從空間實(shí)驗(yàn)室到空間站的總體設(shè)計(jì)思路

楊宏

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

1992年9月21日，中央政治局正式批準(zhǔn)實(shí)施我國載人航天工程，并確定了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。載人航天工程第一步是發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。第二步是突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)和空間飛行器交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的短期有人照料的空間應(yīng)用問題。第三步是建造空間站，解決有較大規(guī)模的長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

通過神舟一號至神舟六號載人飛船任務(wù)，圓滿完成載人航天工程第一步發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，使我國成為世界上第3個(gè)獨(dú)立自主掌握載人航天基本技術(shù)的國家。通過神舟七號至神舟十一號、天宮一號、天宮二號、天舟一號共8次飛行任務(wù)的實(shí)施，突破并掌握了出艙活動(dòng)、空間交會對接、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加和航天員在軌中期駐留等關(guān)鍵技術(shù)，圓滿完成了載人航天工程第二步發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，并預(yù)先驗(yàn)證了空間站部分關(guān)鍵技術(shù)。載人航天工程第三步從2010年空間站任務(wù)立項(xiàng)開始，全面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研制工作。從2021年4月29日至2022年11月29日，通過先后成功發(fā)射空間站3個(gè)艙段、4艘載人飛船和4艘貨運(yùn)飛船共11次飛行任務(wù)，突破并掌握了大型組合體建造和控制、空間大型電源、再生式生命保障、空間機(jī)械臂、航天員長期在軌駐留等空間站關(guān)鍵技術(shù)，完成了空間站T字基本構(gòu)型組合體的在軌建造，開始轉(zhuǎn)入空間站應(yīng)用與發(fā)展階段。

載人航天工程從立項(xiàng)之初就著眼于空間站建設(shè)目標(biāo)，在工程實(shí)施過程中逐步突破和掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，奠定技術(shù)基礎(chǔ)，積累工程經(jīng)驗(yàn)，循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。其中：空間實(shí)驗(yàn)室、空間站均是作為組合體控制與管理、提供航天員在軌駐留和開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的航天器，其任務(wù)、功能及工程研制特點(diǎn)是相似的，在總體設(shè)計(jì)思想上一脈相承。本文結(jié)合空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)至空間站任務(wù)的研制歷程，對從空間實(shí)驗(yàn)室到空間站的總體設(shè)計(jì)思路進(jìn)行闡述。

1 空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)

1.1 確定總體設(shè)計(jì)思路

2004年12月，中央政治局批準(zhǔn)啟動(dòng)我國載人航天第二步任務(wù)，并明確第二步任務(wù)重點(diǎn)放在航天器交會對接和航天員空間活動(dòng)等重大技術(shù)突破上。完整的載人交會對接技術(shù)包括交會、對接、組合體管理與控制等，以形成空間站建造和運(yùn)營所需能力。我國“兩彈一星”功勛王希季院士將天宮空間實(shí)驗(yàn)室與載人飛船對接后形成組合體的復(fù)雜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(biāo)志之一，即：不僅要突破2個(gè)航天器在軌交會對接技術(shù)，還要掌握組合體控制和管理技術(shù)，進(jìn)而掌握空間站所需的組裝建造技術(shù)。

在綜合分析了國外空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)展歷程和成功經(jīng)驗(yàn)，并充分借鑒我國載人航天工程第一步任務(wù)技術(shù)成果基礎(chǔ)上，確立了我國空間實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想為“明確目標(biāo)、充分驗(yàn)證；充分繼承、注重創(chuàng)新；以人為本、安全可靠；規(guī)模適度、兼顧應(yīng)用”[1]。受當(dāng)時(shí)運(yùn)載火箭發(fā)射能力的約束，我國空間實(shí)驗(yàn)室確定為8噸級天宮一號目標(biāo)飛行器，具備自主飛行及試驗(yàn)支持、交會對接及組合體管理、航天員駐留技術(shù)支持三類功能。其中：自主飛行及試驗(yàn)支持功能包括自主供電、測控通信、熱控、環(huán)境控制與生命保障、軌道與姿態(tài)控制，并具有一定的空間防護(hù)能力，以及支持開展部分空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力；交會對接及組合體管理功能包括交會對接、組合體軌道相位調(diào)整、姿態(tài)保持，并在載人飛船和空間實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開展組合體信息、能源、環(huán)境等控制能力設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)“1+1=1”的組合體控制要求；航天員駐留技術(shù)支持功能包括了工作和生活空間支持、醫(yī)學(xué)和工效學(xué)支持、生活保障支持等功能。

為了穩(wěn)步、有效地實(shí)現(xiàn)載人航天第二步任務(wù)目標(biāo)，總體在任務(wù)規(guī)劃上通過天宮一號突破和掌握低軌長壽命、高可靠載人航天器設(shè)計(jì)制造技術(shù)，做到“平臺一步到位”；通過天宮一號先后與神舟八號、九號、十號3艘載人飛船逐步、多次驗(yàn)證了無人交會對接、有人交會對接、手控交會對接，以及電解制氧、動(dòng)態(tài)水氣分離、組合體控制、航天員駐留支持等技術(shù)，并開展了多項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)。因此，通過天宮一號目標(biāo)飛行器的飛行試驗(yàn)，既支持了交會對接任務(wù)，又為空間站部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了先期驗(yàn)證，降低了整個(gè)工程風(fēng)險(xiǎn)，以較小的代價(jià)達(dá)到了一次任務(wù)多方受益的效果，最大程度地發(fā)揮了天宮一號的效益，部分功能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際20噸級空間實(shí)驗(yàn)室的水平。

1.2 突破平臺關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計(jì)天宮一號目標(biāo)飛行器時(shí)就在繼承和借鑒載人飛船設(shè)計(jì)和研制技術(shù)的同時(shí)，考慮和分析了長期在軌飛行載人航天器所需要的平臺技術(shù)，開展了航天器耐低軌空間環(huán)境及長壽命設(shè)計(jì)、交會對接和組合體管理與控制設(shè)計(jì)、航天員駐留支持設(shè)計(jì)、安全模式設(shè)計(jì)等航天器關(guān)鍵技術(shù)。

1.2.1 低軌長壽命設(shè)計(jì)

空間實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)壽命相比載人飛船增至2年，是我國首個(gè)低軌長壽命載人航天器，面臨長期在軌飛行下的復(fù)雜空間環(huán)境和高可靠性要求等多項(xiàng)挑戰(zhàn)，在航天器在軌測量與控制、長期在軌發(fā)電性能、機(jī)電產(chǎn)品長期工作性能、艙體結(jié)構(gòu)保持密封性和穩(wěn)定性、機(jī)構(gòu)產(chǎn)品長期運(yùn)動(dòng)性能，以及熱控、潤滑、密封等材料性能等多個(gè)方面均需要重新認(rèn)識，對航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品配置和產(chǎn)品工藝等方面均提出了嚴(yán)格要求。由此，建立了從分析與識別影響壽命要素入手，根據(jù)任務(wù)剖面開展系統(tǒng)和產(chǎn)品壽命設(shè)計(jì)、規(guī)劃地面壽命驗(yàn)證和在軌壽命評估方法的載人航天器長壽命設(shè)計(jì)與驗(yàn)證體系，并與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合，滿足長壽命、高可靠的任務(wù)要求。

1.2.2 交會對接和組合體管理與控制設(shè)計(jì)

(1)交會對接。交會對接方案分為遠(yuǎn)距離導(dǎo)引和自主控制2個(gè)階段。遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段由地面高精度測量和預(yù)報(bào)2個(gè)航天器軌道，并采用最優(yōu)的軌道控制策略生成控制參數(shù)，由飛船準(zhǔn)確執(zhí)行軌道機(jī)動(dòng)直到處于相對導(dǎo)航敏感器測量范圍內(nèi)。飛船在自主控制段采用光電結(jié)合、遠(yuǎn)近搭配、相互備份的相對測量系統(tǒng)，測量與目標(biāo)飛行器的相對位置、速度、姿態(tài)和姿態(tài)角速度，采用自動(dòng)控制為主、人工控制為輔的綜合控制方案，逼近目標(biāo)飛行器直到對接機(jī)構(gòu)接觸[2]。我國通過天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號、九號、十號載人飛船3次飛行任務(wù)，完成了8次交會、6次對接，突破并掌握了交會對接技術(shù)，形成了完整的交會對接系統(tǒng)、交會軌道、交會測量和控制、信息傳輸、對接與分離，以及試驗(yàn)驗(yàn)證的交會對接自主設(shè)計(jì)與驗(yàn)證體系。

(2)姿態(tài)軌道控制。天宮一號目標(biāo)飛行器采用陀螺、星敏感器、太陽敏感器、紅外地球敏感器等多種手段，配合使用確保長期飛行高精度、高可靠的姿態(tài)測量需求。為了滿足大質(zhì)量、高精度、低消耗的飛行姿態(tài)控制需求，天宮一號研制了控制力矩為200 N·ms的控制力矩陀螺(CMG)并首次在國內(nèi)航天器上使用，采用6個(gè)CMG組合使用模式，保證了較大的控制力矩和較高的姿態(tài)控制精度[3]。同時(shí)，采用了多臺控制器備份、控制器中多數(shù)據(jù)存儲區(qū)表決讀取的冗余措施，提高控制系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，保證了天宮一號目標(biāo)飛行器控制系統(tǒng)的控制性能和高可靠性[4]，為空間站制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)。

(3)信息管理。天宮一號繼承了載人航天工程一期統(tǒng)一S頻段(USB)測控體制、1553B總線體制、復(fù)接器和儀表編碼指令等成熟可靠的技術(shù)，保證了天宮一號的可靠運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，為了滿足長期高可靠飛行，天宮一號采用了中繼衛(wèi)星通信、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)標(biāo)準(zhǔn)和低電壓差分信號(LVDS)總線等新技術(shù)，在天地鏈路上采用天基與地基并用模式；在內(nèi)部信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用了多總線和分層總線體制，加強(qiáng)了指令、遙測、信道容量、總線通信流量、總線終端數(shù)量等方面的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，去掉了傳統(tǒng)工程遙測，形成了信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)。此外，為后續(xù)空間站運(yùn)行需要，天宮一號與載人飛船信息系統(tǒng)開展一體化設(shè)計(jì)，在對接浮動(dòng)斷接器上預(yù)留與來訪航天器總線并網(wǎng)的通路[5]，并開展了信息系統(tǒng)在軌并網(wǎng)驗(yàn)證，為空間站網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)重構(gòu)和天基測控進(jìn)行技術(shù)儲備。

(4)能源管理。在設(shè)計(jì)天宮一號的能源管理系統(tǒng)時(shí)，充分考慮了后續(xù)空間站任務(wù)需求，采用了低軌長壽命電源技術(shù)、100 V高壓和多母線獨(dú)立供電體制、高轉(zhuǎn)換效率的三結(jié)砷化鎵電池片[6]、與來訪航天器能源并網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)。由于載人飛船母線電壓為28 V，因此天宮一號在并網(wǎng)供電時(shí)設(shè)計(jì)有電壓變換、并網(wǎng)開關(guān)控制和隔離措施，采用恒壓輸出、限流控制方式，保證天宮一號100 V母線與載人飛船28 V母線間的穩(wěn)定、可靠連通和功率傳輸[7]，突破和掌握了100 V供電關(guān)鍵技術(shù)和并網(wǎng)技術(shù)。

(5)熱管理。天宮一號首次引入熱管理概念，劃分為艙段級熱管理和組合體熱管理2個(gè)層次。艙段級熱管理主要從艙段系統(tǒng)熱負(fù)荷特點(diǎn)出發(fā)，通過環(huán)境控制、熱控一體化設(shè)計(jì)等措施實(shí)現(xiàn)溫濕度協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制，利用統(tǒng)一的熱量收集、傳遞、利用和排散的手段實(shí)現(xiàn)艙段級熱量的一體化管理；組合體熱管理是在艙段級熱管理基礎(chǔ)上，在艙段間實(shí)現(xiàn)熱量的調(diào)配、轉(zhuǎn)移、利用和排散，通過艙段間熱耦合實(shí)現(xiàn)組合體狀態(tài)熱量的統(tǒng)一管理和優(yōu)化利用[8]。熱管理系統(tǒng)包括主動(dòng)熱控系統(tǒng)和被動(dòng)熱控系統(tǒng)。主動(dòng)熱控系統(tǒng)包括通風(fēng)系統(tǒng)、流體回路系統(tǒng)和主動(dòng)電加熱系統(tǒng)；被動(dòng)熱控系統(tǒng)包括隔熱、保溫、散熱等熱控措施。天宮一號和載人飛船組合體熱管理，通過艙段間通風(fēng)技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)，艙段間通風(fēng)采用艙門通道送風(fēng)/管路回風(fēng)的方式，回風(fēng)管路采用可伸縮的通風(fēng)熱支持軟管實(shí)現(xiàn)。組合體熱管理技術(shù)均應(yīng)用到空間站設(shè)計(jì)中。

(6)載人環(huán)境控制。與載人飛船相比，天宮一號具有在軌運(yùn)行時(shí)間長、多次駐留任務(wù)支持、外來航天器環(huán)境支持、密封艙容大及航天員乘組駐留時(shí)間長的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都對我國載人航天器載人環(huán)境控制技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。基于天宮一號載人環(huán)境控制任務(wù)的新特點(diǎn)，天宮一號進(jìn)行了大氣環(huán)境溫濕度和空氣成分控制設(shè)計(jì)、微量有害氣體凈化、噪聲控制設(shè)計(jì)和輻射控制設(shè)計(jì)[9]。組合體期間，利用艙間通風(fēng)支持形成的流場起到傳質(zhì)作用，由天宮一號對組合體空氣濕度、空氣成分和微量有害氣體進(jìn)行統(tǒng)一控制，提供良好的駐留環(huán)境。另外，在天宮一號上搭載了電解制氧、動(dòng)態(tài)水氣分離裝置，為空間站所需的部分再生式生命保障技術(shù)進(jìn)行預(yù)先驗(yàn)證。

1.2.3 駐留支持設(shè)計(jì)

為了支持航天員更長時(shí)間在軌駐留，天宮一號以航天員舒適性為目標(biāo)，為航天員提供了15 m3的活動(dòng)空間，并對密封艙內(nèi)空間進(jìn)行了功能分區(qū)，設(shè)置工作區(qū)、睡眠區(qū)和儲物區(qū)，保障了航天員在長期在軌工作的同時(shí)有相對獨(dú)立舒適的休息區(qū)域；配置了熱風(fēng)加熱裝置和飲水分配裝置，使得航天員在軌可以吃上熱飯，喝上熱水；提供了鍛煉設(shè)施和娛樂設(shè)施，航天員還可與地面互發(fā)短消息。此外，還在天宮一號上開展了工效設(shè)計(jì)，為航天員在軌工作、生活提供便利，實(shí)現(xiàn)了航天員短期駐留，為中期駐留和長期駐留奠定了基礎(chǔ)。

1.2.4 自主安全模式設(shè)計(jì)

為了確保長期飛行中的人員和設(shè)備安全，在以往分系統(tǒng)自主控制的基礎(chǔ)上，在天宮一號上開展了系統(tǒng)級的自主安全設(shè)計(jì)[10]，從平臺關(guān)鍵功能分析入手，設(shè)計(jì)了能源、通信、控制、熱管理和推進(jìn)自主安全模式及處置策略，確保航天器在軌出現(xiàn)重大故障時(shí)可自主處置以保證航天器和人員在軌安全。

1.3 掌握關(guān)鍵工藝和產(chǎn)品

在突破平臺關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，在天宮一號上也相應(yīng)突破和掌握了一批關(guān)鍵工藝技術(shù)和產(chǎn)品，如大型整體壁板式密封結(jié)構(gòu)、壁板環(huán)焊、小腔檢漏、碳纖維復(fù)核材料加工、冷凝管排防腐涂層等工藝技術(shù)，金屬膜盒貯箱、控制力矩陀螺、光纖陀螺、紅外地球敏感器、并網(wǎng)控制器、浮動(dòng)斷接器等大量新產(chǎn)品，均作為技術(shù)突破有力保障了后續(xù)空間站研制，其中金屬膜盒貯箱產(chǎn)品直接用于空間站。

1.4 奠定空間站技術(shù)基礎(chǔ)

天宮一號飛行任務(wù)的順利完成，實(shí)現(xiàn)了其任務(wù)目標(biāo)，為后續(xù)空間站任務(wù)部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分的預(yù)先驗(yàn)證。天宮一號任務(wù)圓滿成功，在軌壽命超出指標(biāo)1倍多，使得原本作為備份的天宮二號在經(jīng)過改造后承擔(dān)了更大的任務(wù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了空間站部分關(guān)鍵技術(shù)。

天宮二號開展了我國首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)驗(yàn)證，使我國成為世界上第2個(gè)開展推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加應(yīng)用的國家；搭載了由泵組件、管路和工質(zhì)構(gòu)成的可流動(dòng)的液體回路驗(yàn)證系統(tǒng)，開展了在軌維修操作技術(shù)預(yù)先驗(yàn)證；搭載了機(jī)械臂及機(jī)械手、控制器、維修設(shè)備和工具構(gòu)成的機(jī)械臂操作終端試驗(yàn)，首次開展了我國人機(jī)協(xié)同在軌維修試驗(yàn)，對典型人機(jī)協(xié)同維修操作進(jìn)行驗(yàn)證；為了驗(yàn)證空間站柔性太陽翼技術(shù)，搭載3塊柔性太陽電池板試驗(yàn)件，開展高低溫循環(huán)、低軌等離子體高壓防護(hù)和耐原子氧試驗(yàn)；系統(tǒng)開展了宜居性設(shè)計(jì)，開展了視覺環(huán)境與照明、無線通話、廢棄物處理等宜居設(shè)計(jì)，為2人30天在軌駐留提供了舒適的環(huán)境。

空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)階段，按照規(guī)劃的總體設(shè)計(jì)思路，循序漸進(jìn)地突破和掌握了多項(xiàng)載人航天器關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品和工藝，為后續(xù)空間站任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和工藝均沿用至空間站的設(shè)計(jì)和研制中。

2 空間站任務(wù)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

空間站是一個(gè)國家科技水平和制造能力綜合實(shí)力的體現(xiàn)。正在在軌運(yùn)行的以美國為主導(dǎo)、16國參與的“國際空間站”，從1998年發(fā)射第1個(gè)艙段，至2010年完成建造任務(wù)轉(zhuǎn)入全面使用階段，建造時(shí)間共計(jì)12年，累計(jì)花費(fèi)超過1500億美元。由于國外對我國載人航天方面的技術(shù)封鎖，我國只能獨(dú)立建造空間站。

我國空間站任務(wù)包括3個(gè)方面，具體為：①組裝建造我國自己的空間站；②為航天員長期在軌健康生活、有效工作提供保障，并在其他系統(tǒng)配合下保證航天員的安全；③為在軌開展多領(lǐng)域空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)提供保障和支持條件。為此，我國提出了“獨(dú)立自主、創(chuàng)新引領(lǐng)、體系保障、規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”的空間站總體設(shè)計(jì)思路，通過方案深化論證，確立了空間站基本構(gòu)型由三艙組成，三艙功能既各有分工，又可互補(bǔ)，通過各艙資源、功能集成，共同構(gòu)成功能完整、性能強(qiáng)大的70噸級天宮空間站，組合體達(dá)百噸級，使得我國空間站能夠在適度規(guī)模條件下取得更高的研制效益，實(shí)現(xiàn)高效率資源利用和更強(qiáng)的系統(tǒng)冗余。根據(jù)此設(shè)計(jì)思路，在分析借鑒國外空間站設(shè)計(jì)理念和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮我國新型舉國體制優(yōu)勢，突出強(qiáng)調(diào)空間站三艙的系統(tǒng)統(tǒng)一，按照“一體化設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌研制、逐步發(fā)展、全面風(fēng)控”的研制途徑開展。

2.2 系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

天宮空間站基本構(gòu)型由天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙及夢天實(shí)驗(yàn)艙三艙組成，總質(zhì)量68.5 t，是我國目前建造的最大規(guī)模的航天器，如圖1所示。

圖1 天宮空間站示意Fig.1 Diagram of Tiangong space station

為了避免“國際空間站”由于研制技術(shù)體制不統(tǒng)一導(dǎo)致其整體優(yōu)化程度不高，許多系統(tǒng)間、艙段間存在不兼容問題，在天宮空間站設(shè)計(jì)之初就高度重視系統(tǒng)層面的一體化設(shè)計(jì)[11]，以“1=1+N”(等式左邊的1代表空間站組合體，右邊的1代表主控的核心艙，N代表后續(xù)航天器，等式表明核心艙單艙飛行可以發(fā)揮空間站的作用，與載人飛船、貨運(yùn)飛船、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙等航天器對接形成多航天器組合體后，仍是1個(gè)系統(tǒng)功能統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的整體)的方式設(shè)計(jì)和構(gòu)建，從系統(tǒng)任務(wù)功能分析和設(shè)計(jì)入手，再將系統(tǒng)功能分解到三艙，三艙功能既各有特點(diǎn)，又協(xié)調(diào)匹配，每個(gè)艙功能相互間部分備份，使得單艙功能和設(shè)備適度冗余，同時(shí)組合體在信息、測控、能源、控制、載人環(huán)境、出艙、應(yīng)用支持等功能上有足夠冗余，以此提高組合體的可靠度。其中：天和核心艙負(fù)責(zé)空間站功能的統(tǒng)一管理和控制；問天實(shí)驗(yàn)艙對能源管理、信息管理、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境等關(guān)鍵功能進(jìn)行冗余備份，并開展艙內(nèi)外空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)；夢天實(shí)驗(yàn)艙主要開展艙內(nèi)外空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)。

為了更好地保證系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，天宮空間站三艙統(tǒng)一設(shè)立15個(gè)分系統(tǒng)，保證分系統(tǒng)三艙功能設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)匹配。天宮空間站系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 天宮空間站研制技術(shù)架構(gòu)示意Fig.2 Technical architecture of Tiangong space station

在天宮空間站的對外系統(tǒng)接口上也統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，對于三艙通用接口，由空間站系統(tǒng)統(tǒng)一簽署、三艙遵照執(zhí)行。為了在軌可以更好地接納來訪航天器，天宮空間站在供電體制和信息體制上兼顧神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船，使得載人飛船、貨運(yùn)飛船與空間站對接后也能構(gòu)成有機(jī)整體，空間站既可對載人飛船、貨運(yùn)飛船進(jìn)行并網(wǎng)供電，也可接受天舟貨運(yùn)飛船的反向供電支持；空間站還可控制貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合體軌道和姿態(tài)控制，并可通過貨運(yùn)飛船的中繼天線下行數(shù)據(jù)和上行指令。

在天宮空間站上創(chuàng)新性地開展了可靠性、長壽命與維修性的一體化設(shè)計(jì)，以長壽命設(shè)計(jì)和固有可靠性設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，維修性設(shè)計(jì)為保障，進(jìn)行空間站單艙和組合體可靠性設(shè)計(jì)。

根據(jù)天宮空間站飛行任務(wù)和在軌工況，在空間站軟件方面還開展了自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并形成對分系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求，分系統(tǒng)據(jù)此開展各自軟件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。三艙的試驗(yàn)驗(yàn)證也從系統(tǒng)層面統(tǒng)籌規(guī)劃，在單艙功能驗(yàn)證充分的基礎(chǔ)上，規(guī)劃組合體層面的試驗(yàn)驗(yàn)證，確保組合體功能正常、匹配。

天宮空間站在規(guī)模上不如“國際空間站”，但實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、三艙功能合理分配，使得空間站三艙組合體在功能上可與“國際空間站”媲美。天宮空間站載荷質(zhì)量占比超過30%，高于“國際空間站”的7.9%；載荷供電功率占比為44.4%，與“國際空間站”相當(dāng)，加上對載人飛船、貨運(yùn)飛船和光學(xué)艙供電并網(wǎng)功率輸出，空間站平臺對外提供功率占比為63%，而平臺自身用電僅占37%；功率質(zhì)量比為0.41 kW/t，優(yōu)于“國際空間站”的0.26 kW/t；下行數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1.2 Gbit/s,遠(yuǎn)大于“國際空間站”的100 Mbit/s[12]。

2.3 系統(tǒng)統(tǒng)籌研制

天宮空間站參研方涉及全國軍工、地方、高校和科研院所等超過3000家單位，其中既有航天系統(tǒng)內(nèi)單位，也向系統(tǒng)外單位開放，有長期承研載人航天任務(wù)的單位，也有新承擔(dān)空間站階段研制任務(wù)的單位。因此，各單位在研制體系、生產(chǎn)規(guī)范和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面均有較大不同。

為避免參研單位多、研制體系和技術(shù)水平不統(tǒng)一的問題，確保天宮空間站產(chǎn)品可靠，在空間站研制初期，根據(jù)以往研制經(jīng)驗(yàn)和空間站任務(wù)特點(diǎn)，制定了空間站系統(tǒng)16份設(shè)計(jì)與建造規(guī)范，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元器件和原材料選用、生產(chǎn)、試驗(yàn)、軟件等各環(huán)節(jié)，構(gòu)建起空間站研制標(biāo)準(zhǔn)化體系，實(shí)行“整體覆蓋、適度超前、逐級傳遞、監(jiān)督執(zhí)行”標(biāo)準(zhǔn)化管理，三艙統(tǒng)一采用相同的研制規(guī)范，保證各單位研制體系統(tǒng)一。

在分系統(tǒng)三艙統(tǒng)一設(shè)立的基礎(chǔ)上，空間站三艙產(chǎn)品采用通用化設(shè)計(jì)，通用化率達(dá)到近80%。通用化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于：①三艙通用化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、設(shè)計(jì)統(tǒng)一、驗(yàn)證統(tǒng)一、質(zhì)量統(tǒng)一、狀態(tài)更改影響分析統(tǒng)一；②產(chǎn)品可互換，提高功能、單機(jī)備份能力；③產(chǎn)品維修備件通用，減少備件數(shù)量。另外，在空間站上統(tǒng)籌開展綜合電子設(shè)計(jì)，分區(qū)集中采集傳感器測量參數(shù)、傳感器和閥門供電等；還開展通用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，統(tǒng)一分系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)和綜合業(yè)務(wù)單元信息接口類型，便于復(fù)雜航天器信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的統(tǒng)一。

在空間站系統(tǒng)建立了覆蓋系統(tǒng)級、航天器級、分系統(tǒng)級和單機(jī)級的產(chǎn)品保證組織體系，建立專職產(chǎn)品保證隊(duì)伍，包括產(chǎn)品保證管理、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理、技術(shù)狀態(tài)管理、產(chǎn)品驗(yàn)收管理、可靠性安全性維修性保證、元器件保證、材料和工藝保證、軟件產(chǎn)品保證、地面支持設(shè)備保證9個(gè)方面，覆蓋研制全周期，組織機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 天宮空間站產(chǎn)品保證組織機(jī)構(gòu)體系Fig.3 System of Tiangong space station product assurance organization

2.4 逐步遞進(jìn)發(fā)展

我國是在經(jīng)過空間實(shí)驗(yàn)室階段任務(wù)、突破交會對接等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)充分地面試驗(yàn)驗(yàn)證，引入新技術(shù)進(jìn)行天宮空間站的建造，走出了一條穩(wěn)健的跨越式發(fā)展道路。新技術(shù)比重大是天宮空間站的顯著特征，空間機(jī)械臂技術(shù)、物化式再生生保技術(shù)、大面積柔性太陽翼技術(shù)等均為我國首次在軌開展應(yīng)用的全新技術(shù)，應(yīng)用難度大、研制風(fēng)險(xiǎn)高。針對此問題，空間站系統(tǒng)開展了方案深化論證，做到關(guān)鍵技術(shù)突破見底、系統(tǒng)方案扎實(shí)落地。

在工程發(fā)展方面，天宮空間站階段分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、組裝建造、應(yīng)用與擴(kuò)展3個(gè)任務(wù)階段。利用核心艙、載人飛船和貨運(yùn)飛船，對空間站建造及后續(xù)階段所需技術(shù)進(jìn)行在軌飛行驗(yàn)證。驗(yàn)證并評估技術(shù)性能滿足要求后，再進(jìn)行空間站三艙的組裝建造，繼而開展在軌應(yīng)用。整個(gè)過程逐步開展、穩(wěn)步推進(jìn)。

在天宮空間站系統(tǒng)內(nèi)部，也是按照逐步開展、穩(wěn)步推進(jìn)的策略開展研制，并逐級提高技術(shù)成熟度。例如，在關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，依托核心艙機(jī)械臂、核心艙太陽翼經(jīng)在軌測試驗(yàn)證后突破的空間機(jī)械臂技術(shù)、大面積柔性太陽翼技術(shù)，為問天實(shí)驗(yàn)艙所攜帶的實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂、實(shí)驗(yàn)艙太陽翼、對日定向裝置等產(chǎn)品的研制提供了充足的在軌數(shù)據(jù)支持，為后續(xù)在軌操作提供了詳實(shí)的測試方案、協(xié)同程序和飛控策略。在此基礎(chǔ)上，問天實(shí)驗(yàn)艙再進(jìn)一步執(zhí)行其專用任務(wù)，例如實(shí)驗(yàn)艙太陽翼二次展開及雙自由度轉(zhuǎn)動(dòng)、實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂精細(xì)化艙外操作。因此，隨著任務(wù)不斷推進(jìn)，空間站關(guān)鍵技術(shù)不斷突破和掌握，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)和完善，系統(tǒng)健壯性不斷增強(qiáng)，可靠度逐漸提升，可滿足長期飛行要求。

在天宮空間站研制中創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了在軌服務(wù)模式，在空間站建成并運(yùn)行穩(wěn)定后，充分利用其長期有人駐留、配置機(jī)械臂的優(yōu)勢，為來訪航天器提供在軌維修維護(hù)服務(wù)，并能將天舟貨運(yùn)飛船攜帶的推進(jìn)劑過路補(bǔ)加至來訪航天器。巡天空間望遠(yuǎn)鏡將作為第1個(gè)接受天宮空間站在軌服務(wù)的航天器，在天宮空間站建造完成后發(fā)射入軌，相較美國哈勃空間望遠(yuǎn)鏡每次維修都需要發(fā)射航天飛機(jī)的情況，這種共軌飛行服務(wù)模式在經(jīng)濟(jì)性方面有著巨大優(yōu)勢[12-13]。

2.5 全面風(fēng)險(xiǎn)控制

為了確保天宮空間站全壽命周期在軌飛行安全可靠，研制團(tuán)隊(duì)從靜態(tài)功能分析和動(dòng)態(tài)任務(wù)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，構(gòu)建了多維度的全面風(fēng)險(xiǎn)管理體系。在靜態(tài)功能方面，采用故障模式影響分析(FMEA)和故障樹分析(FTA)，分別從底向上和從頂向下對系統(tǒng)功能故障模式進(jìn)行分析，將重大故障模式作為系統(tǒng)級風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，加強(qiáng)可靠度設(shè)計(jì)，對故障所涉及的關(guān)鍵產(chǎn)品進(jìn)行過程控制，嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。在動(dòng)態(tài)任務(wù)事件方面，以飛行事件為線索，識別影響任務(wù)成功的故障模式和風(fēng)險(xiǎn)，通過指令、測控站、硬件備份設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)事件可靠執(zhí)行。尤其對涉及分系統(tǒng)間、功能間的故障開展關(guān)聯(lián)性故障樹分析(CFTA)，設(shè)計(jì)了能源、信息、熱管理和推進(jìn)等關(guān)鍵功能的自主安全模式，確保一次故障下問天實(shí)驗(yàn)艙仍可正常工作，二次故障下可保證問天實(shí)驗(yàn)艙和航天員的安全。

為了避免天宮空間站關(guān)鍵核心元器件被國外封鎖禁運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，在空間站方案論證期間就提前開展了核心元器件國產(chǎn)化攻關(guān)，突破了550萬門現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、100 V直流/直流(DC/DC)電源轉(zhuǎn)換模塊等8類核心元器件的國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了空間站元器件100%的自主可控，有效規(guī)避了受國外“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)。

在天宮空間站研制中還創(chuàng)建了在軌空間站、地面模擬空間站和數(shù)字空間站三站協(xié)同運(yùn)營的模式。以基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)數(shù)字孿生技術(shù)建立的數(shù)字空間站，在飛行任務(wù)期間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)伴飛，預(yù)測空間站健康趨勢，保證安全可靠飛行。

3 結(jié)束語

我國載人航天工程統(tǒng)籌規(guī)劃，歷經(jīng)30年穩(wěn)步發(fā)展，順利完成了第一步和第二步任務(wù)，以及第三步的空間站建造。從空間實(shí)驗(yàn)室階段完成交會對接和組合體管理技術(shù)驗(yàn)證，到空間站設(shè)計(jì)與實(shí)施建造，在總體設(shè)計(jì)思路上既有傳承，也有創(chuàng)新，關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品和工藝逐步突破和掌握，最終實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，走出了一條具有中國特色的載人航天發(fā)展道路。

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