解密“天宮一號”科技

“天宮一號”將對地球光譜探測，可測渤海漏油面積

載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師張善從表示，“天宮一號”將安排開展空間材料科學(xué)、空間環(huán)境探測和對地觀測三個方面的空間科學(xué)實驗。在對地觀測方面，“天宮一號”將實驗一種高分辨率光譜相機，實現(xiàn)對地球進行光譜探測。

據(jù)介紹，這次“天宮一號”對地觀測將首次實驗短波紅外光譜儀探測，“天宮一號”上使用的對地觀測設(shè)備與遙感系列衛(wèi)星星載對地觀測設(shè)備不同，后者使用的技術(shù)與設(shè)備都具有較高的成熟度，可直接應(yīng)用；前者則注重實驗性質(zhì)，實驗成功后觀測設(shè)備才會用于衛(wèi)星使用。

張善從介紹，比如最近渤海漏油事件，普通的相機看不出來海面的變化情況，通過光譜儀可探測石油泄漏影響的海域面積，以及對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞情況等。

據(jù)悉，這種光譜相機是國內(nèi)第一種短波紅外光譜探測設(shè)備，也是目前國內(nèi)空間分辨率最高的一種設(shè)備，其空間分辨率最高將達(dá)到10米，而國外同類型儀器的空間分辨率都是百米量級的，甚至有1000米量級的。

我國陸海天基測控網(wǎng)首次攜手，為“天宮一號”保駕護航

從北京跟蹤與通信技術(shù)研究所獲悉，我國自行設(shè)計、研制和建設(shè)的陸海天基三位一體載人航天測控通信網(wǎng)，第一次正式攜手為“天宮一號”及后續(xù)空間交會對接任務(wù)保駕護航。中繼衛(wèi)星的加入，使“天宮一號”測控覆蓋率大幅提升。

針對任務(wù)要求，科研人員在原來測控通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上進行了多項技術(shù)創(chuàng)新和調(diào)整，新建了澳大利亞當(dāng)加拉測控站；與巴西阿爾坎特拉和法國奧賽蓋爾、凱爾蓋朗3個測控站進行了國際聯(lián)網(wǎng)；對北京航天飛控中心重新設(shè)計和布局，新建了第二指揮廳；開發(fā)研制出交會對接任務(wù)飛控軟件，滿足了雙目標(biāo)協(xié)同管理要求。

海上測控力量由遠(yuǎn)望三號、遠(yuǎn)望五號和遠(yuǎn)望六號遠(yuǎn)洋測量船承擔(dān)。考慮到后續(xù)載人航天任務(wù)高頻度發(fā)射特點，系統(tǒng)進行總體方案設(shè)計時，以保證交會對接重點測控弧段為基本原則安排船位，遠(yuǎn)望五號船布設(shè)在日本以南海域，完成入軌和剛性對接段測控任務(wù)，遠(yuǎn)望六號船布設(shè)在新西蘭以東海域，完成第5圈變軌測控任務(wù)。

中繼衛(wèi)星被稱為“衛(wèi)星的衛(wèi)星”，是航天器在太空運行的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，可為中、低軌資源衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。“天宮一號”和后續(xù)將要實施的空間交會對接任務(wù)中，我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)正式作為陸海天基三位一體載人航天測控通信網(wǎng)的組成部分發(fā)揮重要作用。兩顆中繼衛(wèi)星天鏈一號01、02星的加入，將提供三分之二以上的軌道覆蓋率和百兆以上的高數(shù)據(jù)傳輸速率，使我國載人航天測控通信網(wǎng)的整體能力顯著提高。

儀表控制器應(yīng)用軟件為“天宮一號”,打造超級智囊

“天宮一號”目標(biāo)飛行器被送入預(yù)定軌道后，儀表控制器應(yīng)用軟件就正式開始運行。中國航天科技集團公司五院西安分院技術(shù)專家介紹，“天宮一號”儀表控制器應(yīng)用軟件是按載人飛行的要求設(shè)計的，在后續(xù)的載人飛行中，航天員可以通過儀表控制器這樣一個人機界面實現(xiàn)對整個目標(biāo)飛行器的全盤掌控，不僅可以直接獲取飛行器所有分系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，而且可以掌握飛行器的運行姿態(tài)。

“天宮一號”的人機界面完全是按照載人的狀態(tài)來設(shè)計的，在未來的載人飛行中，航天員在太空可以借助儀表控制器應(yīng)用軟件進行短信息編輯和收發(fā)電子郵件。如果有一些比較重要的文字和圖像資料需要在飛行器與地面之間進行交換，那么航天員可以通過電子郵件與地面進行信息交流。而這些界面與地面互聯(lián)網(wǎng)的電子郵件系統(tǒng)一樣智能，可以直接輸入文字，并可以添加8兆以內(nèi)的附件，可傳遞大量的數(shù)據(jù)信息。

為確保軟件在軌期間的穩(wěn)定運行，西安分院的設(shè)計師通過對軟件進行優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)了在地面對軟件進行更新，這樣可以有效地確保軟件的升級，也可以確保航天員的超級智囊增加新的功能。由于儀表控制器軟件是未來航天員觀測飛行器整體狀況的主界面，軟件運行的穩(wěn)定也可以在一定程度上確保航天員的安全。

攻克“天宮一號”在軌，長壽命技術(shù)難關(guān)

“天宮一號”的使用壽命要達(dá)到兩年，這對研制團隊來說無疑是個挑戰(zhàn)。對此，中國航天科技集團公司空間技術(shù)研究院載人航天總體部型號主管設(shè)計師李興乾表示，研究團隊已提前做足準(zhǔn)備，攻克了飛行器在軌長壽命的技術(shù)難關(guān)。

據(jù)介紹，為防止“天宮一號”發(fā)射升空時所攜帶的資源如氣體等外泄影響航天員的使用，科研人員在研制中對艙體密封性提出很高要求。李興乾說，這使“天宮一號”所攜帶資源泄漏的可能性微乎其微，同時也攜帶足夠的氣源進行泄漏補償，不會影響航天員的正常使用。“‘天宮一號’艙體密封性很好，所攜帶的資源足以供應(yīng)航天員工作和實驗時的需要。”

“天宮一號”里的500余臺大小設(shè)備對其在軌運行十分關(guān)鍵，在太空中，這些設(shè)備一旦出現(xiàn)故障該怎么辦？李興乾說：“我們設(shè)計時已做了充分的地面試驗，有的設(shè)備試驗次數(shù)達(dá)萬次以上，就是為了提高設(shè)備的可靠性。”

他透露，研制人員經(jīng)過大量試驗，在參考同類設(shè)備實際飛行結(jié)果數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對各種可能出現(xiàn)的故障提前制定了幾百種預(yù)案，從系統(tǒng)、到分系統(tǒng)、到單機，各級、各層面上都做了備份，保證“天宮一號”身體各部件的正常運轉(zhuǎn)。

“在一些關(guān)鍵設(shè)備的控制上，我們還設(shè)計了‘雙保險’，比如無人期間設(shè)備自動控制，有人時還可以讓航天員參與進行人工控制。”李興乾補充道。

“天宮一號”中有人時的生活豐富多彩，無人時也并不“寂寞”，除了進行空間探測等試驗外，它還要時刻對太空中隨時可能遇到的危險保持高度警惕。太空垃圾就是其可能遇到的危險之一。由于它們和航天器之間的相對速度很大，一般為每秒幾千米至每秒幾十千米，因此，即使輕微碰撞，也會造成航天器的重大損壞。

李興乾指出，研制人員在“天宮一號”艙體上設(shè)計了特殊防護裝置，較小的太空垃圾幾乎不會對飛行器造成多大影響；遇到體積較大的太空垃圾時，“天宮一號”會啟動預(yù)警機制，躲開危險物以保證安全。

太空環(huán)境千變?nèi)f化，太陽因能量增加向空間釋放大量帶電高速粒子流就是太陽風(fēng)暴，強烈太陽風(fēng)暴會使航天器受到干擾。這兩年是太陽活動高峰年，研制人員預(yù)計到“天宮一號”將會遭遇太陽風(fēng)暴的影響，致使其軌道的衰減速度加快，進而影響下次與飛船的交會對接。

李興乾說，研制人員適時會利用地面控制系統(tǒng)，啟動“天宮一號”上的推進器將自身往高處托舉，使之維持在要求的軌道高度。即使不發(fā)生太陽風(fēng)暴，“天宮一號”在太空中運行的軌道高度也不是一成不變的。李興乾說，在與飛船交會對接時，它會飛得低一些，大約距離大氣層340公里；無人期間則會飛得高一些，約370公里，因為越高的地方空氣密度越小，軌道衰減少，更加節(jié)約能源。

“天宮一號”航天員生命保障系統(tǒng),開始自主運行

從中國航天員中心獲悉，“天宮一號”的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)已經(jīng)啟動，轉(zhuǎn)入自主運行狀態(tài)，航天員進入“天宮”前將建立載人環(huán)境。

我國載人航天工程環(huán)控生保系統(tǒng)專家李英斌在接受采訪時說，人在太空生存，必須要依靠航天器提供適宜的氧氣、濕度、溫度和壓力等條件。盡管歷次神舟任務(wù)已在這方面積累了成熟經(jīng)驗，但 “天宮一號”任務(wù)仍然提出了巨大挑戰(zhàn)，特別是很多產(chǎn)品要長期耐受溫濕度、振動沖擊、真空低壓、失重等多種特殊環(huán)境考驗。

李英斌說，這次任務(wù)提出了嚴(yán)苛的艙內(nèi)微生物指標(biāo)和可吸入顆粒物指標(biāo)要求，為此，他們專門研制了微量有害氣體凈化裝置，采取綜合手段對艙內(nèi)氣體高效凈化。此外，還首次帶入了微生物凈化裝置，為航天員打造高度潔凈的環(huán)境。

據(jù)介紹，水汽會引起電器設(shè)備受潮短路，人在潮濕的環(huán)境中也不舒服。因此，“天宮一號”還有專門的儲箱回收人體呼吸、排汗等代謝產(chǎn)生的水汽。

長二F火箭換了，全新“大腦”

任何一發(fā)火箭在點火升空之后之所以能夠按照預(yù)定軌跡飛行，并且最終能夠精確地將目標(biāo)送入預(yù)定軌道，主要是靠火箭的控制系統(tǒng)來完成整個過程。承擔(dān)“天宮一號”發(fā)射任務(wù)的改進型長二F火箭總設(shè)計師荊木春在接受采訪時表示，改進型長二F火箭的控制系統(tǒng)是個全新的系統(tǒng)，從使用的方案、原理、具體設(shè)備、軟硬件等方面都與傳統(tǒng)狀態(tài)的 “長二F”發(fā)生了很大變化，相當(dāng)于給火箭置換了一個全新的“大腦”。

“和先前的長二F火箭相比，改進型長二F火箭控制系統(tǒng)的一個重大更改是，取消原先的氣浮陀螺平臺，采用兩套慣組作為測量裝置，可以更好地滿足火箭在俯仰偏航方向上的機動要求。”荊木春解釋，慣性測量組合是火箭控制系統(tǒng)的核心，也是影響火箭入軌精度的關(guān)鍵部件。

有了上述制導(dǎo)工具，改進型長二F火箭在制導(dǎo)方式上，首次使用了迭代制導(dǎo)技術(shù)。這些做法都是為了滿足交會對接任務(wù)對火箭入軌精度、軌道調(diào)整適應(yīng)性和可靠性等多個方面的要求。

荊木春表示，首次交會對接任務(wù)對“天宮一號”的入軌精度并沒有很高要求，但對“神舟八號”的入軌精度要求很高。“所以，我們的工程研制人員也制定了了套方案：當(dāng)發(fā)射目標(biāo)飛行器時，火箭僅采用攝動制導(dǎo)；當(dāng)發(fā)射飛船時，火箭采用‘?dāng)z動+迭代’組合制導(dǎo)。”