“天神”续写太空交会对接传奇

□陈福民

“天神”续写太空交会对接传奇

□陈福民

“天宫一号”和“神舟八号”的“太空拥吻”已载入人类探索太空的历史，也为中国载人航天事业迈向更广阔的舞台搭设了一阶新的“天梯”……

“造物无言却有情，每于寒尽觉春生。千红万紫安排著，只待新雷第一声。”

进入初春，中国航天界传来人们久雨问“晴”般的喜讯：执行这次载人交会对接任务的“神舟九号”飞船于今年4月9日运抵酒泉卫星发射中心，发射场、着陆场、测控通信等系统各项准备工作进展顺利。根据任务计划，“神九”将搭载3名航天员于本月至8月择机发射，与“天宫一号”进行“手控”交会对接。

有了“神八”与“天宫”的自动对接成功，为什么还要进行有人对接呢？太空交会对接有什么危险？“神九”与“天宫一号”的空间交会对接会有哪些突破？

让我们先回眸“神八”与“天宫一号”的交会对接吧。

“神八”与“天宫一号”如何飞渡对接

“神舟八号”飞船于2011年11月1日5时58分发射升空后，“抛整流罩”、“船箭分离”、“太阳帆板展开”……随着飞控大厅内指挥调度员的一个个口令，“神八”向着在太空中以倒飞姿态飞行的“天宫一号”目标飞行器不断靠近。

飞船入轨时，两个飞行器相距近1万千米。迢迢星河，如何飞渡？

国内7个测控站、3个飞控中心、3艘远洋测量船、国外5个测控站、3个国际联网合作站，再加上太空中的两颗中继卫星，组成了陆海天基“三位一体”的载人航天测控网，为”神八”和”天宫一号”的约会之旅全程保驾护航。

飞船进入第24圈，在天链一号01星覆盖区，“神八”轨道进行组合修正，距离在一点一点缩短，在“天宫一号”后下方约52千米处，“神八”稳稳地捕获了自己的目标，开始自主导航。这意味着，要靠“神舟八号”自己的“慧眼”导引到达“天宫一号”后下方5千米处，才能完成搜寻的任务。然后，它将在5千米、400米、140米和30米处进行4次“刹车”，等到测控通信系统对两个飞行器状态进行监视检查、确认不会“撞车”之后，才能继续向“天宫一号”慢慢靠近。

瞄准世界先进水平，我国对接机构采用了导向板内翻式的异体同构周边式构型，对接机构所有的仪器设备都安装在周边，中间留了直径800毫米的入孔通道，宇航员和货物就是从这个通道运送。这是我国目前最复杂的空间机构，由上万个零部件组成，是我国历时十几年完全自主研发的。从对接机构接触开始，“神八”与“天宫一号”要在15分钟内完成捕获、缓冲、拉近和锁紧四个过程，最终实现两个航天器之间的刚性连接，形成组合体。至此，第一次交会对接任务结束，而这15分钟内的大部分事件，是在中国上空完成的。

第一次对接完成后，”天宫一号”与“神八”以组合体飞行模式飞行。在此期间，对组合体的控制通过“天宫一号”完成，“神八”处于停靠状态。组合体在轨飞行12天左右，并择机进行第二次交会对接试验。

两个飞行器质量不同，飞行中控制模式不同，所以它们的组合飞行肯定比一个飞行器单独飞行难。飞船在对接完成后转入停靠状态以延长寿命，这时飞船的能源、大气环境等由“天宫一号”提供支撑。组合体内部环境的统一控制是未来载人空间站运行的重要技术。虽然这次试验因无人参与，对大气环境不进行验证，但两个飞行器之间的通道是否畅通仍至关重要。

组合体飞行12天后，对接机构解锁，两个飞行器分离，“神八”飞船撤离至相距“天宫一号”目标飞行器140米处停泊，按程序进行第二次交会对接，再次构成组合体。

这一阶段的目的是再次验证交会对接技术及对接机构等部件工作的可靠性与稳定性。两个飞行器能不能正常分离，与能不能对接一样重要，一旦无法分离，未来载人航天器上的航天员就可能面临巨大的风险。因此我们设置了三种安全措施保证分离。二次对接的意义则在于确认此项技术的可靠性，也是为未来的“神九”、“神十”载人试验打基础，这一做法有其合理性、经济性，但同时也存在风险。

“手控”对接又增一道“安全阀”

交会和对接是两个完全不一样的动作。所谓的交会，是指两个独立的目标飞行器从各自不同的轨道中，飞到同一个轨道面上，然后两者不断接近。在俄罗斯设计的技术体系中，二者相对速度必须在1米/秒以下，才算达到了对接的初始要求。而按我国“神八”和“天宫一号”的标准，两者的相对速度必须在0.35米/秒以下才行。只有这个条件，接下来才能开始对接。

实现两个具备了航天器的对接难度显然是非常大的。这就相当于要用一根线去穿几百千米之外的一个针眼。因为太空中的空间实验室和航天飞机都是高速运行的，时速达到2.8万千米以上（每秒差不多将近8千米）。在对接过程中，如果计算不准，就可能发生飞船相撞事故。这就像是地面的两辆急速飞驰的跑车，要让它们的距离必须一直保持在1米左右。在对接时，需要两个航天器的轴线在同一条直线上，并且相对速度要接近0。

而对接，大家总把它比作“太空之吻”。其实，这样的比喻还不太妥切。比如，双方仅仅是碰一下，那根本不算对接成功。所谓的对接，分为初步接触、捕获、校直缓冲、拉紧锁定等几个步骤。按照目前的“导向板内翻式的异体同构系统”，当两个目标飞行器接触后，面对面地开始贴近，我们称之为捕获，其标志是将对方用捕获锁卡住。然后，再经过一系列校直、缓冲、对准后，两者才能拉紧。最后，用12把对接锁锁住，两个目标飞行器最终合为一体。这时，我们才可说对接完成。

说起航天器的空间交会对接，人们很容易便联想起在20世纪60年代的一部名为《太空俘虏》的科幻电影。影片描述的是，一艘在太空飞行的美国“阿波罗号”飞船突然出了故障，飞船内的宇航员危在旦夕。这时，前苏联的“联盟号”飞船正好飞过，出于人道主义精神，“联盟号”上的宇航员准备搭救。不料，两艘飞船对接机构不“兼容”，前苏联的宇航员只能干瞪眼。最后，美国宇航员成了“太空俘虏”，再也没回来……

这部科幻电影从另一个侧面反映了空间交会对接对载人航天事业的重要意义。然而，人类要在太空进行对接的重要性远不止此。

早在20世纪60年代，前苏联航天专家就意识到这个问题的紧迫性了。那时候“联盟号”飞船已经研制成功，但它只能在太空逗留7天。这是为什么呢？因为：首先，火箭无法负载太多的燃料，会造成自身携带燃料的不足；其次，航天员日常生活的氧气、食物等消耗很大，再加上他们的排泄物处理也是大问题；再就是飞船内部空间有限，无法进行一些大型的科学实验。

如果航天员需要在太空做一些长期、功能复杂的科学试验，就需要一个长期有人照料、空间足够宽敞的航天器。而这样大型的航天器仅仅靠一次发射是不可能完成的。如俄罗斯的“和平号”空间站总重100吨，国际空间站总重更是超过了400吨。而我国的”天宫一号”不过才8.5吨，为了确保它的顺利升空，我国还特地对长征二号F火箭进行了改进。再说，空间站需要经常运输货物和替换航天员，就需要货运飞船和载人飞船。因此，空间站的建立，需要在太空完成多个舱体的组合，需要飞船在空间站的停靠。这样，太空航天器的交会对接，便成了趋势。

那么，为何在“神八”与“天宫一号”已成功完成自动对接后，还要实施“神九”的手控交会对接呢？

原来，这是必须掌握的关键技术。因为在正常情况下一般都是自动交会对接，可一旦软件等出现问题，就需由航天员手动操作。手控交会对接操作对航天员的身心都是极大的考验，对眼手协调性、操作精细性、心理素质等要求非常高，很考验航天员的耐力。在此过程中，航天员要看着电视图像，根据实时传输的数据，如距离、高度、轴线差别、相对速度进行操作等，让两个航天器一点点逼近，根据仔细计算决定速度变化方案，完成交会对接。

另外，用自动控制来完成空间交会对接虽然不需要考虑航天员的安全和救生问题，但需要分布很广的地面站或中继卫星，且花费巨大。而用手动控制来完成空间交会对接成功率高，但缺点是工作时间长，劳动强度很大，此外还受空间环境条件（如光照）的严格限制。

因此，只有再突破和掌握有人参与的手控交会对接技术，才能说全面掌握了空间交会对接技术。

>>女宇航员将在女飞行员中遴选，图为我国英姿飒爽的女飞行员。

“天神”再续太空情缘

中国载人航天工程发言人宣布，这次发射“神舟九号”飞船的任务是：由3名航天员组成飞行乘组的“神九”飞船与“天宫一号”目标飞行器开展手控交会对接，航天员将进入“天宫一号”工作、生活，开展相关空间科学实验，在完成预定任务后返回地面。

这次“神九”发射与“神八”没有太大区别，最大的不同就在于将实施手控交会对接，全面验证交会对接技术。为此，航天员需在地面做大量模拟试验，务必做到对各种预案了然于心，熟练掌握。

令人惊喜的是，我国首次选拔的女航天员正在进行交会对接任务训练。她们在飞行团队中可起到男性无法发挥的作用。但此次“神九”发射，女航天员是否飞天并参与手动交会对接任务的实施，目前仍是一个悬念。

目前，“天宫一号”目标飞行器在轨工作正常，具备航天员驻留条件。与神舟飞船相比，“天宫一号”实验舱里的空间要宽敞一些，有15立方米，采用了多项人性化设计，为航天员提供了舒适的环境。

“天宫一号”上搭载有多项科学仪器。其中一台是多向粒子辐射探测器，可测量多个方向高能带电粒子，对航天器的安全防护、航天员出舱活动安全具有重要意义。还有一台轨道大气综合探测器，用来测量轨道大气的密度和成分。

以后空间站建成，不能只依靠飞船运送物资，必须研发再生系统。所以“天宫一号”要建立再生式生命保障系统。例如，需要再生净化空间站航天员的汗水、废水甚至小便，实现可循环使用等。

更有意思的是，“天宫一号”实行男女分用马桶。在“神五”发射时并没有配备粪便收集器。此后，“神六”研制出了大小便收集系统。在航天生活中，要是航天员在坐便器上一使劲，会出现“喷气式”现象，即失重向前倾。这是地面上生活所想不到的。据悉，“天宫一号”采用的是抽气式马桶，大小便是分开收集的，考虑到女航天员上天的需求，大便收集器的高度、相对位置有了局部修改，设有女性专用设备。

“天宫一号”有能力支持一名航天员工作生活60天。也就是说，如果3个人都在里面，最多可待20天。

“工欲善其事，必先利其器。”据透露，“神舟九号”飞船将由改进型长征二号F遥九火箭发射。发射“神舟八号”飞船时，长征二号F遥八运载火箭是在长征二号F火箭的基础上进行了150多项的技术改进而成，提高了火箭的运载能力、入轨精度和可靠性。而与发射“天宫一号”和“神八”的火箭相比，此次改进型长征二号F遥九火箭在安全可靠性上再上一个台阶。研制人员针对该型号火箭精心设计了一系列质量控制措施：将火箭的GPS系统更新换代，保证其“行驶”在正确轨道，实现精确入轨；多媒体记录覆盖火箭生产全过程，共计照相6954张，摄像161段；在肉眼无法识别的部位增加内窥镜检查，为火箭做好“全身体检”。

因此，长征二号F遥九火箭研制中又有一些新亮点：将原来只有在发射场才能进行的系统匹配测试，提前到出厂测试阶段完成，在火箭起飞前，将先进的理念、方法、工艺全部变成成熟技术。另外，研究院还采取了多项措施，提升火箭的舒适度，让航天员享受一次安全、舒适的太空之旅。用火箭设计者的话形容，航天员按坐“奥拓”的标准训练，但要坐“奥迪”上天。