中國“天宮”：世界航天豐碑

作者王翔肖像畫。

張武昌繪

中國空間站在軌運(yùn)行示意圖。

(資料圖)

中國航天科技集團(tuán)五院供圖

航天員王亞平在中國空間站執(zhí)行任務(wù)期間留影。

資料圖片

一橫一豎組成遨游太空的“T”字，積十多年苦功，中國天宮空間站建成了，鑄就了中國載人航天工程和世界史上的一座豐碑。作為中國空間站建設(shè)的一分子，我以參與中國“天宮”建設(shè)為自己最大榮耀。

三步走，步步為營

1992年9月，中央決策實(shí)施載人航天工程，并確定了中國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。第二步，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

第一步是最基礎(chǔ)的工作，目標(biāo)是保證中國航天員能在太空生存，能安全返回。第二步主要是做突破性、驗(yàn)證性工作，實(shí)現(xiàn)中國航天員出艙，具備在太空工作的能力。這兩步都是在為第三步做驗(yàn)證和鋪墊，其中空間交會(huì)對(duì)接是至為關(guān)鍵的技術(shù)之一，空間站的組裝、建造和長期飛行都要靠該技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2003年，我進(jìn)入中國航天科技集團(tuán)五院即航天五院工作，第一個(gè)從頭到尾參與的項(xiàng)目就是神舟八號(hào)，其核心目標(biāo)是突破空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)。按照規(guī)劃，先發(fā)射一艘無人飛船（神舟八號(hào)）來驗(yàn)證無人空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，之后再實(shí)施兩艘載人飛船即神舟九號(hào)和神舟十號(hào)任務(wù)。這3艘飛船是主備份關(guān)系，即如果神舟八號(hào)沒有達(dá)到任務(wù)預(yù)期目標(biāo)，就由神舟九號(hào)繼續(xù)驗(yàn)證，神舟十號(hào)載人飛船則驗(yàn)證有人空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)。由于神舟八號(hào)順利完成了使命，神舟九號(hào)的任務(wù)被確定為驗(yàn)證有人交會(huì)對(duì)接技術(shù)，神舟十號(hào)的任務(wù)則是實(shí)現(xiàn)首次應(yīng)用性飛。

作為目標(biāo)飛行器，天宮二號(hào)其實(shí)是天宮一號(hào)的備份，其最初就被命名為“天宮一備”，由于天宮一號(hào)任務(wù)圓滿成功，天宮二號(hào)的任務(wù)被確定為開展航天員中期駐留、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、在軌維修技術(shù)試驗(yàn)等。

就這樣環(huán)環(huán)相扣，中國載人航天工程穩(wěn)步前進(jìn)。

2010年9月，《載人空間站工程實(shí)施方案》獲批。之后歷時(shí)約12年，經(jīng)過空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)和空間站任務(wù)兩個(gè)階段，中國“太空之家”在軌建成。

“T”字型，可以拓展

除在九天之上運(yùn)行的天宮空間站之外，我們其實(shí)還有兩座“空間站”：一座是與天宮空間站1∶1鏡像的“數(shù)字空間站”，用于進(jìn)行仿真驗(yàn)證和數(shù)字推演等；另一座是測(cè)試用的“電性空間站”，其軟硬件與在軌運(yùn)行的“天宮”一模一樣，可以實(shí)現(xiàn)與在軌的航天員視頻連線并同步模擬系統(tǒng)工作與在軌活動(dòng)等。通過這兩座“空間站”，我們能夠?qū)崿F(xiàn)天地協(xié)同。

為了保障可靠、安全、長壽命運(yùn)行，天宮空間站進(jìn)行了一些冗余備份設(shè)計(jì)，要指出的是，這些冗余備份是經(jīng)濟(jì)的，不會(huì)出現(xiàn)“死冗余”“呆冗余”。比如，在3艙組合后，冗余備份可以共用，充分體現(xiàn)了“1+1=1”設(shè)計(jì)理念。再比如，核心艙雖然在載荷支持功能方面不如實(shí)驗(yàn)艙，但配置很高，僅控制系統(tǒng)的星敏感器就有4個(gè)，可以減少實(shí)驗(yàn)艙上的星敏感器數(shù)量。

中國“天宮”是一個(gè)可更新、可開放的系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬件設(shè)備的維修、更換和升級(jí)，而且其本身可以根據(jù)需要拓展?！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(diǎn)艙，增加4個(gè)對(duì)接口和1個(gè)出艙口，既可以為巡天望遠(yuǎn)鏡這一級(jí)別的航天器進(jìn)行補(bǔ)給、維護(hù)、服務(wù)保障，也可以對(duì)接艙段級(jí)的“大塊頭”科學(xué)載荷。將來，國外的飛船或艙段也可以與“天宮”對(duì)接，這將大幅提升國際空間合作的水平。

目前，我們正在開展第四個(gè)艙段的方案論證和先期設(shè)計(jì)，將把更多精力用在為航天員提供更多活動(dòng)空間、增加人性化設(shè)計(jì)、提升用戶體驗(yàn)上。比如，把儀器儀表設(shè)計(jì)得更有科技美感，更適于隨身穿戴。再比如，使操縱桿更符合人體工學(xué)、功能更強(qiáng)大。

最優(yōu)解，彰顯智慧

關(guān)于中國空間站構(gòu)型布局，先后有十幾種方案擺在桌面上供討論和選擇。綜合多方面因素，特別是適配天地環(huán)境、滿足功能性能要求、保障重要設(shè)備在軌工作等，我們最終選定“T”字構(gòu)型。

選“T”字構(gòu)型可以獲得最大發(fā)電效率。通過在“T”字“橫”的兩段，設(shè)置雙自由度太陽翼，能夠保障最大限度利用太陽光。

“T”字構(gòu)型可以保持前向、后向、徑（下）向三向?qū)幽芰?。前向、徑向兩個(gè)對(duì)接口可以接納兩艘載人飛船實(shí)現(xiàn)輪換，而且兩個(gè)對(duì)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(duì)接，無需對(duì)接后再轉(zhuǎn)位，更安全。后向?qū)迂涍\(yùn)飛船，天宮空間站可以直接用貨運(yùn)飛船發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)。

“T”字構(gòu)型是最優(yōu)解，彰顯了中國航天人的智慧。

難關(guān)多，逐一攻克

空間站重在科研應(yīng)用，我們所有的努力都旨在為科研應(yīng)用打牢基礎(chǔ)，讓平臺(tái)、結(jié)構(gòu)、能源、信息、控制、生命保障等功能經(jīng)得起考驗(yàn)，做到令人放心，同時(shí)賦予其足夠的擴(kuò)展能力和適應(yīng)能力。

當(dāng)然，要做到令人放心并不容易，在這個(gè)過程中，我們遇到了很多難題，其中有兩類頗具代表性。

第一類與長壽命、長周期、長時(shí)間有關(guān)。一些材料在前期表現(xiàn)很好，卻在工程研制中出問題，導(dǎo)致做長壽命試驗(yàn)時(shí)未能抵近極限。一些小尺寸材料做防原子氧處置效果很好，但是在用一些新方法、新技術(shù)在某些大尺寸材料上做，就出現(xiàn)瑕疵。

第二類與在地面無法完全真實(shí)模擬某些空間環(huán)境有關(guān)。由于地面仿真手段有限，對(duì)仿真對(duì)象了解不夠深入，導(dǎo)致仿真模型不夠準(zhǔn)。比如在液體收集管理方面，我們?cè)诘孛嬖囼?yàn)中做到收集率達(dá)到99%，在太空中即使達(dá)到98%也會(huì)造成麻煩，因?yàn)橐后w殘留量會(huì)日積月累。

航天領(lǐng)域老前輩們常說：“識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)?！泵鎸?duì)難關(guān)，我們不僅要攻破技術(shù)原理，而且要把工程實(shí)現(xiàn)的全過程走通，把每件產(chǎn)品質(zhì)量做到極致，把各種狀態(tài)摸透?？梢哉f，我們一直在努力識(shí)別“未知”，量化“已知”并通過各種分析驗(yàn)證，借助相關(guān)數(shù)據(jù)反饋，把難關(guān)逐一攻克。

“天宮”的實(shí)驗(yàn)艙上有一對(duì)碩大的太陽翼，可以像大風(fēng)車一樣360°轉(zhuǎn)動(dòng)，非常炫酷。這對(duì)太陽翼就是我們用上述方式攻克難關(guān)取得的一大碩果。

該太陽翼尺寸特別大，單翼長約27米，展開面積138平方米。如此巨型的翼在軌展開后會(huì)產(chǎn)生怎么振動(dòng)呢？由于在地面無法進(jìn)行等尺寸動(dòng)力學(xué)特性驗(yàn)證，我們只能從局部入手，對(duì)太陽翼伸展機(jī)構(gòu)做單獨(dú)的動(dòng)力學(xué)特性驗(yàn)證，再通過仿真、數(shù)值補(bǔ)償?shù)绒k法推出完整的動(dòng)力學(xué)特性，再結(jié)合核心艙的一套辨識(shí)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)其太陽翼在軌振動(dòng)、擾動(dòng)情況并測(cè)出振動(dòng)頻率。 據(jù)此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)艙發(fā)射前對(duì)其太陽翼控制參數(shù)、仿真模型參數(shù)進(jìn)行了修正。最終，實(shí)驗(yàn)艙振翅高飛，助力中國“天宮”遨游太空。

忙驗(yàn)證，三線并行

天和核心艙在發(fā)射入軌后約一年間，在兩艘載人飛船和兩艘貨運(yùn)飛船配合下，完成了“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段”。這一階段是系統(tǒng)工程一個(gè)生命周期尋求滿意解的“最后一公里”。對(duì)于空間站建造來說，在該階段有空間站推進(jìn)劑補(bǔ)加、再生生保、艙外操作、在軌維修等7大關(guān)鍵技術(shù)要在軌驗(yàn)證。

再生生保即再生式生命保障是人類實(shí)現(xiàn)中長期載人飛行最核心的關(guān)鍵技術(shù)之一，既受微重力環(huán)境影響，又有時(shí)間效應(yīng)。在空間站微重力環(huán)境下，水處理、尿處理、電解制氧等構(gòu)成的自我循環(huán)系統(tǒng)與在地面的表現(xiàn)不同，同時(shí)需要足夠長的時(shí)間才能建立起物質(zhì)平衡，這就需要航天員在軌生活數(shù)月進(jìn)行驗(yàn)證。

2021年6月，神舟十二號(hào)飛行乘組進(jìn)入核心艙，中國空間站開始載人飛行，對(duì)相關(guān)性能進(jìn)行在軌驗(yàn)證。之后，神舟十三號(hào)和神舟十四號(hào)飛行乘組入駐“天宮”，進(jìn)行了一些艙外操作驗(yàn)證，完成對(duì)空間站上機(jī)電產(chǎn)品、有流體回路的產(chǎn)品的設(shè)置。值得一提的是，神舟十三號(hào)航天員乘組在地面科技人員的密切協(xié)同下，在空間站核心艙內(nèi)采取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船與空間站組合體交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。

空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段之后就是空間站在軌建造階段。那幾年，我們一邊研制艙段，一邊做空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，還一邊謀劃空間站長期運(yùn)行模式，可謂三線并進(jìn)。

大系統(tǒng)，團(tuán)結(jié)協(xié)作

空間站的設(shè)計(jì)空前復(fù)雜，系統(tǒng)多、接口多、狀態(tài)多，組織體系和設(shè)計(jì)體系特殊。

艙段上各分系統(tǒng)由眾多單位負(fù)責(zé)，研制難度超過了很多航天器。由于各部分自身是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，同時(shí)又要融入整個(gè)大系統(tǒng)中，涉及大量協(xié)調(diào)和優(yōu)化工作。

作為中國空間站系統(tǒng)總指揮，我時(shí)刻關(guān)注各分系統(tǒng)之間的相互影響，從空間站大系統(tǒng)的視角來看問題，做“系統(tǒng)決策”。讓我非常感動(dòng)的是，空間站系統(tǒng)所有參與人員都多年如一日，兢兢業(yè)業(yè)、精益求精、忘我工作，都著眼大局、服務(wù)大局、團(tuán)結(jié)協(xié)作。大家為了完成同一個(gè)目標(biāo)，傾情付出，貢獻(xiàn)自己的汗水和聰明才智。

中國載人航天工程系統(tǒng)當(dāng)然是更龐大的系統(tǒng)，除了空間站系統(tǒng)之外，還有載人飛船系統(tǒng)、貨運(yùn)飛船系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控通信系統(tǒng)、著陸場(chǎng)系統(tǒng)等。只有各系統(tǒng)群策群力、密切協(xié)作才能保障中國載人航天工程取得成功。

多年來，中國空間站系統(tǒng)獲得其他兄弟系統(tǒng)的鼎力支持。飛船系統(tǒng)的有些技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用很久，非常成熟了，但是為了適應(yīng)空間站需求，做出了必要調(diào)整。對(duì)運(yùn)載火箭系統(tǒng)，空間站不僅要求其推力大、起飛重量大，而且要求箭艙分離時(shí)的沖擊力小?；鸺到y(tǒng)團(tuán)隊(duì)與我們精誠合作，攜手實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)?？臻g站艙段發(fā)射對(duì)入軌精度要求高，對(duì)發(fā)射時(shí)間窗口有限制。為了滿足要求，發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)和火箭系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)積極努力，使空間站艙段精準(zhǔn)入軌，給空間交會(huì)對(duì)接創(chuàng)造了好條件。同時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)不斷加強(qiáng)和優(yōu)化陸、海和天基測(cè)控資源，提供優(yōu)質(zhì)測(cè)控服務(wù)。

航天是“千人一枚箭、萬人一桿槍”的事業(yè)，正是靠著萬眾一心的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，中國空間站建成，遨游于九天之上。

隨著中國“天宮”的誕生，中國航天站上了新起點(diǎn)，國際科技界擁有了一項(xiàng)新的太空科研基礎(chǔ)設(shè)施。我們深信，這座由中國人設(shè)計(jì)并主導(dǎo)、向世界開放的空間站將充分體現(xiàn)載人航天的價(jià)值，為人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)宇宙、更好利用空間資源做出卓越貢獻(xiàn)。

（本文作者王翔為空間站系統(tǒng)總指揮，由陳立根據(jù)作者口述整理）

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