1+1=1：中國空間站建設(shè)的原點

文/ 王翔

1+1=？這是個數(shù)學(xué)問題，也可能成為哲學(xué)或文學(xué)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(tǒng)的各部分各自獨立，組成系統(tǒng)時又相互聯(lián)系、相互作用，有機地形成一個整體。來自系統(tǒng)科學(xué)的這一思想，在中國空間站的設(shè)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(tǒng)一控制和管理的組合體；其組合過程實際上是控制權(quán)的交接或接管，新艙段將控制權(quán)交與空間站，將艙體與艙內(nèi)資源融入空間站并形成擴展后新的空間站的一部分。

枝葉新發(fā)，仍是樹木一棵；溪流蔓生，成就大河湯湯。

中國空間技術(shù)的重要開創(chuàng)者、“兩彈一星”元勛王希季先生將此復(fù)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(shù)的標志之一。

▲ 中國空間站模擬圖

人類航天器：對接融合的多維度觀察

一覽人類航天史上的多艙段航天器飛行任務(wù)可以發(fā)現(xiàn)，“1+1=1”有著不同層次和程度上的實現(xiàn)，而這個看似簡單的加法并不容易。

1975 年，阿波羅18 號飛船和聯(lián)盟19 號飛船對接成功，在1 天 23 小時的飛行后，二者隨后各自返回地球。在打開艙門的那一刻，蘇聯(lián)航天員阿列克謝·列昂諾夫與美國航天員托馬斯·斯坦福德緊握雙手，這是人類歷史上最偉大的時刻之一。

結(jié)構(gòu)及其運動控制的“1+1”。美國采用雙子座飛船與改裝后的二級火箭進行對接，對接后由飛船進行組合體控制；蘇聯(lián)用兩艘飛船相互對接，對接后由模擬空間站的被動飛船進行組合體控制；1975 年的阿波羅-聯(lián)盟測試計劃（ASTP），美蘇兩個飛行器互換角色進行了兩次對接，分別擔(dān)任主控方。這些任務(wù)中，對接前的目標飛行器與追蹤飛行器獨立進行各自的運動控制，對接后的兩飛行器通過剛性連接裝置在結(jié)構(gòu)上成為一體，形成了具有新的幾何構(gòu)型和質(zhì)量、慣量特性的組合體，隨后由兩飛行器中的一方統(tǒng)一對此組合體進行運動控制。兩個飛行器的結(jié)構(gòu)及其運動控制必須實現(xiàn)“1+1=1”，這是形成組合體最基本的要求，也是早期交會對接飛行試驗首先解決的基礎(chǔ)技術(shù)。

▲ 蘇聯(lián)航天員阿列克謝·列昂諾夫與美國航天員托馬斯·斯坦福德緊握雙手，這是人類歷史上最偉大的時刻之一

▲ 俄羅斯電影《太空救援》

信息系統(tǒng)的“1+1”。人類太空探索活動進入空間站時代后，空間站的計算機對對接上來的新艙段進行統(tǒng)一管理，是為常態(tài)。實現(xiàn)信息系統(tǒng)融合的基礎(chǔ)是通過對接機構(gòu)實現(xiàn)兩飛行器的電路連接，也可以在對接后由航天員手動拉線連接——國際空間站不少出艙活動，都包含了手動連接空間站與艙段電纜的任務(wù)。來自不同航天器的信息怎么融合？從最基礎(chǔ)的相互采集遙測信息、代傳指令，到信息網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)信息系統(tǒng)重構(gòu)。控制系統(tǒng)的重構(gòu)為其中一種典型應(yīng)用：空間站的控制器通過信息網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)連通統(tǒng)一使用各個艙段的敏感器和執(zhí)行機構(gòu)（發(fā)動機），從而實現(xiàn)控制優(yōu)化。

能源系統(tǒng)的“1+1”。俄羅斯電影《太空救援》講了蘇聯(lián)禮炮計劃中最后一個空間站禮炮7 號在軌失控后的救援行動，這段真實歷史就涉及到能源系統(tǒng)的維修和恢復(fù)。兩個飛行器供電網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)有多種模式：（1）單向由空間站向新艙段輸電并完全供其所需。比如，被航天飛機送上天連接至國際空間站后，歐洲和日本艙段完全由站上提供能源。（2）單向補充新艙段的供電短缺。比如，飛船對接至空間站后，因帆板受遮擋等原因?qū)е伦陨戆l(fā)電能力受限，由空間站提供部分能源彌補不足。（3）雙向供電實現(xiàn)能源跨艙段調(diào)配。空間站自身的可發(fā)電艙段通常以此模式工作，以靈活滿足不同負載的使用需求。（4）在空間站出現(xiàn)故障或短時功耗過大情況下，通過飛船向站供電滿足應(yīng)急需求。“禮炮7 號”電源失效后，曾考慮讓航天員從聯(lián)盟T13 飛船拉電源線至空間站進行供電，后因擔(dān)心短路故障影響飛船電源，改為直接維修“禮炮號”設(shè)備。

▲ 美蘇ASTP 計劃的簽約現(xiàn)場

熱控流體回路的“1+1”。能源調(diào)配總是伴隨著設(shè)備發(fā)熱及散熱的調(diào)配。高效率的熱調(diào)配措施是將艙段間的熱控流體回路連通，直接將熱量跨艙傳輸。此方法也可以用于均衡熱控輻射器的散熱能力，或在輻射器局部受損時進行散熱區(qū)域調(diào)配。

載人環(huán)境的“1+1”。中國航天員在飛船對接上核心艙后不久即開艙門進入空間站，這是因為核心艙與飛船采用了相同的壓力體制，大氣總壓和氧分壓設(shè)計狀態(tài)一致，只需進行壓力平衡消除微小壓差即可。這就是密封艙連通后整個飛行器形成統(tǒng)一載人環(huán)境的結(jié)果。而在美蘇ASTP 計劃中，聯(lián)盟飛船采用760 毫米汞柱、20%含氧量的標準大氣狀態(tài)設(shè)計，阿波羅飛船為260 毫米汞柱和100%純氧環(huán)境。為了實現(xiàn)真正的“太空握手”，聯(lián)盟飛船將大氣環(huán)境設(shè)置為520毫米汞柱、40%含氧量，并在對接后進一步將壓力降至500 毫米汞柱，阿波羅飛船則在對接后充入氮氣調(diào)整空氣成分并增壓，這才打開了艙門。

推進系統(tǒng)的“1+1”。媒體報道說，5 月30 日與中國空間站核心艙對接的天舟二號貨運飛船除運送物資外，“還需要實現(xiàn)與核心艙交會對接后的推進劑補給”。這里被稱為“太空加油”的推進劑補加，可以視作一種特殊的、短時間的推進劑貯箱連通融合。

天宮空間站：我們怎樣在天上搭積木？

我國天宮空間站的三艙T 字基本構(gòu)型，大家應(yīng)該很熟悉了。把它轉(zhuǎn)化為公式，天宮空間站的系統(tǒng)設(shè)計為：1（天和）+1（問天）+1（夢天）=1（天宮）。等式右側(cè)的“1”是一個完整系統(tǒng)，具備完整的功能、性能及系統(tǒng)冗余配置，所有的系統(tǒng)設(shè)計被分配至左側(cè)的三個“1”實現(xiàn)，而這三個“1”又分別是獨立的飛行器。這四個“1”，是同步設(shè)計出來的。

左側(cè)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(chǔ)擴展若干艙段，而是在核心艙上組裝兩個實驗艙后構(gòu)成一個更加完整和可靠的T 字形“核心組合體”。在官方發(fā)布的空間站任務(wù)規(guī)劃中，此三艙的組裝任務(wù)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(xù)擴展艙段奠定基礎(chǔ)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(chǔ)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(jié)構(gòu)，因而具有規(guī)模擴展性好的優(yōu)勢。

而中國空間站在采用新技術(shù)多維度實現(xiàn)“1+1=1”的基礎(chǔ)上加強系統(tǒng)集成，獨創(chuàng)性地一體化設(shè)計出整站三艙，爾后再開枝散葉地繼續(xù)生長。三艙以“1+1+1=1”的方式構(gòu)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(tǒng)一管理，保證各艙段、飛行器動作協(xié)調(diào)，并且在通過信息和能源網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)后，正常情況下能實現(xiàn)資源的統(tǒng)一優(yōu)化使用，故障情況下則有了更多的系統(tǒng)冗余。

這樣的總體設(shè)計，是對歷史上航天器系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展，更充分體現(xiàn)了我國空間站建設(shè)“在規(guī)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(tǒng)冗余度。

從“天宮”構(gòu)型來看，三艙強耦合組成對稱的一體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)跨度，實際上起到了類似國際空間站桁架結(jié)構(gòu)的作用，較好地解決了帆板相互遮擋的問題，明顯優(yōu)于“和平號”各艙段的輻射狀連接形式。

從信息系統(tǒng)能力來看，核心艙發(fā)射后大家看到的高清天地圖像以及艙內(nèi)WiFi 應(yīng)用、藍牙耳機等表現(xiàn)，證明了高速信息網(wǎng)絡(luò)的性能，說明基于此實現(xiàn)三艙并網(wǎng)融合及系統(tǒng)重構(gòu)有非常好的技術(shù)基礎(chǔ)。這么好的網(wǎng)絡(luò)不進行動態(tài)并網(wǎng)、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(wù)規(guī)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(fā)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ATV 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(tài)控制和軌道維持。但由于種種技術(shù)和非技術(shù)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(tǒng)一使用俄羅斯的推進系統(tǒng)，歐洲ATV 飛船不得不單獨配置不同于自身推進系統(tǒng)的補加貯箱裝載俄方使用的燃料，才能實現(xiàn)推進劑補給；國際空間站上俄羅斯艙段的熱控系統(tǒng)采用乙二醇作為回路工質(zhì)，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(shè)計的方方面面，從技術(shù)到管理都絕不會允許出現(xiàn)國際空間站上述系統(tǒng)不兼容的問題。

“1+1=1”或者說“1+1+1=1”是我國建設(shè)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(fā)射，這樣的安排能夠使空間站的建造更加穩(wěn)妥，但也帶來了三艙系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)能力最強；兩個實驗艙必須以完好的功能性能構(gòu)成完整的T 形“核心組合體”，無形中又對實驗艙發(fā)射、交會對接，以及轉(zhuǎn)位任務(wù)實施的可靠性提高了要求。

系統(tǒng)工程實踐，科學(xué)思想先于工程。縱是千難萬險，輕舟正過萬重山巒。

▲ 建設(shè)中的中國空間站