“天宮”空間站：怎樣在太空搭積木？

王翔

為什么“ 1+1=1”？

1+1=？這是個數學問題，也可能成為哲學或文學問題。不同的語境下，它的答案是不一樣的。正在太空中組裝建造的中國空間站，給出了自己的答案：1+1=1。

系統的各部分各自獨立，組成系統時又相互聯系、相互作用，有機地形成一個整體。來自系統科學的這一思想，在中國空間站的設計中再次得到宏觀表達：組成空間站的各艙段（包括來訪飛船）原為獨立飛行器，對接后形成一個由空間站統一控制和管理的組合體;其組合過程實際上是控制權的交接或接管，新艙段將控制權交與空間站，將艙體與艙內資源融入空間站，并成為擴展后新的空間站的一部分。

枝葉新發，仍是樹木一棵;溪流蔓生，成就大河湯湯。

中國空間技術的重要開創者、“兩彈一星”元勛王希季先生將此復雜精密的過程言簡意賅地概括為“1+1=1”，并將其明確為突破、掌握載人航天器交會對接技術的標志之一。

怎樣在太空搭積木？

我國“天宮”空間站的三艙T字基本構型，大家應該很熟悉了。把它轉化為公式，天宮空間站的系統設計為：

1（天和）+1（問天）+1（夢天）=1（天宮）。

等式右側的“1”是一個完整系統，具備完整的功能、性能及系統冗余配置，所有的系統設計被分配至左側的三個“1”實現，而這三個“1”又分別是獨立的飛行器。這四個“1”，是同步設計出來的。

左側的三個“1”中，核心艙為組合體的管理中心。但與“和平號”及國際空間站不同的是，“天宮”并非直接以核心艙為基礎擴展若干艙段，而是在核心艙上組裝兩個實驗艙后，構成一個更加完整和可靠的T字形“核心組合體”。在官方發布的空間站任務規劃中，此三艙的組裝任務被稱為“空間站建造階段”，正是說明了三艙作為空間站基本部分為后續擴展艙段奠定基礎的地位。

“和平號”空間站和國際空間站，都是以核心艙的單艙為基礎進行拓展。其中，作為第一個以搭積木方式組建的多艙段空間站，“和平號”的整體功能隨著艙段的增加而不斷拼接完整;國際空間站則是在航天飛機支持下采用桁架結構，因而具有規模擴展性好的優勢。

而中國空間站在采用新技術多維度實現“1+1=1”的基礎上加強系統集成，獨創性地一體化設計出整站三艙，爾后再開枝散葉地繼續生長。三艙以“1+1+1=1”的方式構建了一個“組合體核心”，或者說強化版核心，作為“最強大腦”對整個空間站進行統一管理，保證各艙段、飛行器動作協調，并且在通過信息和能源網絡并網實現系統重構后，正常情況下能實現資源的統一優化使用，在故障情況下則有了更多的系統冗余。

這樣的總體設計，是對歷史上航天器系統的創新發展，更充分體現了我國空間站建設“在規模適度條件下追求高效率”的目標，具有極高的資源利用效率和較強的系統冗余度。

從“天宮”構型來看，三艙強耦合組成對稱的一體結構，實驗艙橫置端部分別配置了雙自由度大帆板。兩實驗艙對向連接，形成近40米的結構跨度，實際上起到了類似國際空間站桁架結構的作用，較好地解決了帆板相互遮擋的問題，明顯優于“和平號”各艙段的輻射狀連接形式。

從信息系統能力來看，核心艙發射后大家看到的高清天地圖像以及艙內WiFi應用、藍牙耳機等表現，證明了高速信息網絡的性能，說明基于此實現三艙并網融合及系統重構有非常好的技術基礎。這么好的網絡不進行動態并網、能力共享的話，簡直就是暴殄天物。

此外，從“天舟”貨運飛船的任務規劃來看，貨運飛船不僅要配合進行推進劑補給，而且必須在對接期間以自身發動機提供組合體的變軌動力——這又能給核心艙或“核心組合體”加上一個“1”。

俄羅斯的“進步號”與歐洲的AT V這類典型的貨運飛船，同樣能夠在交會對接后配合空間站對全站進行姿態控制和軌道維持。但由于種種技術和非技術障礙，國際空間站還有更多“1+1”不等于“1”的時候。例如，由于推進劑補給統一使用俄羅斯的推進系統，歐洲ATV飛船不得不單獨配置不同于自身推進系統的補加貯箱裝載俄方使用的燃料，才能實現推進劑補給;國際空間站上俄羅斯艙段的熱控系統采用乙二醇作為回路工質，美國艙段則采用水，兩者間的流體回路無法連通。

與之相比，“1+1=1”的思想貫穿于我國空間站設計的方方面面，從技術到管理都絕不會允許出現國際空間站上述系統不兼容的問題。

“1+1=1”，或者說“1+1+1=1”是我國建設空間站的核心理念之一，也是難點所在。比如，三艙并非同步研制且核心艙先于實驗艙一年發射，這樣的安排能夠使空間站的建造更加穩妥，但也帶來了三艙系統設計與集成驗證的難度;作為第一個“1”，核心艙既要能獨立以單艙空間站模式運行，又要作為樞紐將兩個實驗艙多維度融合，要求其功能必須最完整，系統能力最強;兩個實驗艙必須以完好的功能性能構成完整的T形“核心組合體”，無形中又對實驗艙發射、交會對接，以及轉位任務實施的可靠性提高了要求。

系統工程實踐，科學思想先于工程。縱是千難萬險，輕舟正過萬重山巒。