天宮一號關鍵技術：攻克世界級難題

巴軒

2013年6月25日上午，神舟十號飛船從天宮一號目標飛行器上方繞飛至其后方，完成近距離交會。繞飛試驗實施期間，航天員聶海勝、張曉光、王亞平在神舟十號飛船返回艙值守，3名航天員身著艙內航天服，密切監視飛船儀表上的各類數據，及時準確地向地面報告繞飛試驗進展情況。我國首次航天器繞飛交會試驗取得成功。媒體普遍認為，我國計劃在2020年左右發射長期有人照料的空間站，神舟十號與天空一號的成功交會對接是邁向這一目標的最新一步。

天宮一號的由來

天宮一號的任務方案早在1992年國家制訂中國載人航天“三步走”戰略時就已確定。2002年，方案論證和審查后，天宮一號目標飛行器整個任務方案通過。但天宮一號尚未定名，只是稱為“目標飛行器”。2006年，天宮一號進入初樣研制階段，并命名為“天宮一號”。為什么要以此命名，一種說法是希望宇航員們在太空中生活的地方和與宮殿一樣舒適。另一種說法是與“神舟”、“嫦娥”相呼應，有一種真正的空間站雛形的概念。對于一般老百姓而言，天宮一號的名字很容易使人聯想起中國古代四大名著之一《西游記》中孫悟空大鬧天宮的故事。此外，“天宮”是中華民族對未知太空的通俗叫法。因此，以天宮一號為目標飛行器命名，是有著深厚的歷史文化底蘊的。

天宮一號是中國首個目標飛行器和空間實驗室，屬載人航天器，高10.4米、重8.5噸。于2011年9月29日在酒泉衛星發射中心發射成功，設計在軌壽命兩年。由于天宮一號是空間交會對接試驗中的被動目標，所以也被稱作“目標飛行器”。而之后發射的神舟八號、神舟九號、神舟十號，被稱作“追蹤飛行器”，入軌后主動接近目標飛行器，并進行交會對接。

2011年11月，神舟八號飛船與天宮一號成功自動對接，中國由此成為世界上第三個自主掌握空間交會對接技術的國家。2012年6月18日，神舟九號飛船與天宮一號目標飛行器再次成功實現自動交會對接，中國3位航天員首次進入在軌飛行器，之后順利完成手動交會對接。2013年6月13日，神舟十號飛船與天宮一號順利完成了自動交會對接。

天宮一號的發射標志著中國已經擁有建立初步空間站，即短期無人照料的空間站的能力，為后續空間實驗室和空間站的建設奠定了基礎。

攻克交會對接世界級難題

無論是目前的小型空間實驗站，或是今后建立大型空間站，都離不開一個關鍵部件：對接機構。此前，世界上掌握空間交會對接技術的只有俄羅斯和美國，但能夠獨立研制對接機構的只有俄羅斯，連美國用于空間交會對接的對接機構一般也是向俄羅斯采購。

當時通過摸底和尋價，發現俄羅斯方面的開價堪稱“天價”：不僅購買對接機構技術的設計專利費就要1億美元，其后引進成熟的技術和現成的產品還要加錢，另外還不排除被搭售其他無關緊要的東西的可能。考慮到今后中國載人航天要建空間站，多個航天器之間的交會對接以及天地往返運輸任務也會較頻繁，所以我國決定自主研發。

但17年前，對接機構要做成什么樣子，實現工程化的技術難點在哪里，很多概念都只是停留在模型和圖片資料上，一切都是未知數。對標國際先進，我們一開始就提出了采用跨越式發展的思路——研制能與國際空間站相匹配的異體同構周邊式對接機構。這種對接機構適應性強、承載能力大，便于航天員在不同飛行器之間自如進出.但與之相應的難題便是重量大、對接初始條件要求嚴格、構造復雜。

為了將這個方案論證清楚，中國航天科技集團公司八院研制團隊搜集和查閱了所有能找到的相關資料，在字里行間篩選點點滴滴可用的信息，翻譯俄羅斯對接機構的相關書籍。前后收集到的各類資料裝滿了整整10個大箱子，僅論證報告的撰寫就用了3個多月時間。但是，如何把理論轉換為設計方案，又如何把方案變成符合工程應用需求的實物，這是一個艱難的過程。擺在面前的第一道難關就是如何模擬太空微重力環境下的對接過程。

俄羅斯采用的是“吊掛”方案，即把兩個飛行器吊起來，利用鐘擺的原理來模擬初始對接過程，但這種方案在穩定性上有很大的局限性。剛開始時，嘗試用滑車的方案，但試驗下來發現摩擦力太大，無法模擬飛行器在太空中的環境特性。后來，八院科技人員創造性地提出了氣浮平臺的方案。但這個方案的關鍵是需要建立兩個平整度高和穩定性好的平臺，整個平臺在任何情況下平面高低起伏不能超過3‰毫米，也就是一根頭發絲直徑的1/20。通過查詢各種資料，發現只有泰山花崗巖才能滿足上述要求。于是，科技人員親赴泰山石礦區，在那里仔細考察了一個多月，終于開采到了兩塊70多噸重的大石頭。接著，又用5個多月的時間加工成兩個20噸重的精密平臺。在這個平臺上，兩個8噸重的飛船模型只須用手指輕輕一點就可移動，而且還可以根據實驗需要設置各種初始對接條件。俄羅斯專家參觀后，不由贊嘆：“這是當今世界上水平最高的對接機構試驗臺。”

成功，往往就是最后一小步的堅持。對接機構第一次地面模擬試驗時，科技人員準備了3套參數，把所有的零件、部件都準備齊全了。雖然第一次試驗就獲得了較為理想的成果，但也暴露出設計中的一些問題。例如分離角速度過大的問題就成為一只攔路虎，足足困擾了科研人員一年。角速度是物體轉動快慢的一個物理量，手表秒針的角速度是6度/秒。角速度過大，在太空環境中就可能導致天宮一號和神舟八號發生碰撞，甚至不能分開，后果嚴重。一開始測得的分離角速度是0.2度/秒，這無法滿足設計要求。于是科研人員開始了攻關，分析、試驗；再攻關、再分析、再試驗……但試驗結果始終沒有大的改觀。

眼看任務周期一天天臨近，如果再找不到原因，將會影響整個交會對接任務的進度。搞科研最大的痛苦在于攻關，而這又是一個精雕細琢的過程，沒有任何捷徑可走。經過170多次的反復試驗、分析和改進，最終科研人員用最嚴苛的環境條件來模擬，將分離角速度做到了0.1度/秒。2011年11月14日，神舟八號與天宮一號首次成功分離，科研人員一年半的艱辛付出終于獲得了令人驚喜的回報，分離角速度實測下來只有0.04度/秒。

為了航天員能吃上熱菜熱飯

電源系統對航天器來說，如同人體的心臟和血液一般重要，為航天器源源不斷地提供電能，是航天器成敗的關鍵。它吸收太陽的能量，轉化成電能，作為航天器上所有設備提供運行的動力，同時又把多余的電能存儲起來，以備在沒有光照的時候保障航天器仍能正常工作。

在天宮一號之前，這顆“心臟”的動力并不算大，神舟六號上的航天員為了節省電能，在天上吃的是冷飯冷菜。最后建成的空間站和其他航天器相比，不僅是體積和試驗設備的增加，更要求為航天員提供一個可以長時間工作的舒適環境。為此，必須在天宮一號的供電模式上實現重大突破，采用更大功率的高壓母線系統，為后續空間站的順利實施打下堅實的基礎。

9年前的一個冬季，作為一支承擔了神舟一號至神舟七號電源系統研制任務的團隊，天宮一號低軌高壓電源系統的關鍵技術攻關工作責無旁貸地落在了八院科研團隊肩上。

這是一個全新的課題，國內沒有任何相關的研制基礎。通過前期的一些調研，科研人員曾樂觀地認為低軌高壓電源系統的一些關鍵技術和關鍵材料是可以通過國際市場購買或借鑒的。可僅僅過了一個春節，一個又一個的問題便接踵而至。首先是俄羅斯的技術合作項目出現了中斷，接著是日本將半剛性太陽帆板的關鍵材料、美國將氫鎳蓄電池的關鍵材料、歐洲將高壓元器件相繼對中國實施了出口封鎖。

國外的技術封鎖逼迫著研制團隊只能通過自主創新研發空間電源技術。5年中，他們除了廣泛聯合系統內單位，還牽頭電科集團、兵器集團、中科院、上海交大、東華大學等國內相關領域最優秀的50多家單位，開展了100多項技術攻關。攻關項目涵蓋電子、機械、化學、材料等多個領域。經過艱苦攻關，終于研制出了比國外還要好的玻璃纖維網、離子交換膜、固體潤滑劑、高壓繼電器等近百項新材料、新器件、新技術。

2009年6月21日，神舟八號已基本完成了研制任務，可這時卻發現原有總體方案有一定的風險。為了解決這一風險，需要將供電能力設計值提升40%。這對電源系統來說是顛覆性的改變。系統、產品和測試設備全部需要重新設計。按照正常程序至少要兩年半時間，但留給研制人員的時間只有短短8個月。

那次決策會從中午12點開到了第二天凌晨5點，會議室里煙霧騰騰，大家都在思考：這么多新技術要上，還有那么多地面試驗都要重新做，8個月的時間能行嗎？如果不行，那就意味著其他系統已做好的工作就要停步或放緩，所有協調好的計劃節點就要為此更改，我國的交會對接試驗勢必就要為此而推遲。為了總體方案的可行和不突破最后的節點，經過對技術的充分評估和對進度的反復測算，研制人員最后決定：拼了命也要干成！于是，調度按時間節點倒排計劃，計劃安排精確到了小時。

當拿到計劃表時，研制人員不禁感嘆：這簡直不是給人排的計劃！中國航天科技集團公司八院第811研究所集中了所內最優秀的各類資源，全所專家參與論證把關。在這8個月的時間內，除了春節休息兩天，所有設計師都吃住在所里，每天工作14個小時以上。為了進一步壓縮時間，把原本串行的產品研制改為并行研制，對生產工人實行“三班倒”……就這樣，8個月后，終于攻克了這一道難題，產品提前十幾天交付總體。

筑起中國的“太空家園”

從世界載人航天發展的歷史經驗看，空間站階段無法回避。空間站是人類向深空進軍的重要試驗平臺，許多關鍵技術需要在空間站驗證。同時，空間站也是開展空間科學實驗、造福地球的重要平臺。

空間站潛在的技術突破和可能取得的重大實用價值得到了世界的認可，建造空間站是通向未來更高更遠目標的必由之路。由于多種原因，中國尚未成為國際空間站（ISS）的成員國，但隨著天宮一號的發射和未來空間實驗室設想的不斷實現，我國將會更深入地參與國際空間站的活動。正如美國宇航專家詹姆斯·奧伯格所言，中國載人航天的飛速發展，不僅證明高科技水平日趨提高，也將使其獲得與國際空間站完全合作的機會。

太空授課的中國航天實力

6月20日，王亞平太空授課51分鐘實現不間斷直播，在普通老百姓看來是科普，背后卻是強大的航天實力。

授課期間，天宮神舟組合體繞地球飛行半圈多，受地球曲率影響，地面或海面單個測控站對340公里的測控、通訊控制范圍很小，如果要保持不間斷的通聯，理論上需要布設100多個站點，并均勻分布在地表，這在政治和經濟上是不可能的。

數據中繼衛星可以稱得上是當今技術含量最高的通訊衛星。穩定無縫的數據傳輸，主要依靠三顆天鏈一號數據中繼衛星來保障。在36000公里高空運行的中繼衛星捕獲和跟蹤340公里的神舟天宮，需要采用增益高、波束極窄的Ku/Ka波段天線進行通訊，跟蹤精度達到0.06度。天線處于復雜的變速運動狀態，在轉動速度、加速度和角速度上都沒有規律，天線的機械驅動機構不僅要精度高，而且要求在惡劣環境下長時間穩定運行；還有天線與衛星的震動耦合問題，數米直徑的拋物面天線整體形面誤差要低于0.1毫米，這些都是需要克服的技術難題，而中國航天人克服了這些難題，保障了太空授課的完美出境。