“天神”續(xù)寫太空交會(huì)對接傳奇

□陳福民

“天神”續(xù)寫太空交會(huì)對接傳奇

□陳福民

“天宮一號”和“神舟八號”的“太空擁吻”已載入人類探索太空的歷史，也為中國載人航天事業(yè)邁向更廣闊的舞臺搭設(shè)了一階新的“天梯”……

“造物無言卻有情，每于寒盡覺春生。千紅萬紫安排著，只待新雷第一聲。”

進(jìn)入初春，中國航天界傳來人們久雨問“晴”般的喜訊：執(zhí)行這次載人交會(huì)對接任務(wù)的“神舟九號”飛船于今年4月9日運(yùn)抵酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，發(fā)射場、著陸場、測控通信等系統(tǒng)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作進(jìn)展順利。根據(jù)任務(wù)計(jì)劃，“神九”將搭載3名航天員于本月至8月?lián)駲C(jī)發(fā)射，與“天宮一號”進(jìn)行“手控”交會(huì)對接。

有了“神八”與“天宮”的自動(dòng)對接成功，為什么還要進(jìn)行有人對接呢？太空交會(huì)對接有什么危險(xiǎn)？“神九”與“天宮一號”的空間交會(huì)對接會(huì)有哪些突破？

讓我們先回眸“神八”與“天宮一號”的交會(huì)對接吧。

“神八”與“天宮一號”如何飛渡對接

“神舟八號”飛船于2011年11月1日5時(shí)58分發(fā)射升空后，“拋整流罩”、“船箭分離”、“太陽帆板展開”……隨著飛控大廳內(nèi)指揮調(diào)度員的一個(gè)個(gè)口令，“神八”向著在太空中以倒飛姿態(tài)飛行的“天宮一號”目標(biāo)飛行器不斷靠近。

飛船入軌時(shí)，兩個(gè)飛行器相距近1萬千米。迢迢星河，如何飛渡？

國內(nèi)7個(gè)測控站、3個(gè)飛控中心、3艘遠(yuǎn)洋測量船、國外5個(gè)測控站、3個(gè)國際聯(lián)網(wǎng)合作站，再加上太空中的兩顆中繼衛(wèi)星，組成了陸海天基“三位一體”的載人航天測控網(wǎng)，為”神八”和”天宮一號”的約會(huì)之旅全程保駕護(hù)航。

飛船進(jìn)入第24圈，在天鏈一號01星覆蓋區(qū)，“神八”軌道進(jìn)行組合修正，距離在一點(diǎn)一點(diǎn)縮短，在“天宮一號”后下方約52千米處，“神八”穩(wěn)穩(wěn)地捕獲了自己的目標(biāo)，開始自主導(dǎo)航。這意味著，要靠“神舟八號”自己的“慧眼”導(dǎo)引到達(dá)“天宮一號”后下方5千米處，才能完成搜尋的任務(wù)。然后，它將在5千米、400米、140米和30米處進(jìn)行4次“剎車”，等到測控通信系統(tǒng)對兩個(gè)飛行器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視檢查、確認(rèn)不會(huì)“撞車”之后，才能繼續(xù)向“天宮一號”慢慢靠近。

瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)水平，我國對接機(jī)構(gòu)采用了導(dǎo)向板內(nèi)翻式的異體同構(gòu)周邊式構(gòu)型，對接機(jī)構(gòu)所有的儀器設(shè)備都安裝在周邊，中間留了直徑800毫米的入孔通道，宇航員和貨物就是從這個(gè)通道運(yùn)送。這是我國目前最復(fù)雜的空間機(jī)構(gòu)，由上萬個(gè)零部件組成，是我國歷時(shí)十幾年完全自主研發(fā)的。從對接機(jī)構(gòu)接觸開始，“神八”與“天宮一號”要在15分鐘內(nèi)完成捕獲、緩沖、拉近和鎖緊四個(gè)過程，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)航天器之間的剛性連接，形成組合體。至此，第一次交會(huì)對接任務(wù)結(jié)束，而這15分鐘內(nèi)的大部分事件，是在中國上空完成的。

第一次對接完成后，”天宮一號”與“神八”以組合體飛行模式飛行。在此期間，對組合體的控制通過“天宮一號”完成，“神八”處于停靠狀態(tài)。組合體在軌飛行12天左右，并擇機(jī)進(jìn)行第二次交會(huì)對接試驗(yàn)。

兩個(gè)飛行器質(zhì)量不同，飛行中控制模式不同，所以它們的組合飛行肯定比一個(gè)飛行器單獨(dú)飛行難。飛船在對接完成后轉(zhuǎn)入停靠狀態(tài)以延長壽命，這時(shí)飛船的能源、大氣環(huán)境等由“天宮一號”提供支撐。組合體內(nèi)部環(huán)境的統(tǒng)一控制是未來載人空間站運(yùn)行的重要技術(shù)。雖然這次試驗(yàn)因無人參與，對大氣環(huán)境不進(jìn)行驗(yàn)證，但兩個(gè)飛行器之間的通道是否暢通仍至關(guān)重要。

組合體飛行12天后，對接機(jī)構(gòu)解鎖，兩個(gè)飛行器分離，“神八”飛船撤離至相距“天宮一號”目標(biāo)飛行器140米處停泊，按程序進(jìn)行第二次交會(huì)對接，再次構(gòu)成組合體。

這一階段的目的是再次驗(yàn)證交會(huì)對接技術(shù)及對接機(jī)構(gòu)等部件工作的可靠性與穩(wěn)定性。兩個(gè)飛行器能不能正常分離，與能不能對接一樣重要，一旦無法分離，未來載人航天器上的航天員就可能面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)。因此我們設(shè)置了三種安全措施保證分離。二次對接的意義則在于確認(rèn)此項(xiàng)技術(shù)的可靠性，也是為未來的“神九”、“神十”載人試驗(yàn)打基礎(chǔ)，這一做法有其合理性、經(jīng)濟(jì)性，但同時(shí)也存在風(fēng)險(xiǎn)。

“手控”對接又增一道“安全閥”

交會(huì)和對接是兩個(gè)完全不一樣的動(dòng)作。所謂的交會(huì)，是指兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)飛行器從各自不同的軌道中，飛到同一個(gè)軌道面上，然后兩者不斷接近。在俄羅斯設(shè)計(jì)的技術(shù)體系中，二者相對速度必須在1米/秒以下，才算達(dá)到了對接的初始要求。而按我國“神八”和“天宮一號”的標(biāo)準(zhǔn)，兩者的相對速度必須在0.35米/秒以下才行。只有這個(gè)條件，接下來才能開始對接。

實(shí)現(xiàn)兩個(gè)具備了航天器的對接難度顯然是非常大的。這就相當(dāng)于要用一根線去穿幾百千米之外的一個(gè)針眼。因?yàn)樘罩械目臻g實(shí)驗(yàn)室和航天飛機(jī)都是高速運(yùn)行的，時(shí)速達(dá)到2.8萬千米以上（每秒差不多將近8千米）。在對接過程中，如果計(jì)算不準(zhǔn)，就可能發(fā)生飛船相撞事故。這就像是地面的兩輛急速飛馳的跑車，要讓它們的距離必須一直保持在1米左右。在對接時(shí)，需要兩個(gè)航天器的軸線在同一條直線上，并且相對速度要接近0。

而對接，大家總把它比作“太空之吻”。其實(shí)，這樣的比喻還不太妥切。比如，雙方僅僅是碰一下，那根本不算對接成功。所謂的對接，分為初步接觸、捕獲、校直緩沖、拉緊鎖定等幾個(gè)步驟。按照目前的“導(dǎo)向板內(nèi)翻式的異體同構(gòu)系統(tǒng)”，當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)飛行器接觸后，面對面地開始貼近，我們稱之為捕獲，其標(biāo)志是將對方用捕獲鎖卡住。然后，再經(jīng)過一系列校直、緩沖、對準(zhǔn)后，兩者才能拉緊。最后，用12把對接鎖鎖住，兩個(gè)目標(biāo)飛行器最終合為一體。這時(shí)，我們才可說對接完成。

說起航天器的空間交會(huì)對接，人們很容易便聯(lián)想起在20世紀(jì)60年代的一部名為《太空俘虜》的科幻電影。影片描述的是，一艘在太空飛行的美國“阿波羅號”飛船突然出了故障，飛船內(nèi)的宇航員危在旦夕。這時(shí)，前蘇聯(lián)的“聯(lián)盟號”飛船正好飛過，出于人道主義精神，“聯(lián)盟號”上的宇航員準(zhǔn)備搭救。不料，兩艘飛船對接機(jī)構(gòu)不“兼容”，前蘇聯(lián)的宇航員只能干瞪眼。最后，美國宇航員成了“太空俘虜”，再也沒回來……

這部科幻電影從另一個(gè)側(cè)面反映了空間交會(huì)對接對載人航天事業(yè)的重要意義。然而，人類要在太空進(jìn)行對接的重要性遠(yuǎn)不止此。

早在20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)航天專家就意識到這個(gè)問題的緊迫性了。那時(shí)候“聯(lián)盟號”飛船已經(jīng)研制成功，但它只能在太空逗留7天。這是為什么呢？因?yàn)椋菏紫龋鸺裏o法負(fù)載太多的燃料，會(huì)造成自身攜帶燃料的不足；其次，航天員日常生活的氧氣、食物等消耗很大，再加上他們的排泄物處理也是大問題；再就是飛船內(nèi)部空間有限，無法進(jìn)行一些大型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

如果航天員需要在太空做一些長期、功能復(fù)雜的科學(xué)試驗(yàn)，就需要一個(gè)長期有人照料、空間足夠?qū)挸ǖ暮教炱鳌６@樣大型的航天器僅僅靠一次發(fā)射是不可能完成的。如俄羅斯的“和平號”空間站總重100噸，國際空間站總重更是超過了400噸。而我國的”天宮一號”不過才8.5噸，為了確保它的順利升空，我國還特地對長征二號F火箭進(jìn)行了改進(jìn)。再說，空間站需要經(jīng)常運(yùn)輸貨物和替換航天員，就需要貨運(yùn)飛船和載人飛船。因此，空間站的建立，需要在太空完成多個(gè)艙體的組合，需要飛船在空間站的停靠。這樣，太空航天器的交會(huì)對接，便成了趨勢。

那么，為何在“神八”與“天宮一號”已成功完成自動(dòng)對接后，還要實(shí)施“神九”的手控交會(huì)對接呢？

原來，這是必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下一般都是自動(dòng)交會(huì)對接，可一旦軟件等出現(xiàn)問題，就需由航天員手動(dòng)操作。手控交會(huì)對接操作對航天員的身心都是極大的考驗(yàn)，對眼手協(xié)調(diào)性、操作精細(xì)性、心理素質(zhì)等要求非常高，很考驗(yàn)航天員的耐力。在此過程中，航天員要看著電視圖像，根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如距離、高度、軸線差別、相對速度進(jìn)行操作等，讓兩個(gè)航天器一點(diǎn)點(diǎn)逼近，根據(jù)仔細(xì)計(jì)算決定速度變化方案，完成交會(huì)對接。

另外，用自動(dòng)控制來完成空間交會(huì)對接雖然不需要考慮航天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，且花費(fèi)巨大。而用手動(dòng)控制來完成空間交會(huì)對接成功率高，但缺點(diǎn)是工作時(shí)間長，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，此外還受空間環(huán)境條件（如光照）的嚴(yán)格限制。

因此，只有再突破和掌握有人參與的手控交會(huì)對接技術(shù)，才能說全面掌握了空間交會(huì)對接技術(shù)。

>>女宇航員將在女飛行員中遴選，圖為我國英姿颯爽的女飛行員。

“天神”再續(xù)太空情緣

中國載人航天工程發(fā)言人宣布，這次發(fā)射“神舟九號”飛船的任務(wù)是：由3名航天員組成飛行乘組的“神九”飛船與“天宮一號”目標(biāo)飛行器開展手控交會(huì)對接，航天員將進(jìn)入“天宮一號”工作、生活，開展相關(guān)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在完成預(yù)定任務(wù)后返回地面。

這次“神九”發(fā)射與“神八”沒有太大區(qū)別，最大的不同就在于將實(shí)施手控交會(huì)對接，全面驗(yàn)證交會(huì)對接技術(shù)。為此，航天員需在地面做大量模擬試驗(yàn)，務(wù)必做到對各種預(yù)案了然于心，熟練掌握。

令人驚喜的是，我國首次選拔的女航天員正在進(jìn)行交會(huì)對接任務(wù)訓(xùn)練。她們在飛行團(tuán)隊(duì)中可起到男性無法發(fā)揮的作用。但此次“神九”發(fā)射，女航天員是否飛天并參與手動(dòng)交會(huì)對接任務(wù)的實(shí)施，目前仍是一個(gè)懸念。

目前，“天宮一號”目標(biāo)飛行器在軌工作正常，具備航天員駐留條件。與神舟飛船相比，“天宮一號”實(shí)驗(yàn)艙里的空間要寬敞一些，有15立方米，采用了多項(xiàng)人性化設(shè)計(jì)，為航天員提供了舒適的環(huán)境。

“天宮一號”上搭載有多項(xiàng)科學(xué)儀器。其中一臺是多向粒子輻射探測器，可測量多個(gè)方向高能帶電粒子，對航天器的安全防護(hù)、航天員出艙活動(dòng)安全具有重要意義。還有一臺軌道大氣綜合探測器，用來測量軌道大氣的密度和成分。

以后空間站建成，不能只依靠飛船運(yùn)送物資，必須研發(fā)再生系統(tǒng)。所以“天宮一號”要建立再生式生命保障系統(tǒng)。例如，需要再生凈化空間站航天員的汗水、廢水甚至小便，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)使用等。

更有意思的是，“天宮一號”實(shí)行男女分用馬桶。在“神五”發(fā)射時(shí)并沒有配備糞便收集器。此后，“神六”研制出了大小便收集系統(tǒng)。在航天生活中，要是航天員在坐便器上一使勁，會(huì)出現(xiàn)“噴氣式”現(xiàn)象，即失重向前傾。這是地面上生活所想不到的。據(jù)悉，“天宮一號”采用的是抽氣式馬桶，大小便是分開收集的，考慮到女航天員上天的需求，大便收集器的高度、相對位置有了局部修改，設(shè)有女性專用設(shè)備。

“天宮一號”有能力支持一名航天員工作生活60天。也就是說，如果3個(gè)人都在里面，最多可待20天。

“工欲善其事，必先利其器。”據(jù)透露，“神舟九號”飛船將由改進(jìn)型長征二號F遙九火箭發(fā)射。發(fā)射“神舟八號”飛船時(shí)，長征二號F遙八運(yùn)載火箭是在長征二號F火箭的基礎(chǔ)上進(jìn)行了150多項(xiàng)的技術(shù)改進(jìn)而成，提高了火箭的運(yùn)載能力、入軌精度和可靠性。而與發(fā)射“天宮一號”和“神八”的火箭相比，此次改進(jìn)型長征二號F遙九火箭在安全可靠性上再上一個(gè)臺階。研制人員針對該型號火箭精心設(shè)計(jì)了一系列質(zhì)量控制措施：將火箭的GPS系統(tǒng)更新?lián)Q代，保證其“行駛”在正確軌道，實(shí)現(xiàn)精確入軌；多媒體記錄覆蓋火箭生產(chǎn)全過程，共計(jì)照相6954張，攝像161段；在肉眼無法識別的部位增加內(nèi)窺鏡檢查，為火箭做好“全身體檢”。

因此，長征二號F遙九火箭研制中又有一些新亮點(diǎn)：將原來只有在發(fā)射場才能進(jìn)行的系統(tǒng)匹配測試，提前到出廠測試階段完成，在火箭起飛前，將先進(jìn)的理念、方法、工藝全部變成成熟技術(shù)。另外，研究院還采取了多項(xiàng)措施，提升火箭的舒適度，讓航天員享受一次安全、舒適的太空之旅。用火箭設(shè)計(jì)者的話形容，航天員按坐“奧拓”的標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練，但要坐“奧迪”上天。