载人航天总设计师：航天器对接面临3大挑战

裸奔的鸡蛋

中国载人航天工程总设计师周建平。

北京航天飞行控制中心。29日，载人航天工程总指挥常万全宣布：天宫一号目标飞行器发射成功。新华社记者王永卓摄
随着天宫一号于29日21时16分发射升空，中国向空间站时代迈出了坚实的一步。这是长征系列运载火箭的第147次飞行，也是中国载人航天工程实施以来的第8次发射。距发射架1.5公里的厂房里，神舟八号与长征二号F火箭已在测试。11月初，神舟八号将在同一发射架上升空，在太空中与天宫一号交会对接——这将使中国成为世界上第三个掌握空间交会对接技术的国家。
与美、俄最初采用两艘飞船开展交会对接试验不同，中国全新研制了天宫一号作为交会对接的目标飞行器。“它的在轨寿命为两年，其间可以与飞船多次交会对接。”中国载人航天工程总设计师周建平说，“这可以减少发射次数，更经济。”
这次天宫一号交会对接技术的特点是什么，面临哪些风险和挑战，中国载人航天未来远景如何？周建平娓娓道来。
挑战
每秒飞行7.7千米对接困难
航天器空间交会对接飞行在工程上实现绝非易事。国外的成熟技术从来不卖给中国，我们只能从零开始。周建平说，这给从未涉足这一领域的中国航天人提出了三大挑战。
第一个挑战是测量。由天链一号卫星、国内外16个陆基测控站以及3艘远望号测量船组成的测控通信网，具备对飞船和天宫一号的准确测定轨和轨道预报能力。当两个航天器相距只有数十公里时，测控网无法对它们的相对位置提供更精确支持，需航天器之间互相配合，逐步接近。虽采用当今世界最先进的微波雷达、激光雷达、图像测量等技术，但地面无法完全模拟太空环境，所以能否有效成功还要通过这次试验来验证。
第二个挑战是控制。首先是控制精度，飞船必须在两个飞行器相接触前，将与目标飞行器的横向偏差控制到若干厘米的范围。其次，送入太空的每一公斤甚至每一克重量，都是精打细算、十分珍贵的。如何消耗最少的推进剂完成交会对接，也是对控制策略和方法的重大考验。
第三个挑战是对接。经过复杂的测量和控制过程后，两个航天器越挨越近。航天器上的捕获机构像钩子一样，实现两个飞行器的捕获。此后，缓冲、拉紧、锁紧这一系列动作必须一气呵成。稍有闪失，每秒7.7千米高速飞行的航天器就可能会酿成重大事故。
优势
对接试验成本比美俄更低
“中国空间交会对接技术的方案，充分体现中国载人航天工程一贯的优势和特色。”周建平说，“美国和俄罗斯当年一次试验只解决一个问题，而我们这次飞行试验除主要任务交会对接外，还可达到3个目标。”相比美、俄每次都需要发射两艘飞船进行一次对接，我国一个目标飞行器与3艘飞船先后对接的“1＋N”模式，减少了2次发射，显著降低了成本。
这种模式还一并解决了其他3个问题：一是缩短空间实验室研制进程，天宫一号各项性能指标瞄准空间实验室研制，空间实验室将主要基于目标飞行器技术基础进行研制生产。二是对空间站关键技术提前进行验证和积累，天宫一号将试验空间站必需的再生式环控生保技术中的关键单项技术，如控制技术等进行一定改进完善后，可直接用于我国未来的空间站上。三是将在目标飞行器上开展多项科学实验。
40多年前，美、前苏联就掌握了交会对接技术；13年前，国际空间站第一个舱段也升入太空。作为后来者，中国的差距尚大。周建平说：“我们唯有三步并作两步，少花钱、多办事、高效率，才能实现跨越与追赶。”
应对
做足应急预案考虑各种意外
“如果我具体知道哪里有风险，知道哪个环节、哪项技术最容易出问题，还同意火箭发射升空，这是绝对不能容许的。”周建平说，我们认识到并承认交会对接任务是载人航天工程实施以来风险最大的一次。“由于我们从没搞过、没有经验，由于系统的复杂性，可能导致我们还有认识不到位的地方，这才是最大的风险。”
针对这样的风险，科技人员采取了诸多手段提高系统可靠性。“首先，在设计上采取备份手段，东方不亮西方亮；采取余裕度设计手段，有个比较大的包容量，能够包住可能出现的偏差。”“其次，我们反复研究飞行程序和策略，一旦出现想到的和想不到的各种意外情况，也要有手段来应对，继续执行后续飞行任务，或进入安全模式和保护状态。”“第三，充分发挥工程全系统的能力，例如当发生火箭入轨偏差较大的问题时，用天宫一号的动力来弥补；当一个系统遇到突发情况，用其他系统的能力来帮忙。”
历史上的航天事故，绝大多数都发生在事先没有想到的那一点。周建平说：“我们的指导思想就是在全力以赴保证设计正确，保证地面试验验证真实、充分，保证产品生产质量的基础上，充分考虑想到及没想到的各种意外，做足应急预案。”
前瞻
国家批准立项建设空间站
从神舟一号到神舟七号，从天宫一号到神舟八号、九号、十号，周建平说：“这一切，都在为建设中国自己的空间站做准备。”作为中国载人航天工程的总设计师，他个人最大的愿望是：“建造一个让全世界华人自豪和骄傲的中国空间站，造福人类。”
周建平说：“国家已经批准立项建设空间站，我们正在进行方案论证。”交会对接，是建造空间站必须掌握的一项关键技术，迈出这一步，空间站指日可待。
空间站可以提供地球上不具备的科学研究平台，其微重力、高真空等条件对材料学、生物学、医药学具有特殊意义，其高位置的优势对地球科学、外太空探索极有意义，可以获得很多意想不到的收获。“历史上中华民族为人类文明的发展进步做出了很多卓越贡献，今天的中国作为一个负责任的大国，应该为人类探索太空和科学进步做出新的更多贡献。”周建平说，“中国的空间站，不仅是中国的国家级太空实验室，也会敞开大门为世界各国科学家提供平台，为世界科学进步、为人类文明发展做出贡献。”