠獨(dú)立研制對接機(jī)構(gòu)的只有俄羅斯，美國航天飛機(jī)上用于與空間站交會的對接機(jī)構(gòu)都是向俄羅斯采購的。

上海航天局原副局長、中國載人航天工程飛船系統(tǒng)原副總指揮兼總設(shè)計師施金苗是我國第一代參與載人航天工程863課題的資深專家。他說，早在我國載人航天工程的起步階段，工程決策層已經(jīng)就交會對接技術(shù)到底是走引進(jìn)成熟技術(shù)、購買現(xiàn)成產(chǎn)品的道路，還是主要依靠自己的技術(shù)力量、走獨(dú)立自主研制的道路進(jìn)行了充分調(diào)研。當(dāng)時通過摸底和尋價，得知俄羅斯方面的開價，僅購買他們對接機(jī)構(gòu)技術(shù)的設(shè)計專利費(fèi)就要1億美元，而當(dāng)時人民幣與美元的兌換價在1：9以上，也就是說將近10億人民幣。

壟斷技術(shù)的人產(chǎn)生傲慢情緒是自然的。倒不是說中國人出不起這個價錢，而是中國航天方面考慮到，今后建立空間站，對于對接機(jī)構(gòu)的需求不僅僅是一套兩套的問題。各個航天器之間的交會對接、完成天地往返運(yùn)輸任務(wù)等較為頻繁，對接機(jī)構(gòu)的用量很多，再加上以后搞探月工程，實施登月艙登月，也離不開對接機(jī)構(gòu)。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(jìn)一步發(fā)展十分不利。

神舟飛船副總指揮葉勛在談到自主創(chuàng)新時十分感慨地說，我們有再多的錢，買不到國家安全，買不到先進(jìn)的航天技術(shù)。隨著我國載人航天工程的進(jìn)一步拓展，令西方個別國家感到不安，于是他們對用于太空產(chǎn)品中的元器件、原材料等對我們實施封鎖和禁運(yùn)。像天宮和飛船太陽帆板上用的碳纖維，國外某公司就以波音787飛機(jī)用量大，波音公司包銷五年為借口，拒絕向我們提供。

載人航天工程決策層傳遞的這一信息及時被上海航天領(lǐng)會和捕捉。抓住對接機(jī)構(gòu)研制任務(wù)的先機(jī)，是上海航天早在十多年前就謀篇布局、精心策劃的一篇大文章。在這之前，上海航天已經(jīng)承擔(dān)了飛船上一艙兩個半系統(tǒng)的任務(wù)，即推進(jìn)艙、動力分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)和話音/圖像、遙控遙測子系統(tǒng)等，是我國載人航天工程研制領(lǐng)域里的主力軍團(tuán)。

上海航天人深知，我國載人航天工程實施的“三步走”方案，除了第一步走外，從第二步開始，以至到第三步走的全過程，重點都將放在建立空間站上。而建立空間站，兩個航天器的交會對接是必須突破的重點技術(shù)，而對接機(jī)構(gòu)是重中之重。于是，在上級的大力支持下，上海航天依靠很少的經(jīng)費(fèi)，以總體單位805所和總裝單位149廠的研制團(tuán)隊為主，開始了歷時16年的艱難攻關(guān)歷程。

兩個“大家伙”在太空中如何牽手

在805所對接機(jī)構(gòu)研究室里，副總師張崇峰博士是對接機(jī)構(gòu)研制的開創(chuàng)者之一。之前他是哈工大的博士生導(dǎo)師，當(dāng)他得知我國將要搞對接機(jī)構(gòu)時，憑著一股激情和一種使命感毅然來到805所。項目剛起步時10個人都不到，他們中間誰也沒有見到過對接機(jī)構(gòu)，一切都是模糊的概念和紙面文章?！爸挥袌?zhí)著追求，才能取得成功。”這是他的錚錚誓言。張崇峰的身后，堆著十大箱他們翻譯或收集的對接機(jī)構(gòu)資料，這些資料見證了他們起步時的艱辛。記得當(dāng)時為了爭取到這一項目，在張崇峰的帶領(lǐng)下，僅方案論證報告就寫了三個多月。當(dāng)然他們的心血沒有白費(fèi)，最終上海航天的項目方案被國家采納，奠定了上海航天研制對接機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。

我國這次實施的對接機(jī)構(gòu)主要分為兩部分，被動部分安裝在天宮一號上，主動部分安裝在神舟八號飛船上，天宮一號作為目標(biāo)器，而神舟八號則以尾追方式與目標(biāo)器進(jìn)行交會對接。

在交會控制和對接過程中，必須完成緩沖、捕獲、校正、碰撞、連接等一系列十分復(fù)雜的程序。緩沖的目的是為捕獲目標(biāo)做好充分準(zhǔn)備，同時消耗一部分兩個航天器接觸撞擊后產(chǎn)生的能量，保證其撞得上，但又不能撞壞，以形成柔性連接。捕獲成功是完成對接的前提，校正的目的是使兩個航天器的姿態(tài)符合對接要求。兩個航天器對接成功后，還要確保對接面的拉緊與密封，并保持剛性連接。對接成功后則在兩個航天器之間形成與真空環(huán)境完全隔離的通道，以確保航天員的生命安全。對接后還要實施電、氣、液等連接，以保證空間站的正常運(yùn)行。另外，對接后的兩個航天器還須根據(jù)飛行任務(wù)要求，一直保持良好的對接狀態(tài)，短則幾天，長則幾個月。待在軌任務(wù)結(jié)束后，再對兩個飛行器實施分離。

上述過程均由一套復(fù)雜的對接機(jī)構(gòu)按照預(yù)定工作程序，并在地面測控中心的精心指揮下完成，尤其是對接的精度要求非常高。航天專家告訴筆者，當(dāng)天宮和神八兩個8噸重的“大家伙”進(jìn)行交會對接時，其初始速度為7.91公里/秒，即第一宇宙速度。如果以如此的高速撞上去，必然會導(dǎo)致“兩敗俱傷”。因此，在對接時，必須對兩個飛行器進(jìn)行減速，使其相對運(yùn)行速度不能超過0.2米/秒，以達(dá)到緩沖碰撞的目的。對接時，兩個飛行器還必須始終保持在一條直線上運(yùn)行，橫向錯位偏差不能超過18厘米。當(dāng)兩個航天器逐步接近時，其對接面在達(dá)到300毫米時，俯仰、偏航、滾動三個姿態(tài)角均不能超過5°。只有在上述狀態(tài)下，才能滿足初始對接條件。最后，再通過微波、激光導(dǎo)航的精確控制，完成兩個航天器的交會對接。確實，在茫茫太空中進(jìn)行這樣高精度和高難度的對接，簡直近乎苛刻。這位航天專家對此打了個十分形象的比方：兩個航天器的交會對接，就像我們在地面上一手拿針，一手拿線，一次就要將線頭穿進(jìn)針孔，其難度可想而知。

而任務(wù)完成后，兩個航天器還要實施完好無損的分離，這其實是一個交會對接的逆過程，可靠分離同樣是確保航天員安全返回地面的關(guān)鍵之舉。

萬一分不開怎么辦？航天專家說，對于這個問題，我們早就考慮到了，萬一分不開，我們必須首先確保航天員的生命安全，讓其返回地面，即采用非正常手段對對接機(jī)構(gòu)實施強(qiáng)制分離。因為在對接機(jī)構(gòu)一圈我們安裝了數(shù)只爆炸螺栓，萬不得已時，就只能實施破壞性的一招了。但這種可能性微乎其微，因為我們在地面做了大量試驗，分不開的概率只有萬分之零點幾。

外國專家參觀后豎起拇指夸“OK”

剛起步時，上海航天人誰也沒有看到過對接機(jī)構(gòu)，一切都來源于有限的國外資料和有關(guān)書本，通過學(xué)習(xí)消化，搞懂一些原理，有了點模糊的概念。別的不說，光他們在起步階段翻譯各國的對接機(jī)構(gòu)技術(shù)資料就裝了整整十大箱。

萬事開頭難。研制對接機(jī)構(gòu)首先要解決的問題是要在地面實驗室里模擬一個較為龐大的微重力真空環(huán)境，以保證地面試驗的充分。若地面試驗不充分，進(jìn)行太空對接無從談起。進(jìn)行地面試驗，必須要有一套十分復(fù)雜的地面設(shè)備。根據(jù)有關(guān)資料了解到，模擬微重力環(huán)境下的對接，俄羅斯采用的是“吊掛”方案，即用足夠長的繩子把兩個飛行器模型分別“吊掛”起來，然后拉開一段距離，利用鐘擺原理使兩個飛行器對撞，以此模擬對接過程。我們的航天科技人員經(jīng)過研究分析，認(rèn)為這種試驗方法穩(wěn)定性差，無法控制對接前的狀態(tài)，距離精準(zhǔn)性的技術(shù)要求也很大。

“跟在別人后面亦步亦趨沒有出路，靠別人的恩賜只能是竹籃打水?！?05所的總工藝師王北江經(jīng)過潛心研究，提出了用噴氣懸浮的方案建造對接緩沖試驗臺。這是一個大膽的想法，完全不同于俄羅斯的試驗方法，具有中國航天人的創(chuàng)新特色。但在建臺過程中，卻碰到了一個意想不到的問題，即該方案需要兩塊大石頭作為平臺。這可不是兩塊普通的石頭，首先要求石頭必須是整塊的，中間不能有細(xì)微的裂縫；其次石頭本身對溫度的穩(wěn)定性要好，表面比鏡面還要平。就為了這兩塊大石頭，805所的幾個同志拔山涉水，幾乎走遍了全國各地，最后在泰山某礦區(qū)找到合適的石頭。經(jīng)過圈定范圍，在當(dāng)?shù)氐氖车膸椭拢_采了兩塊70多噸重的泰山石。再經(jīng)過精雕細(xì)作、精心打磨，最后制作成功兩塊20噸重的對接試驗平臺。

如今，由805所科技人員研制的對接緩沖試驗平臺上，兩個8噸重的龐然大物，只須用手指輕輕一點，就能自如地移動。另外，還可以根據(jù)各種試驗的需要，設(shè)置初始對接條件。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，他們以仿真先行，借助先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，利用動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、熱力學(xué)等對部件和系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗。這些仿真非常見效，大大縮短了研制周期，節(jié)省了大量科研經(jīng)費(fèi)。他們還創(chuàng)造性地開展模擬試驗，有的設(shè)備在沒有外援的情況下，他們自己設(shè)計、自己動手，自己研制，許多非標(biāo)試驗設(shè)備，如空間對接機(jī)構(gòu)特性測試臺、緩沖試驗臺、空間對接機(jī)構(gòu)綜合試驗系統(tǒng)、空間對接機(jī)構(gòu)熱真空試驗臺四大試驗專用設(shè)備，以及六個自由度的大型試驗轉(zhuǎn)臺等，在他們手中一一誕生了。正是這些關(guān)鍵專用設(shè)備，解決了環(huán)境模擬、初始條件的建立、實時檢測三大難題。這些地面模擬試驗設(shè)備與俄羅斯的試驗設(shè)備相比，要先進(jìn)得多。

難怪俄羅斯和歐空局的航天專家在實驗現(xiàn)場參觀了上述設(shè)備后，豎起大拇指連稱“OK”。他們一致稱贊：這是當(dāng)今世界最高水平的對接機(jī)構(gòu)地面試驗設(shè)備。

12把鎖鉤36噸力牢牢鎖定目標(biāo)器

碰撞式對接機(jī)構(gòu)有三種構(gòu)型，上海航天人選擇了其中難度較大的導(dǎo)向板內(nèi)翻式的異體同構(gòu)周邊式型對接機(jī)構(gòu)作為研制對象，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

由于對接機(jī)構(gòu)實在太復(fù)雜了，其研制難度可以說是前所未有的。無論是設(shè)計人員，還是總裝人員，幾乎都異口同聲地說從來沒有碰到過難度這樣高的產(chǎn)品。正因為具有極大難度，對接機(jī)構(gòu)從設(shè)計、制造、工藝、裝配、檢測、試驗等諸多環(huán)節(jié)，都面臨技術(shù)創(chuàng)新的突破。對接機(jī)構(gòu)中有118個進(jìn)行測量的傳感器，5個接發(fā)指令的控制器，18臺電機(jī)傳動著上千個齒輪和軸承，進(jìn)行力的傳遞。而接插件、電纜緊固件等有上萬個，不要說設(shè)計制造加工了，這些接插件、緊固件哪怕叫你點點數(shù)字登記造冊都讓人頭腦發(fā)暈。再看對接機(jī)構(gòu)上的各種各樣的編織電纜線更是密密麻麻，多看幾眼也覺得眼花繚亂，不要說連接裝配了。當(dāng)然，這上面最關(guān)鍵的是12把鎖鉤。正是這些力大無比的鎖鉤，每把可產(chǎn)生3噸的力，12把共產(chǎn)生36噸的力。將目標(biāo)器牢牢抓住并鎖定。

經(jīng)過不懈努力，刻苦攻關(guān)，包括設(shè)計人員與制造、工藝、總裝人員密切配合，他們終于在1999年我國第一艘無人飛船發(fā)射成功之時，拿出了第一套對接機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)。對接機(jī)構(gòu)終于從設(shè)計圖樣變成了實物，盡管還須進(jìn)一步完善，但畢竟邁出了堅實的一步。原理樣機(jī)的成功大大鼓舞了研制團(tuán)隊的信心。

接著，他們在數(shù)年時間里，這支團(tuán)隊馬不停蹄，再接再厲，通過邊改進(jìn)，邊完善，經(jīng)過無數(shù)次各種各樣的試驗和驗證，促使研制工作經(jīng)常在“山重水復(fù)疑無路時”，出現(xiàn)“柳岸花明又一村”的喜人局面。在接下來的幾年間，研制團(tuán)隊共拿出了熱控樣機(jī)、能力樣機(jī)、鑒定樣機(jī)各5套，使得上海航天的對接機(jī)構(gòu)研制進(jìn)度始終與天宮和神八的進(jìn)度同步。最后，他們又拿出9套正樣產(chǎn)品、備份產(chǎn)品，保證了這次天宮和神八的太空交會對接飛行試驗。

對于航天產(chǎn)品來說，設(shè)計水平再高，最后變成實實在在的產(chǎn)品實物，還須依靠技術(shù)工人加工、制造和總裝出來。149廠的對接機(jī)構(gòu)總裝團(tuán)隊用他們的一雙雙靈巧神奇之手，總裝出了一套套對接機(jī)構(gòu)。上海航天首席特級技師、對接機(jī)構(gòu)總裝組組長王曙群，稱得上“藍(lán)領(lǐng)”中的精英，是對接機(jī)構(gòu)總裝工人中的“領(lǐng)頭羊”。如對接機(jī)構(gòu)中鋼索在大載荷傳動中會出現(xiàn)延展現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼索變長，張力下降。通過一年時間的摸索，他提出改變鋼索旋向以及對鋼索進(jìn)行預(yù)拉伸處理的工藝方案，并配合其他改進(jìn)工藝，很好地解決了這一難題。天宮和神八兩次交會對接的成功實踐證明，這個方案非?？茖W(xué)。又如針對產(chǎn)品上關(guān)鍵件12把鎖鉤，設(shè)計團(tuán)隊接受了他提出的技改建議，將每把鎖鉤的一套主動動力源改為由2個主動動力源來擔(dān)綱，其余10把鎖鉤采用滑輪和鋼絲來牽動，這樣一下子就省下了10個動力源。每個動力源重5.8公斤，10個就是58公斤，既為對接機(jī)構(gòu)總成減負(fù)了一大塊，又節(jié)省了許多經(jīng)費(fèi)。

王曙群的同事單培林，一個即將退休的老工人，但裝配對接機(jī)構(gòu)絕對是把好手。對接機(jī)構(gòu)內(nèi)的差動組合，就像一個放大了百倍的手表機(jī)芯，里面布滿了大大小小的齒輪和粗細(xì)不一的彈簧，裝配難度極大。老單與其打了七年的交道，僅工作筆記就記了五大本，寫了100多頁的裝配流程，并提出了十多項改進(jìn)措施。裝配這一高精尖產(chǎn)品，憑的全是他手上的工夫。為了使差動組合傳動效率提高一個百分點，他曾經(jīng)在4天時間里用48個小時重復(fù)做一個動作，憑手感和聽力來調(diào)試差動組合的流暢性。一次，幾位俄羅斯航天專家來該廠參觀交流，其中一位專家沒說一句話，唯一做的動作就是在老單裝配的產(chǎn)品上用手指點了一下輸出端齒輪?；貒?，這位專家托人捎了句話給我方的研制人員，說你們的對接機(jī)構(gòu)一定能成功。

這真是外行看熱鬧，內(nèi)行看門道。

陽光總在風(fēng)雨后。他們終于迎來了中國載人航天兩個航天器實施交會對接的這一天。2011年11月3日，對他們來說，是一個特殊的日子。從2日晚上起，研制團(tuán)隊的許多成員幾乎一夜未眠，他們興奮地聚集在一家大浴場內(nèi)，懷著急切的心情收看電視節(jié)目中的實況轉(zhuǎn)播。

十六年了，航天人等待著這一刻，十六年了，航天人盼望著這一刻。十六年，足以將一個嗷嗷待哺的嬰兒養(yǎng)育成英俊少年；十六年，足以將一棵稚嫩易折的幼苗培育成參天大樹。

當(dāng)電視屏幕上出現(xiàn)交會對接的鏡頭時，他們心潮彭湃，他們?nèi)绨V如醉，簡直就像看一部外國大片一樣興奮無比。成功了，成功了！眾人抑制不住激動的歡呼聲，震耳欲聾！

上海航天局；作者系上海作家協(xié)會會員）