矢志不渝十六載 構建中國特色的空間站

沈曉鵬

對接是載人航天活動中最重要的技術之一，是空間站組裝的核心技術。利用對接技術可以進行空間飛行器的連接。無論是目前的小型空間實驗室，或是今后建立大型空間站，對接的實現都離不開一個關鍵部件，即對接機構。沒有它，建立空間站，維持空間站的正常運行，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輸任務，都無從談起。

美俄認為“中國造不出自己的對接機構”

1992年9月，中央決策實施載人航天工程并確定了我國載人航天“三步走”發展戰略。對接機構技術是實現工程第二步要突破的核心關鍵技術之一。但對接機構技術是世界公認的難點，原我國載人航天工程總設計師王永志說，交會對接是載人航天工程中難度最大、最為光輝的技術亮點。

20世紀90年代初，對接技術只有俄羅斯和美國掌握，其他的國家或者航天組織對這項技術始終望而生畏，難以突破。上海航天的研制人員在參觀俄羅斯“能源”火箭公司對接機構研制車間時，那位車間主任自豪地說：世界上所有的對接機構都是他們這里生產出來的。俄方還直截了當地告訴中方，對接機構的研制難度非常大，并極力慫恿買他們的產品。

載人航天工程決策層就交會對接技術到底是走引進成熟技術、購買現成產品的道路，還是走主要依靠自己的技術力量、走獨立自主研制的道路進行了充分調研。

當時通過摸底和尋價，得知俄羅斯方面的開價是，僅購買他們對接機構技術的設計專利費就要1億美元，然后引進成熟的技術和現成的產品再要花一大筆昂貴的價錢。另外，他們還要搭售許多無關緊要的東西給中國，俄羅斯方面開出的條件，讓中國航天人難以接受。而中國要建立自己的空間站，空間交會對接技術是必須突破和掌握的。并且用于空間站交會對接的對接機構不僅是一套兩套，今后中國載人航天建立空間站，進行各個航天器之間的交會對接、完成天地往返運輸任務等較為頻繁，對接機構的用量也較多，而關鍵部件和關鍵技術一旦掌握在別人手里，失去了自主權，對于中國載人航天事業的進一步發展十分不利。于是，中國航天人下決心走自力更生、自主創新的路。而“接單”的正是上海航天人！

白手起家，十六年埋頭攻關

1995年初，上海航天805所剛成立對接機構研制隊伍時，這個團隊僅有7人。中國載人航天工程載人飛船、空間實驗室系統副總設計師張崇峰博士就是當年7人團隊中的開創者之一。當時還是哈工大導師的他被交會對接任務的巨大挑戰所吸引，毅然來到805所，多年來他始終默默無聞地堅守在一線。張崇峰最欣賞的一句格言是：“只有執著追求，才能取得成功。”這句話成為了支撐他走向成功的信念，也成為對接機構團隊無數默默奉獻的人堅守的信仰。

對標國際先進，上海航天人一開始便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，保證人貨通行方便。異體同構周邊式對接機構適應性高、承載能力強，但與此相應的是重量大、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，整個團隊，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。收集到的各類資料裝滿了整整十個大箱子，僅論證報告的撰寫就用了三個多月時間。艱辛付出沒有白費，通過一輪輪的評審和質詢，國家最終采納了團隊提出的方案，上海航天人邁出了對接機構研制決定性的一步。

回首對接機構的研制之路，就是一個不斷碰到新問題、不斷解決新問題的創新歷程。把理論轉化為設計方案難，而把方案變成符合工程應用需求的實物更是難上加難！搞工程，最重要的就是通過各種試驗來驗證設計的正確性，如何模擬太空微重力環境下的對接過程成為擺在上海航天人面前的第一道難關。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，團隊嘗試用滑車方案，但是摩擦力太大，無法模擬飛行器在太空中的環境特性。后來一名設計師建設性地提出氣浮平臺的方案。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千分之三毫米，也就是1/20根頭發絲的直徑。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，設計師親赴泰山石礦區，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，又用五個多月的時間加工成兩個20噸重的精細平臺。在這個平臺上，兩個8噸重的飛船模型只要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地面試驗設備。”

有時候，成功往往就是源于最后一小步的堅持。2007年，對接機構地面模擬試驗時測得分離角速度太大，超過了0.35度/秒，達不到設計要求。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。角速度對飛行器分離后的姿態影響非常大，角速度過大，就可能導致天宮一號和神舟飛船發生碰撞甚至側翻，后果不堪設想。航天人開始了無休止的攻關，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。科學是嚴謹的，需要用數據和事實說話。搞科研最大的痛苦在于攻關，而這卻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。

誰都無法否認，成功就是意味著超常人的付出。對上海航天人來說，連續十幾天工作到凌晨2、3點，周六、周日也得不到休息是常有的事。柏合民是對接機構團隊中的一名研制人員，2000年9月，對接機構項目正是需要進一步深入攻關的關鍵時刻，剛博士畢業的他便加入了對接機構研制隊伍。在研制初期，他找來各種各樣的機構方面的書籍，認真揣摩，反復研究。到2007年，經過前期的積累和總結，他對機構的把握已經到了一個常人無法理解的高度：機構的實物，只要讓他看一眼，他就知道工作原理。柏合民曾說過：人生的意義，在于不斷地追求；人生的歡樂，源自事業的成功。他的隨身提包里永遠備著簡單的出差物品，可以說不是在出差的路上，就是在隨時準備出差的過程中。

2011年11月3日凌晨1時29分，經歷近43小時飛行和五次變軌的“神舟八號”飛船與等待已久的“天宮一號”成功對接，在靜謐太空中上演了一場屬于中國的“天神擁吻”盛景，這標志著我國成為世界上第三個獨立掌握交會對接技術的國家，并達到世界領先水平。上海航天人歷經十六年艱辛努力，給中國航天交出了完美答卷。

從“輕量級”到“重量級”，為空間站建設奠定基礎

神舟八號天宮一號首次交會對接任務結束后不久，還未來得及休整的上海航天人就立即投入到新型號研制——貨運飛船對接機構的研制。神舟八號和天宮都是8噸級的航天器，其對接在上海航天人看來已經是重量級選手間的高難度動作了，但是對于接下來的空間站來說還是“輕量級”的，第二代貨運飛船對接機構必須適應未來空間站建造階段8～180噸各種噸位、各種方式的對接，包括偏心對接，其間將會產生巨大的對接能量，對對接機構的緩沖耗能能力提出很高的要求，這也是空間建造階段必須突破的一項技術。這直接導致了貨運飛船對接機構初始研制的巨大壓力。

壓力越大，挑戰越大，動力也就越大。貨運飛船主任設計師邱華勇頂住壓力，帶領設計師通過大量的技術攻關和方案論證，破解了這一難題，為了既不影響原捕獲性能，方便捕獲，又實現對接機構捕獲后的大噸位耗能需求，系統性提出了可控阻尼的控制思路，增大貨運飛船吸收能量的能力，使大噸位的飛行器對接更平穩。接下來研制團隊一路披荊斬棘：在2012年底就完成可控阻尼器關鍵技術攻關，2014年完成初樣設計驗證，2015年完成天舟一號正樣產品研制。邱華勇帶領團隊，攻克了一個個難關，按時完成了一個個階段性節點。過程是艱辛的，結局是美好的。2017年4月22日12時23分，天舟一號與天宮二號空間實驗室成功實現在軌首次交會對接，第二代對接機構首秀表現完美。

空間交會對接是一個龐大的系統工程，它肩負著推動中國載人航天事業繼續向前發展的偉大使命，任重而道遠。二十三年來，上海航天的設計師們堅實地走好了每一步。通過對接機構研制工作，建立了清晰的組織體系和工作模式，確立了相應的研制標準和規范，孕育了多項具有自主知識產權的核心技術，培養了一支技術能力強、能攻關能創新、作風硬朗、吃苦耐勞、管理有效的設計、生產和試驗人員隊伍。對接機構先后榮獲“國家科技進步特等獎”“軍隊科技進步一等獎”“國防科學技術進步一等獎”，發表科技論文100余篇，獲得國防專利授權87項。隨著載人工程第三步——空間站研制不斷深入，上海航天的設計師們必將抓住機遇，為我國航天的繪制更壯美的畫卷。

（作者單位：上海宇航系統工程研究所）