神舟飞天天宫探梦
摘要：文章解释了载人飞船和空间站的基本概念，对轨道交会对接系统的控制方式和基本原理进行了说明，介绍了中国实现载人交会对接的技术特点和实施过程，重点阐述了轨道交会对接对于中国载人航天工程的重要意义。
关键词：载人飞船，空间站，空间实验室，空间交会，空间对接
中图分类号：N04；V2文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2016.06.011
Abstract：This article explains the basic concepts of manned spaceship and space station， introduces the basic theories and control methods for orbital rendezvous and docking system. Furthermore， the article also makes a brief description of the technical features and development of orbital rendezvous and docking of Chinese manned spaceship with space station， especially points out the significance of rendezvous and docking technology for Chinese manned space project.
Keywords： manned spaceship， space station， space lab， space rendezvous， space docking
引言
2016年10月17日7时30分，酒泉卫星发射中心发射塔架上，一团明亮的尾焰从长征二F遥11运载火箭下方喷薄而出，火箭缓缓上升，迅速加速，冲出大气层，直奔预定轨道。在火箭头部的整流罩内，容纳着神舟十一号载人飞船和本次任务航天员景海鹏、陈冬。10月19日凌晨，神舟十一号飞船与在轨运行的天宫二号空间实验室实现自动交会对接，景海鹏和陈冬进入天宫二号，开始为期33天的中期驻留任务。驻留期间，两位航天员将进行数十项科学实验，同时也为中国航天员在轨中期乃至长期驻留积累科学数据与实践经验。神舟十一号与天宫二号的对接和航天员驻留任务，标志着中国神舟系列飞船和空间实验室技术已经成熟，具备了保障航天员中期驻留生活和工作的能力。
中国载人飞船的名称“神舟”，蕴含着中华民族的文化、历史特色，表明这是一艘神圣的船、神奇的船、13亿神州的船，同时能够体现航天器的功能或用途，字面上就能了解这一航天器是飞船[1]。中国空间实验室的名称“天宫”，同样具有浓郁的民族特色，寄托华人无限憧憬。“天宫”即“天上宫殿”，很容易和“空间实验室”“空间站”这些概念联系起来[2]。究竟什么是载人飞船？空间站与空间实验室有何区别？交会对接是如何进行的？本文对载人航天交会对接相关术语解读如下。
一载人飞船是什么
载人飞船（manned spacecraft）是能保障航天员在外层空间生活和工作以执行航天任务并安全返回地面的航天器。载人飞船可以独立执行航天任务，是目前最小的一种载人船天器，仅能往返使用一次，在太空轨道上一般能单独飞行数天到十几天，也可作为往返于地面和空间站之间或地面和月球以及地面和行星之间的“渡船”，还能与空间站或其他航天器对接后进行联合飞行[3]。载人飞船通常借助运载火箭发射进入太空，绕地球轨道运行或进行轨道机动飞行。从结构上看，载人飞船一般分为轨道舱、服务舱和返回舱三个部分。轨道舱是航天员在太空任务中工作和生活的空间，这一部分具备功能完善的生活保障系统，并拥有各种观测仪器和通信设备。返回舱也是密闭座舱，它能耐受再入大气层时气动加热产生的高温，依靠巨大的减速伞系统和反冲火箭进行减速，保证航天员安全返回地面。在飞船起飞和再入大气层阶段，航天员都处于返回舱内。服务舱也称作仪器设备舱，它的内部装有电子设备以及环境控制、推进系统和部分通信设备，此外还装有变轨发动机和燃料贮箱等。服务舱外部还装有用于产生电能的太阳能电池帆板。
二空间站和空间实验室的概念和区别
空间站（space station）通常也被称作轨道站或轨道空间站，它实际上是一种能够支持乘员长期逗留的在轨运行的航天器，也可以理解为一种在特定高度轨道上运行的“载人卫星”。空间站一般具备两个基本条件：首先具备能支持乘员长期在轨逗留，满足工作和生活的各种功能需要；其次必须具备作为目标航天器的交会对接能力，这样载人飞船和货运飞船才能与空间站实现对接，实现航天员的轮换和物资的补给。
空间站不同于普通的载人飞船，它一般不具备主推进系统，也不具备再入着陆系统（紧急情况下供乘员逃生用的飞船除外）。
空间站是重要的航天研究平台，也是航天研究重要的基础设施，它可以用来研究长期太空飞行对人类身体机能的影响，可以从事大量和长期的太空科学研究实验，这样的太空实验条件是任何其他航天器都难以提供的。现代空间站多采用多舱室结构，即以核心节点舱为中心，周边安装多个功能舱组成联合体，实现长期在轨运行和工作。迄今为止单次太空任务航天员在轨驻留最长的纪录是：俄罗斯航天员瓦列伊·波利亚科夫在“和平”号空间站上停留了437.7天。
空间实验室（space laboratory）尚没有明确的定义，它是为了发展空间站，从载人飞船过渡到载人航天基础设施的试验性航天器。它强调功能，可能是一种空间站，也可能作为空间站附属，或航天飞机搭载的空间设备。迄今为止，中国先后发射过两个具备空间实验室特征的航天器：天宫一号和天宫二号。
天空实验室（Skylab）原本是美国发射的第一个空间站，从1973年一直运行到1979年。如今天空实验室被航天界看作是空间站技术的重要实验平台，也是迈向成熟空间站技术的重要关口。美国1973年利用“土星”V号运载火箭发射的天空实验室重达77.1吨，它包括一个工作舱、一个太阳观测舱和其他任务系统。天空实验室入轨后，美国陆续发射了3艘载人飞船，每次运载3名航天员前往天空实验室。
从装配方式上，天空实验室的工作舱、过渡舱、对接舱和太阳能望远镜在地面组装好，借助“土星”V号运载火箭送入轨道，之后再将载有3名航天员的“阿波罗”飞船送入轨道，“阿波罗”飞船同天空实验室基础部分对接，组成完整的天空实验室。天空实验室与标准意义上的空间站的主要区别是，前者的基础部分是在地面装配完成，整体发射入轨，载人飞船通过交会对接与空间站连接成组合体，航天员进入天空实验室驻留和工作；后者则是把各个舱室分别发射升空入轨，在轨道通过多次交会对接构成空间站组合体，组合体拥有两个或更多对接机构，可供载人飞船或货运飞船使用，其功能比天空实验室更为强大，保障能力也更为完善。美国通过天空实验室计划，验证了飞船与天空实验室轨道交会对接技术、舱外作业技术、航天员中长期在轨驻留等多项技术，并进行了大量太空科学观测和实验，为美国后来在全球范围内组织国际空间站项目准备了基本条件。
三空间交会对接
1. 空间交会对接的概念及实现过程
空间交会对接（space rendezvous and docking）是指两个航天器在空间轨道上会合，并在结构上连成一个整体，是实现空间站、飞船等空间系统的装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨服务的先决条件，也是载人航天活动的基本技术之一。2011年11月3日凌晨，神舟八号飞船与天宫一号实现中国首次空间交会对接。2012年6月18日14时，神舟九号飞船与天宫一号实现中国第二次空间交会对接，这是中国飞船首次载人交会对接。这次成功交会对接使中国成为继俄罗斯和美国后世界上第三个完全掌握空间交会对接的国家。
交会对接要求地面发射两个航天器，通常先发射目标航天器，后发射追踪航天器。追踪航天器进入轨道后，先是运行在比目标航天器稍低一些的圆轨道，然后通过霍曼变轨进入与目标航天器基本一致的轨道，并与目标航天器建立通信联系。实现轨道一致后，追踪航天器调整自己与目标航天器的相对距离和姿态，逐渐靠近目标航天器。当两个航天器的距离为零时，追踪航天器与目标航天器通过对接锁定机构实现稳固连接。两个航天器随后开启舱门，实现空间共通，航天员可以在两个航天器之间移动，完成既定任务。
在交会对接过程中，追踪飞行器的飞行可以分为远程导引、近程导引、最终逼近和对接停靠四个阶段。在远程引导阶段，追踪飞行器在地面测控的支持下经过若干次变轨机动，进入到追踪航天器上的敏感器能捕获目标飞行器的范围，一般为15～100千米。在近程导引段，追踪飞行器根据自身配备的微波和激光敏感器实时测量与目标飞行器的相对运动参数，自动引导到目标飞行器附近的初始瞄准点，此时两者相距0.5～1千米。在最终逼近段，追踪飞行器将捕捉目标飞行器的对接轴，并根据情况进行适度机动，进入对接走廊，此时两个飞行器接近至100米，相对速度约1～3米/秒。在对接停靠段，追踪飞行器利用光学传感器精确测量两个飞行器的距离、相对速度和姿态，同时利用发动机进行机动，沿对接走廊向目标飞行器接近。在对接前，追踪飞行器关闭发动机，以0.15～0.18米/秒的停靠速度与目标相撞，利用栓-锥或异体同构周边对接装置使两个飞行器在结构上实现硬连接，同时完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接。
2. 空间交会对接机构
空间交会对接要求两个航天器在轨道上组成联合体，这就要求目标飞行器和追踪飞行器配备专门的对接机构。对接机构是能够将两个飞行器连接并锁定成为稳固联合体的机械结构。按照对接机构的不同结构和工作原理，空间对接机构可分为“环-锥”式、“杆-锥”式、“异体同构周边”式和“抓手-碰撞锁”式四种。“环-锥”式机构是最早期的对接机构，它由内截顶圆锥和外截顶圆锥组成。“杆-锥”式（也叫“栓-锥”式结构）是在两个航天器对接面上分别装有栓和锥的对接机构，俄罗斯“联盟”飞船与“礼炮”号空间站、美国“阿波罗”登月舱与指令舱等的对接都曾采用这种对接机构。这种对接结构由于不具备既有主动又有被动的功能，所以不利于实施空间营救。“异体同构周边”式是一种比较新颖的对接机构，能够使航天器既可作为对接主动方，也可以作为被动方，这对于空间作业特别重要。此外，这种结构将所有定向和锁定部件都安装在中央舱口的四周，保证中央往来通道的畅通。苏联“联盟-19”飞船与美国“阿波罗-18”飞船、航天飞机与“和平”号空间站、航天飞机与国际空间站等对接，都采用这种对接机构[4]。“抓手-碰撞锁”式机构是无密封性能、无通道口的设计，适于不载人航天器之间的对接，如无人空间平台、空间拖船等。
3. 空间交会对接的控制方式
两个航天器要在空间完成交会对接，必须拥有十分完善的控制手段。根据航天员及地面站的参与程度不同，空间交会对接的控制方式可以分为遥控操作、手动操作、自动控制和自主控制四种类型。遥控操作方式下，追踪航天器全部由地面站通过遥测和遥控来实现，航天员不参与控制，但遥控操作要求在全球广大区域设有地面站或利用中继卫星支持。手动操作方式是指航天员在地面测控站的指导下，对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断，通过手动操作启动航天器的姿态控制系统，完成交会对接。自动控制方式同样不依靠航天员，而是由目标航天器与追踪航天器自身携带的精密测量设备和姿态控制系统相配合，在地面站的协助下实现交会对接。自动控制方式同样要求在地面设有多处测控站或中继卫星支持。自主控制方式完全依靠航天器自身设备自主实现交会对接，不依赖航天员和地面站，对技术水平的要求较高。
4. 空间交会对接的意义
空间交会对接技术在载人航天工程方面有着特别重要的意义。首先，通过空间交会对接技术，可以为长期运行的空间设施提供物资补给和人员运输服务。其次，空间交会对接技术为大型空间设施的建造和运行维护服务提供了可能。“和平”号就是由陆续发射升空的各舱段在轨交会对接组装完成的，而国际空间站除了利用空间交会对接技术组装各舱段外，还利用航天飞机的运输能力以及航天员舱外操作，实现了包括桁架、太阳电池帆板和舱段的组装。通过在轨交会对接技术，美国还利用航天飞机和航天员实现了对故障“哈勃”太空望远镜的维修。最后，空间交会对接技术可以实现空间飞行器的重构和系统优化。例如，“阿波罗”载人登月任务中，在地球轨道和月球轨道各进行了一次交会对接，用以解决火箭上升段逃逸质量与人员进入登月飞行器通道之间的矛盾，实现登月飞行器与返回地球飞行器的功能区分和独立，大幅降低了对火箭运载能力的需求。
中国载人航天工程分为三个阶段。第一阶段为载人飞船阶段，第二阶段为空间实验室阶段，第三阶段为空间站建设阶段。每个阶段都分两步走，三个阶段总计分为六个步骤。第一步，发射4艘无人飞船，攻克载人航天的技术难关；第二步，发射若干载人飞船，建成初步配套的实验性载人飞船工程，实施航天员出舱活动，开展空间应用试验；第三步，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术；第四步，建设小型空间实验室，解决有一定规模、短期有人照料的空间应用问题；第五步，初步规划在2020年左右建造60吨级空间站，解决较大规模、长期有人照料的空间应用问题；第六步，在实施月球探测工程基础上，开展未来载人登月的各项预先研究和技术准备[5]。
2011年9月29日天宫一号作为目标飞行器顺利升空。11月1日神舟八号无人飞船升空，并于11月3日与天宫一号从对接机构接触开始，经过捕获、缓冲、拉近、锁紧4个步骤成功实现刚性连接，形成组合体，中国载人航天首次空间交会对接试验获得成功。组合体飞行12天后，神舟八号飞船脱离天宫一号并再次与之成功进行交会对接试验，这标志着中国突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。
2012年6月16日载有3名航天员的神舟九号载人飞船顺利升空，并于6月18日与天宫一号对接成功。6月24日3名航天员完成手控交会对接。这是中国首次载人空间交会对接，意义重大，中国的飞船成为真正的载人天地往返工具，能把人送到空间站或者空间实验室中去。
2013年6月11日神舟十号载人飞船顺利升空，并于6月13日与天宫一号进行首次交会对接。在这次太空飞行中，3名中国航天员在太空工作生活了15天，神舟十号先后与天宫一号进行1次自动交会对接和1次航天员手控交会对接。
2016年神舟十一号与天宫二号的交会对接，是迄今为止交会对接组合体最长的一次载人飞行。
对于中国载人航天工程而言，交会对接技术是建设中国载人空间站、确保载人航天工程可持续发展的技术基石之一。交会对接技术涉及系统众多、技术复杂，要求载人航天工程各系统在若干技术领域的进一步发展和突破。同时，交会对接技术的突破也将带动中国航天技术的整体进步，增强中国航天的整体实力。
参考文献
[1] 朱毅麟. 漫话航天器命名[J].中国科技术语，2005（1）：47-48.
[2] 舒宇.“天宫一号”——中国首个目标飞行器[J].中国科技术语，2011（1）：55.
[3] 宗河.当代宇宙飞船的发展[J].科技术语研究，2004（3）：42-45.
[4] 王宏亮. 宇宙拓荒——航天大发现时代的英雄史诗. 北京：北京航空航天大学出版社，2016：37-39.
[5] 石磊. 天河行舟——载人航天器的今生来世. 北京：北京航空航天大学出版社，2016：184-185.