“天神”續(xù)寫太空交會對接傳奇

□陳福民

“天神”續(xù)寫太空交會對接傳奇

□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?！?/p>

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

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

讓我們先回眸“神八”與“天宮一號”的交會對接吧。

“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)度員的一個個口令，“神八”向著在太空中以倒飛姿態(tài)飛行的“天宮一號”目標飛行器不斷靠近。

飛船入軌時，兩個飛行器相距近1萬千米。迢迢星河，如何飛渡？

國內(nèi)7個測控站、3個飛控中心、3艘遠洋測量船、國外5個測控站、3個國際聯(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”的約會之旅全程保駕護航。

飛船進入第24圈，在天鏈一號01星覆蓋區(qū)，“神八”軌道進行組合修正，距離在一點一點縮短，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，開始自主導航。這意味著，要靠“神舟八號”自己的“慧眼”導引到達“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米處進行4次“剎車”，等到測控通信系統(tǒng)對兩個飛行器狀態(tài)進行監(jiān)視檢查、確認不會“撞車”之后，才能繼續(xù)向“天宮一號”慢慢靠近。

瞄準世界先進水平，我國對接機構(gòu)采用了導向板內(nèi)翻式的異體同構(gòu)周邊式構(gòu)型，對接機構(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通道運送。這是我國目前最復雜的空間機構(gòu)，由上萬個零部件組成，是我國歷時十幾年完全自主研發(fā)的。從對接機構(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、拉近和鎖緊四個過程，最終實現(xiàn)兩個航天器之間的剛性連接，形成組合體。至此，第一次交會對接任務(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?？繝顟B(tài)。組合體在軌飛行12天左右，并擇機進行第二次交會對接試驗。

兩個飛行器質(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飛行器單獨飛行難。飛船在對接完成后轉(zhuǎn)入?？繝顟B(tài)以延長壽命，這時飛船的能源、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行的重要技術(shù)。雖然這次試驗因無人參與，對大氣環(huán)境不進行驗證，但兩個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，對接機構(gòu)解鎖，兩個飛行器分離，“神八”飛船撤離至相距“天宮一號”目標飛行器140米處停泊，按程序進行第二次交會對接，再次構(gòu)成組合體。

這一階段的目的是再次驗證交會對接技術(shù)及對接機構(gòu)等部件工作的可靠性與穩(wěn)定性。兩個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險。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此項技術(shù)的可靠性，也是為未來的“神九”、“神十”載人試驗打基礎(chǔ)，這一做法有其合理性、經(jīng)濟性，但同時也存在風險。

“手控”對接又增一道“安全閥”

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

實現(xiàn)兩個具備了航天器的對接難度顯然是非常大的。這就相當于要用一根線去穿幾百千米之外的一個針眼。因為太空中的空間實驗室和航天飛機都是高速運行的，時速達到2.8萬千米以上（每秒差不多將近8千米）。在對接過程中，如果計算不準，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，需要兩個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，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、拉緊鎖定等幾個步驟。按照目前的“導向板內(nèi)翻式的異體同構(gòu)系統(tǒng)”，當兩個目標飛行器接觸后，面對面地開始貼近，我們稱之為捕獲，其標志是將對方用捕獲鎖卡住。然后，再經(jīng)過一系列校直、緩沖、對準后，兩者才能拉緊。最后，用12把對接鎖鎖住，兩個目標飛行器最終合為一體。這時，我們才可說對接完成。

說起航天器的空間交會對接，人們很容易便聯(lián)想起在20世紀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，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”上的宇航員準備搭救。不料，兩艘飛船對接機構(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側(cè)面反映了空間交會對接對載人航天事業(yè)的重要意義。然而，人類要在太空進行對接的重要性遠不止此。

早在20世紀60年代，前蘇聯(lián)航天專家就意識到這個問題的緊迫性了。那時候“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？因為：首先，火箭無法負載太多的燃料，會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，無法進行一些大型的科學實驗。

如果航天員需要在太空做一些長期、功能復雜的科學試驗，就需要一個長期有人照料、空間足夠?qū)挸ǖ暮教炱?。而這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火箭進行了改進。再說，空間站需要經(jīng)常運輸貨物和替換航天員，就需要貨運飛船和載人飛船。因此，空間站的建立，需要在太空完成多個艙體的組合，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”已成功完成自動對接后，還要實施“神九”的手控交會對接呢？

原來，這是必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。因為在正常情況下一般都是自動交會對接，可一旦軟件等出現(xiàn)問題，就需由航天員手動操作。手控交會對接操作對航天員的身心都是極大的考驗，對眼手協(xié)調(diào)性、操作精細性、心理素質(zhì)等要求非常高，很考驗航天員的耐力。在此過程中，航天員要看著電視圖像，根據(jù)實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如距離、高度、軸線差別、相對速度進行操作等，讓兩個航天器一點點逼近，根據(jù)仔細計算決定速度變化方案，完成交會對接。

另外，用自動控制來完成空間交會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，且花費巨大。而用手動控制來完成空間交會對接成功率高，但缺點是工作時間長，勞動強度很大，此外還受空間環(huán)境條件（如光照）的嚴格限制。

因此，只有再突破和掌握有人參與的手控交會對接技術(shù)，才能說全面掌握了空間交會對接技術(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”目標飛行器開展手控交會對接，航天員將進入“天宮一號”工作、生活，開展相關(guān)空間科學實驗，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施手控交會對接，全面驗證交會對接技術(shù)。為此，航天員需在地面做大量模擬試驗，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行交會對接任務(wù)訓練。她們在飛行團隊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交會對接任務(wù)的實施，目前仍是一個懸念。

目前，“天宮一號”目標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”實驗艙里的空間要寬敞一些，有15立方米，采用了多項人性化設(shè)計，為航天員提供了舒適的環(huán)境。

“天宮一號”上搭載有多項科學儀器。其中一臺是多向粒子輻射探測器，可測量多個方向高能帶電粒子，對航天器的安全防護、航天員出艙活動安全具有重要意義。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，實現(xiàn)可循環(huán)使用等。

更有意思的是，“天宮一號”實行男女分用馬桶。在“神五”發(fā)射時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”飛船將由改進型長征二號F遙九火箭發(fā)射。發(fā)射“神舟八號”飛船時，長征二號F遙八運載火箭是在長征二號F火箭的基礎(chǔ)上進行了150多項的技術(shù)改進而成，提高了火箭的運載能力、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，此次改進型長征二號F遙九火箭在安全可靠性上再上一個臺階。研制人員針對該型號火箭精心設(shè)計了一系列質(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，實現(xiàn)精確入軌；多媒體記錄覆蓋火箭生產(chǎn)全過程，共計照相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：將原來只有在發(fā)射場才能進行的系統(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)計者的話形容，航天員按坐“奧拓”的標準訓練，但要坐“奧迪”上天。