我國首個太空試驗平臺——“天宮一號”

　　 9月20日，天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體以每小時22米左右的速度，行進1500米，于10時09分鐘到達發(fā)射架。當日，中國載人航天工程新聞發(fā)言人宣布，我國將實施載人航天工程首次空間交會對接任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體已從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心垂直總裝測試廠房順利轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)。天宮一號將于9月27日至30日擇機發(fā)射。新華社記者秦憲安攝

　　據(jù)報道，舉世矚目的“天宮一號”目標飛行器目前一切準備工作就緒，將于最近發(fā)射升空。雖然具體的發(fā)射時間仍未有官方說法，但是公眾一直對其保持了較高的關(guān)注度。在以往的媒體報道中，多次提到，“天宮一號”只是空間站的雛形、是試驗性空間站。那么試驗性空間站有哪些特點？它和其他國家的空間試驗站有何不同？未來，我國的空間站如何發(fā)展？針對這些熱點問題，8月23日，科技日報記者專訪了我國航天專家龐之浩。

　　“天宮一號”是建造空間站的重要前提和技術(shù)保障

　　據(jù)報道，“天宮一號”并非真正的空間站，而是用于試驗我國未來空間站項目所需技術(shù)的首個太空試驗平臺，目的是為此后我國建設(shè)空間站做準備。

　　回望蘇、美及歐洲航天局的空間站發(fā)展歷程，均為先研制試驗性空間站、再建造其他空間站。龐之浩認為，研制試驗性空間站是建造空間站的重要前提和技術(shù)保障。

　　龐之浩告訴記者，試驗性空間站和其他空間站是兩種既有聯(lián)系又有明顯區(qū)別的載人航天器，它們在任務(wù)目標、功能規(guī)模、技術(shù)指標、資金投入和研制周期等方面均有不同之處。

據(jù)了解，試驗性空間站是為發(fā)展其他空間站，從運輸器過渡到載人航天基礎(chǔ)設(shè)施的試驗性航天器；而空間站指可供多名航天員巡訪、長期工作和居住的載人航天器。

“天宮一號”在壽命、對接口等方面不同于其他空間站

結(jié)合國外試驗性空間站和其他空間站的發(fā)展，龐之浩指出，兩者之間主要存在六大區(qū)別。

“首先，試驗性空間站在軌壽命通常低于5年，而其他空間站可達5至10年，或者更長?！彼f。

其次，試驗性空間站的規(guī)模較小，對接口也少，沒有擴展能力。而其他空間站至少有2個對接口，能同時對接載人運輸器、貨物運輸器或?qū)Ｓ脤嶒炁摗?/p>

三是試驗性空間站上的航天員一次在軌時間較短，一般是幾十天。而其他空間站上的航天員一次在軌時間大多為百天以上。

此外，兩者的區(qū)別還體現(xiàn)在：試驗性空間站上的燃料和消耗品原則上要一次帶足，其他空間站則是用貨運飛船定期進行多次補給；試驗性空間站上的有效載荷設(shè)備很少更換，但其他空間站可多次更換和增加實驗儀器；試驗性空間站上的航天員一般不進行航天器的維修工作，只進行試驗、訓練等，而其他空間站上的航天員要經(jīng)常進行維修工作。

“簡言之，試驗性空間站的各方面要求均比空間站低，因而技術(shù)難點少，比較容易研制?！饼嬛普f。

談及“天宮一號”，龐之浩表示該飛行器與國外試驗性空間站在功能和用途方面有相似之處，但質(zhì)量較小，約為8噸，而國外試驗性空間站都為20噸級以上，因此稱其為簡易“空間實驗室”更加合適。

圖表：天宮一號９月２７日—３０日擇機發(fā)射新華社記者王永卓編制。

天宮1號目標飛行器與神舟8號飛船交會示意圖

　　新聞背景

　　本月27日至30日，我國將擇機發(fā)射“天宮1號”目標飛行器，它將和隨后發(fā)射的神舟8號飛船進行我國首次空間交會對接試驗。明年，還將陸續(xù)發(fā)射神舟9號、10號飛船與“天宮1號”實現(xiàn)交會對接。其中神舟8號是無人飛船，神舟9號是否載人未定，而神舟10號是載人飛船。

　　空間交會對接是除了載人航天器的發(fā)射并返回技術(shù)、空間出艙活動技術(shù)之外，載人航天的三大基本技術(shù)之一。迄今為止，全世界共計進行了300多次空間交會對接活動，但只有美國和蘇聯(lián)/俄羅斯掌握了完整的空間交會對接技術(shù)。此次，如果“天宮1號”和神舟8號“深情一吻”成功，中國將成為世界上第三個完整掌握這一技術(shù)的國家。

美國航天飛機與“國際空間站”對接

　　美國人先“吃螃蟹”

　　回首一：上世紀六七十年代，美蘇的空間技術(shù)競賽進行得十分激烈。而在空間交會對接技術(shù)領(lǐng)域，是美國人先走了一步。

　　1966年3月16日，美國雙子星座8號載人飛船與改裝的“阿金納”火箭末級實現(xiàn)了世界上首次手動交會對接，其中，“阿金納”火箭末級作為追蹤飛行器，雙子星座8號作為目標飛行器。

　　在實施空間交會對接的2個航天器中，一個稱目標飛行器，一般是空間站或其他的大型航天器，作為準備對接的目標，交會對接時保持穩(wěn)定狀態(tài)；另一個稱追蹤飛行器，一般是地面發(fā)射的宇宙飛船、航天飛機等，交會對接時要通過變軌來追趕目標飛行器，實現(xiàn)兩者的交會對接。

　　這次交會時使用的測量設(shè)備是微波雷達、電視攝像機；對接機構(gòu)為“桿-錐”式結(jié)構(gòu)。

　　美國航天員阿姆斯特朗和斯科特乘坐雙子星座8號飛船，手動操作交會過程。對接后，飛船猛烈滾動旋轉(zhuǎn)，阿姆斯特朗不得不將飛船與“阿金納”分開。但飛船仍在滾動，改用手動控制，才使飛船穩(wěn)定下來。后查明是因人為扳錯開關(guān)造成姿控系統(tǒng)故障。為確保安全，飛船緊急返回。

　　此后，“雙子星座”飛船又成功進行了3次交會對接。

???9月20日9時，天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體開始轉(zhuǎn)運。當日，中國載人航天工程新聞發(fā)言人宣布，我國將實施載人航天工程首次空間交會對接任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體已從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心垂直總裝測試廠房順利轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)。天宮一號將于9月27日至30日擇機發(fā)射。新華社記者秦憲安攝

　　技術(shù)解析：“桿-錐”式對接機構(gòu)

　　對接機構(gòu)是把兩個航天器合二為一的“紐帶”，具有關(guān)節(jié)的作用。目前常用的主要有“桿-錐”式和“異體同構(gòu)周邊”式。

　　“桿-錐”式對接機構(gòu)由“桿”和“錐”兩部分構(gòu)成，前者為主動，裝在追蹤飛行器上，“錐”為被動，裝在目標飛行器上。對接時桿插入錐內(nèi)，然后錐將桿鎖定，接著拉緊兩個航天器，最終鎖定兩個對接面完成對接。

　　“桿-錐”式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕。其缺點是對接機構(gòu)全部安裝在航天器殼體內(nèi)部，對接后占據(jù)較大內(nèi)部空間，其承載能力也比較低。另外，在應(yīng)用中需要主、被動兩種機構(gòu)成對使用，不具有異體同構(gòu)性，通用性差。

俄羅斯進步M-M貨運飛船伸出對接用的桿準備對接

蘇聯(lián)航天員沙塔洛夫在示意“聯(lián)盟”5號與“聯(lián)盟”4號的對接過程

　　蘇聯(lián)人完成了無人對接

　　回首二：1967年10月30日，蘇聯(lián)先后發(fā)射了2艘不載人的聯(lián)盟號飛船——宇宙-186、188，成功進行了世界上第一次無人航天器自動交會對接。其中宇宙-186為追蹤飛行器，宇宙-188為目標飛行器。它們采用“針”模擬測量系統(tǒng)和無通道的“桿-錐”式對接機構(gòu)。

　　1967年10月27日，宇宙-186率先上天；同年10月30日，宇宙-188被發(fā)射到距宇宙-186相差24千米的軌道上。此后，先通過地面站的導引指令，使宇宙-186進行交會機動，并進行姿態(tài)調(diào)整，宇宙-188也進行姿態(tài)調(diào)整，保持與宇宙-186的相對指向。接著，這2艘飛船啟動“針”模擬測量系統(tǒng)，即用雷達和計算機系統(tǒng)測量彼此之間的相對距離、相對速度、相對角速度、相對方位角，并逐漸接近。當相對距離為350米、彼此之間的相對速度降到2米/秒時，進入最終逼近階段。在最終逼近階段，宇宙-188利用姿態(tài)控制推力器保持與宇宙-186同軸，宇宙-186伸出可伸縮的對接探桿，插到宇宙-188的接納錐中，實現(xiàn)對接。

???9月20日10時9分，天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體以每小時22米左右的速度，行進1500米，于10時09分鐘到達發(fā)射架。當日，中國載人航天工程新聞發(fā)言人宣布，我國將實施載人航天工程首次空間交會對接任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體已從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心垂直總裝測試廠房順利轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)。天宮一號將于9月27日至30日擇機發(fā)射。新華社記者秦憲安攝

　　技術(shù)解析：手動控制和自動控制

　　航天器空間交會對接技術(shù)的實施必須由高級控制系統(tǒng)來完成，根據(jù)航天員及地面站的參與程度可將控制方式劃分為如下四種類型：

　?。?）遙控操作：追蹤航天器的控制不依靠航天員，全部由地面站通過遙測和遙控來實現(xiàn)，此時要求全球設(shè)站或者有中繼衛(wèi)星協(xié)助。

　?。?）手動操作：在地面測控站的指導下，航天員在軌道上對追蹤航天器的姿態(tài)和軌道進行觀察和判斷，然后動手操作。

　?。?）自動控制：不依靠航天員，由船載設(shè)備和地面站相結(jié)合實現(xiàn)交會對接。該控制方法亦要求全球設(shè)站或有中繼衛(wèi)星協(xié)助。

　?。?）自主控制：不依靠航天員與地面站，完全由船載設(shè)備自主實現(xiàn)交會對接。

　　從本質(zhì)上說，上述分類可歸結(jié)為人工控制方式或自動控制方式。

　　用手動控制來完成空間交會對接成功率高，但缺點是工作時間長，從幾個小時到幾天，而且勞動強度很大，此外還受空間環(huán)境條件（如光照）的嚴格限制等。用自動控制來完成空間交會對接不需考慮人員的安全和救生問題，但需要分布很廣的地面站或中繼衛(wèi)星，花費巨大。

　　兩個擬交會對接的航天器在相距較遠時一般都采用自動控制，在相距較近時，美國采用手動控制，俄羅斯仍采用自動控制，只有在自動控制失敗時才采用手動控制。這可能是由于其地理位置決定的，俄羅斯橫跨歐亞大陸，因此可以滿足自動控制中地面站數(shù)量的要求，美國則達不到這樣的條件。

　　未來的發(fā)展趨勢是人工控制和自動控制相結(jié)合，以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。

???天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體第一次出現(xiàn)在陽光下（9月20日攝）。 9月20日，中國載人航天工程新聞發(fā)言人宣布，我國將實施載人航天工程首次空間交會對接任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體已從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心垂直總裝測試廠房順利轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)。天宮一號將于9月27日至30日擇機發(fā)射。新華社記者秦憲安攝

　　月球軌道上的交會對接

　　回首三：1969年7月，美國“阿波羅”登月艙與指令艙實現(xiàn)了首次月球軌道人控交會對接。

　　“阿波羅”登月飛船往返月球一次，需進行二次交會對接，重構(gòu)航天器，以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。第一次是指令艙在地球軌道分離后調(diào)頭180度，指令艙與登月艙對接；第二次是登月艙由月球返回時與月球軌道上的指令艙對接。

　　在地球軌道交會對接解決了降低火箭上升段逃逸質(zhì)量與人員進入登月艙通道之間的矛盾；在月球軌道交會對接實現(xiàn)了將指令艙與登月艙的功能區(qū)分和獨立，大幅度降低了對火箭運載能力的需求。其交會測量設(shè)備采用X頻段交會雷達，最終采用手動完成。其對接機構(gòu)采用可移開的“桿-錐”式結(jié)構(gòu)。

　　1969年7月至1972年12月，美國先后發(fā)射了阿波羅-11至17共7艘登月飛船，除阿波羅-13發(fā)生意外事故中止登月任務(wù)外，其余6次完全成功。這說明“阿波羅”飛船使用的交會對接技術(shù)是可靠的。

　　技術(shù)解析：測量設(shè)備

　　兩個航天器要想在太空交會靠近，主要依靠航天器上測量設(shè)備，它是航天器之間進行交會靠攏的“眼睛”。

　　兩個航天器之間為中長距離時主要使用微波雷達、激光雷達、GPS差分接收機等；兩個航天器之間為短距離時主要使用光學成像敏感器和對接敏感器等。

　　交會對接漸成尋常事

　　回首四：1975年，蘇聯(lián)聯(lián)盟-19與美國阿波羅-18載人飛船首次進行了兩個不同國家航天器的交會對接，同時也實現(xiàn)了從兩個不同發(fā)射場發(fā)射的航天器的交會對接，并首次使用了“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)。

　　1995年至1998年，美國航天飛機成功與俄羅斯和平號空間站進行9次交會對接；1998年至2011年，美國航天飛機成功與“國際空間站”進行37次交會對接，沒有1次失敗，這充分顯示了美國航天飛機的交會對接技術(shù)十分先進和可靠。航天飛機與空間站對接時使用的機構(gòu)是改進的“異體同構(gòu)周邊”式。

　　迄今為止，全世界共計進行了300多次空間交會對接活動，但只有美國和蘇聯(lián)/俄羅斯掌握完整的空間交會對接技術(shù)。歐洲和日本的轉(zhuǎn)移飛行器在“國際空間站”的空間交會對接技術(shù)方面，分別得到了美國或俄羅斯的技術(shù)支持。歐洲自動轉(zhuǎn)移飛行器的對接機構(gòu)由俄羅斯提供，日本H-2轉(zhuǎn)移飛行器的對接機構(gòu)由美國提供。二者在飛行任務(wù)中均需要美國和俄羅斯的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)支持。

▲航天飛機上的“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)特寫

　　技術(shù)解析：

　　“異體同構(gòu)周邊”式對接機構(gòu)

　　“異體同構(gòu)”是指追蹤飛行器和目標飛行器上的對接機構(gòu)采用同樣結(jié)構(gòu)，沒有主動、被動之分；“周邊式”是指機構(gòu)不設(shè)置在中間，而是設(shè)置在周邊。對接時，追蹤飛行器上的對接機構(gòu)伸出裝在周邊的三個板狀導向器，使兩個對接機構(gòu)準確地接觸，鎖定后對接機構(gòu)回縮拉緊對接面，最終鎖定兩個對接面完成對接。

　　“異體同構(gòu)周邊”式的優(yōu)點是對接后通道暢通，對接連接環(huán)直徑較大承載能力大，適宜大質(zhì)量航天器間對接。其缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜，質(zhì)量較大。

　　現(xiàn)有的對接系統(tǒng)要求有一定強度的對撞，不具有完全的異體同構(gòu)性。未來的對接機構(gòu)，應(yīng)該是堅固的、重量輕的和弱碰撞的，這將降低航天器對接的風險。（龐之浩作者為《國際太空》雜志執(zhí)行主編）

???這是矗立在發(fā)射架的天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體（9月20日攝）。 9月20日，中國載人航天工程新聞發(fā)言人宣布，我國將實施載人航天工程首次空間交會對接任務(wù)，執(zhí)行任務(wù)的天宮一號目標飛行器、長征二F運載火箭組合體已從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心垂直總裝測試廠房順利轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)。天宮一號將于9月27日至30日擇機發(fā)射。新華社記者秦憲安攝