天宮游太空 神舟赴星河

天宮游太空 神舟赴星河

空間飛行器交會對接是航天領域公認的技術難關，難度大、風險高。工程技術人員總結前幾次交會對接的經驗，對神舟十一號與天宮二號進行了升級改進，那么這次交會對接與以往有何不同？北京航天飛行控制中心副總工程師孫軍對此進行了權威解答。

從打固定靶到打運動靶

“天宮二號和神舟十一號交會對接的軌道高度為393千米，比前幾次高了50千米。”孫軍說，這個高度與未來空間站的軌道高度基本相同，大氣阻力更小，對航天器的衰減作用更小，能夠降低維持航天器長期在軌運行的資源消耗。

軌道高度的變化，只是這次飛行任務為空間站建設所進行的驗證之一。空間站將來建成后，個頭大、噸位足，調整軌道姿態需要耗費大量燃料。這決定了今后的交會對接不能再像以往那樣先讓“天宮”主動調整位置，然后發射飛船，而是先要準確預報空間站的位置，再讓飛船去追它。

“打個比方，以前是打固定靶，現在是打運動靶。這要求能對空間站運行軌道進行長時間的精確預報。”孫軍說，受復雜空間環境的影響，空間站的軌道每天都在衰減，時間跨度越長，預報難度越大，經過科研人員的研究攻關，現在的預報精度已大幅度提高。

交會對接方式的變化，使得對神舟十一號飛船進行軌道控制的間隔較以往大大縮短。孫軍表示，這次任務中軌道控制參數的計算精度、計算效率比以往更高，能夠把神舟飛船準確“送到”距離天宮二號50余千米的地方——此后，它們進行自動交會對接。

控制軌道實現精確定軌

在神舟十一號與天宮二號自動交會對接的過程中，地面科技人員是如何判斷變軌效果是否符合預期，怎樣準確掌握飛船的軌跡并引導飛船和天宮進行交會對接的呢？

作為飛控任務接力的第一棒，北京航天飛行控制中心軌道計算主任設計師張宇的崗位是在“船箭分離”開始，快速準確計算出飛船在茫茫太空中的位置，判別其是否成功入軌。

“從飛船升入太空那一刻，我們就要進行精確定軌，知道它在哪里。”張宇說，通俗講，精確定軌就是航天器在某一時刻的飛行軌跡，是橢圓軌道還是其他形狀，什么速度，通過計算都能知道。

影響參數的變量很多。張宇介紹，要達到航天任務的精度要求，不但要考慮航天器的幾何結構和實際飛行姿態，還要綜合考慮空間環境的影響因素，如高層稀薄大氣阻力、地磁指數等。

和以往幾次發射不同，這次張宇還要算出神舟十一號和天宮二號的相對軌道關系，為之后的自動交會對接軌道控制提供決策依據，“每一次任務都有新的挑戰，我們也可能會碰到各種復雜的情況，針對各種情況都要做好預案。”

在確定飛船的精確位置之后，預報崗位的科技人員就開始忙碌起來。

“我們要計算出飛船每一秒鐘所處的位置。”預報崗位主崗顏華打了個比方，譬如風箏在天上飛，軌道崗位確定了當前風箏的位置，我們就能計算出，接下來的每一秒風箏會往哪里飛。

這次任務中需要攻破的一個重要難關，就是對天宮二號運行軌道進行精確預報。對此，中心提出對預報方法進行改進，建立起更為精確的預報模型和參數。張宇說：“這就好像要提前一個月進行天氣預報，還必須報得準當天是陰、晴、雨、雪哪種氣候。”

同時，這次交會對接任務中，還需要重新設計遠導控制策略。中心軌道室主任謝劍鋒告訴記者，這次神舟十一號任務中軌控比較多，在前面兩天就要對飛船進行5次遠距離導引，使它順利飛到預定位置，這要求軌道控制達到很高的精度。

“航天器在太空中，它們的每一步動作，都是由地面發出指令，因此地面必須清楚了解航天器當前的狀態，并對全過程的軌道控制、姿態調整等心中有數，這就要求事先進行規劃和控制。”謝劍鋒介紹。

“航天器在天上的每時每刻，我們都要有人值守，把它在天上什么時間干什么算出來，而且要很細致地做驗證。”謝劍鋒說，將數據注入給航天器是不能有任何差錯的，地面隨時要準備好應對的措施。

微波雷達助力完美對接

在交會對接微波雷達的精準導引下，神舟十一號飛船與天宮二號在10月19日凌晨實現完美交會對接。這是繼成功助力神舟八號、九號、十號飛船與天宮一號交會對接后，交會對接微波雷達的第4次完美表現。

10月18日22時53分，交會對接微波雷達加電，完成開機自校準流程。加電數分鐘后，微波雷達首次捕獲目標，鎖定后，全程穩定跟蹤，直至交會對接任務圓滿完成。

“它是一個僅有iPad2一半大小的裝置，重量只有幾千克，是袖珍的高科技‘小眼睛’。”交會對接微波雷達總工程師孫武介紹。作為實施交會對接任務的關鍵敏感器，微波雷達為交會對接提供了距離、速度、角度、角速度等信息，牽引著它們從“相遇”到“相連”，成為明亮有神的“太空之眼”。

這雙“眼睛”有多厲害？在測量范圍上，它上至北京五環一整圈，下至一張桌子的長度，在如此之大的跨度中，它的測距精確程度可以達到20厘米的尺張度，測角精度相當于人眼測試視力時相鄰兩行之間的角度，而速度測量的誤差基本小于一只螞蟻的爬行速度。

據科研人員介紹，交會對接技術是空間工程應用的一項關鍵技術，通過精確測量兩個航天器之間的相對位置、相對速度、相對姿態及它們的變化率，實現兩個航天器在空間的交會對接。交會對接微波雷達包括雷達和應答機兩個分系統，在交會對接過程中，“雷達和應答機像是電話的兩端，一問一答，協同工作，共同完成航天器運動參數的測量過程”。

神舟十一號發射成功

在這次任務中，天宮二號上的微波應答機為第二代新研產品，結合后續任務需求進行了小型化改進，比第一代產品更好用、更可靠。神舟十一號飛船上的微波雷達依然為第一代功勛產品，一如既往地穩定可靠。這次任務后，微波雷達也將升級為第二代產品。

相比于第一代產品，第二代產品做了三大改進。首先，第二代產品成功瘦身。第一代交會對接微波雷達產品僅有iPad2大小，而第二代產品在原基礎上，體積和重量又縮小了一半，提前為后續任務做出余量，可搭載更多產品，為開展更多空間實驗省了空間、減了重量，同時功耗減少到原來的2/3。

其次，沉默的眼睛可以說話。第二代產品增加了通信功能，不僅能看見，也能通話，實現了測量通信一體化功能，這意味著通過第二代產品，飛船和空間實驗室之間的溝通更加及時、有效。

最后，第二代產品披上了盔甲，迎戰太空中的敵軍。太空中環境惡劣，充滿了各種高能粒子，它們像一個個敵軍士兵一般沖向微波雷達，造成微波雷達誤碼甚至失鎖。通過新措施應對高能粒子的沖擊，就好像身穿盔甲的戰士，進一步提高了產品的可靠性，不懼來襲。

延伸閱讀：

神舟與天宮的歷次“天空之吻”

神舟八號與天宮一號

2011年11月1日，神舟八號“赴約”天宮一號，并于2天后與天宮一號完成自動交會對接，成功實施我國首次空間交會對接。組合體運行12天后，神舟八號飛船脫離天宮一號，并再次與之進行交會對接實驗，這標志著我國已經成功突破了空間交會對接及組合體運行等一系列關鍵技術。

神舟九號與天宮一號

2012年6月16日，神舟九號載人飛船搭載著航天員景海鵬、劉旺和劉洋成功發射，6月18日轉入自主控制飛行，14時左右與天宮一號實施自動交會對接，這是中國實施的首次載人空間交會對接。飛船在軌飛行十余天，共安排飛船與天宮一號進行兩次交會對接，第一次為自動交會對接，第二次由航天員手動控制完成。

神舟十號與天宮一號

2013年6月，神舟十號載人飛船搭載著航天員聶海勝、張曉光和王亞平成功發射。飛船在軌飛行15天，先后與天宮一號進行一次自動交會對接和一次航天員手控交會對接。

神舟十一號和天宮二號交會對接