“天宫一号”与“神八”完美交会对接中国空间站建设之始

“天宫”，一个具有浓郁中国特色、寄托了华人无限憧憬的名字。
　　它是中华民族对未知太空的通俗叫法，即“天上宫殿”。作为中国第一个目标飞行器，“天宫一号”将在太空中待约两年的时间，将接纳保障航天员在轨短期驻留期间的生活和工作，保证航天员安全；并开展空间应用、空间科学实验、航天医学实验和空间站技术实验；初步建立短期载人、长期无人独立可靠运行的空间实验平台，为建造空间站积累经验。
　　2011年9月29日21时16分3秒，“天宫一号”在酒泉卫星发射中心发射。11月1日5点58分，由轨道舱、返回舱和推进舱组成的神舟八号飞船，“零窗口”发射成功，时间准确到秒。飞船上装载了通用生物培养箱，中德将合作开展17项空间生命科学实验。11月3日凌晨1时36分，“天宫一号”目标飞行器与神舟八号飞船成功实现首次交会对接，对接成功后，二者以组合体的方式在太空飞行，由“天宫一号”对组合体进行控制。11月16日18时30分，“天宫神八”成功分离。11月17日19时32分，神舟八号飞船返回舱在内蒙古中部预定区域安全着陆。“天宫一号”继续在太空等待“神九”和“神十”飞船前来对接，并建立中国首个空间实验室。“天宫一号”建成后，可以用来进行太空观察、侦察、在太空中储备物资等用途。在对地观察方面，当地球上发生地震、海啸或火山喷发等事件时，空间站上的航天员可以及时调整遥感器的各种参数，以获得最佳观测效果。
　　“天宫一号”的建立可以为我国带来很大的经济价值，还可以制造出在地球上造不出来的材料。如果不借助空间站就无法实施。
　　交会对接：空间站最关键的技术
　　1992年中国载人航天工程设计之初，便确定了载人航天“三步走”的发展战略：第一步，实现天地往返，航天员上天并返回地面； 第二步，实现多人多天飞行、航天员出舱和太空行走、飞船与空间舱的交会对接等多项任务，并发射短期有人照料的空间实验室；第三步，建立空间站。
　　“天宫一号”最重要的任务，便是作为交会对接的目标，与神舟八号配合完成空间交会对接飞行试验——这是要解决空间站建造时最关键也是最不可逾越的技术。1966年3月16日，美国航天员阿姆斯特朗和斯科特乘坐“双子星座八号”飞船，手动操作交会过程，与无人“阿金纳”目标飞行器对接。这是人类历史上首次进行两个航天器之间的交会对接。自此，太空中发生过300多次交会对接，但这项技术过去只有美、俄两国掌握。
　　所谓的“空间交会对接”，是指两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达太空同一位置的过程称为“交会”，“对接”是在交会的基础上，通过专门的对接机构将两个航天器连接成一个整体。实现两个航天器在太空交会对接的系统，称为交会对接系统。空间交会对接技术难度很大，因为空间实验室体积都比较大，发射空间实验室的时候是不装人的，人是后来通过航天飞机或者飞船送上去的。人要进入到空间实验室，航天飞机或飞船就必须和空间实验室对接起来。而在太空中，空间实验室和航天飞机都是高速运行的，时速到达28000公里以上，在对接过程中，如果计算不准，就可能发生飞船相撞事故。在国外载人航天活动早期，航天器在空间交会对接过程中就曾失败。比如，俄罗斯“进步M3-4”飞船与“和平”号空间站在对接过程中“相撞”。
　　神舟八号与“天宫一号”，实施的将是无人交会对接试验，而其后的“神九”和“神十”，将可能实现有人交会对接。                  
　　交会对接靠“天宫”资源舱
　　从外形来看，“天宫一号”是一个短粗的圆柱体，相比过去的神舟系列飞船，它是中国目前最大、最重的在轨飞行航天器。整体重量可以达到8.5吨，总高度10.4米，最大直径3.35米。
　　“天宫一号”内部为两舱结构，由实验舱和资源舱组成。前半部分是实验舱，实验舱前端安装了一个被动的对接机构，以及交会对接测量和通信设备，用于支持与飞船实现交会对接。在实验舱里，还可以进行一些医学实验、再生生保实验等科学实验。资源舱内置动力系统、推进系统和能源，为轨道机动提供动力，为飞行提供能源。
　　资源舱的主要任务是为“天宫一号”的飞行提供能源保障，并控制飞行姿态。打个比方，如果把“天宫一号”比作天上飞的鸟儿，那么飞行器要像鸟儿那样有力气飞遍千山万水并在空中变换各种飞翔姿势，就得靠资源舱了。
　　“天宫一号”与神舟八号之间的交会对接步骤是先“交会”再“对接”，即先找到目标，然后靠近，最后完成对接。开始，“天宫一号”和神舟八号根本不在同一个轨道上。“天宫一号”上的导航与制导系统就是负责寻找目标，两个飞行器距离一两公里或几百米，然后一点点仔细调整位置。神舟八号的对接系统是一个激光雷达，会向“天宫一号”发射激光束，如果正好打到“天宫一号”的激光反射器上，反射回来的信号就会很强，二者沿着激光束指示的方向一点点靠近。等到距离很近，比如几米的时候，飞行器的相对速度会降到每秒几厘米，然后两个飞行器刚好卡在一起。
　　为了保证交会对接，“天宫一号”里面装有大型控制力矩陀螺。飞船短期飞行依靠发动机控制，中型卫星依靠动量轮控制，而空间站这种大型设备需要力矩才能控制。控制力矩陀螺将用来实现对正在寻找目标的“天宫一号”进行精确的姿态控制。“天宫一号”的惯性制导系统及空中姿态控制系统均使用了长城航天润滑油，以保证运动部件动作的精确无误，实现航天器平稳对接。
　　整个过程通俗地说，就是“天宫一号”以8公里/秒的速度在飞，神舟八号追上去，当两个航天器的轴线在同一条直线上，使两者连接在一起，不仅严丝合缝，还要把液、电、气通上。曾有专家说，这就好像上面放了一根针，底下用一根线，最后要拿那个线去穿过那个针眼，非常困难。
　　航天员如何在“天宫一号”上生活
　　在“天宫一号”上，将来宇航员会在哪里生活呢？“天宫一号”的设计专家和航天员系统的设计专家进行了揭秘。
　　前舱实验舱是全密封环境，“天宫一号”与神舟八号对接完成后航天员进舱进行工作、训练，一些必要的生活活动、睡眠等也都在这里进行。实验舱里，密封的航天员活动空间有15立方米，较之以往的神舟飞船六七立方米的小空间而言，有了很大扩展，更加适合航天员长时间居住。
　　专家介绍，虽然“天宫一号”实验舱外观是圆柱形的，但为了从人体感觉出发，航天员活动的空间是一个长方体，并且有“天花板”和“地板”的区分，其中，“地板”是咖啡色，“天花板”是暖白色，而四周的“墙壁”颜色则介于两者之间。实验舱内设备所用的材料，都是抗阻燃无毒材料。
　　“天宫一号”实验舱航天员活动的区域，四壁都是机柜。里面全都是设备，有操作台、仪表板，有照明设备，也有生活要用的东西，还精心设计了两个专用睡眠区。每个睡眠区都有独立的照明系统，可由航天员自己来调节。航天员睡袋呈蓝色，外部绣有祥云图案。相比神七的睡袋，它的重量明显减轻，材料也是优中选优，具有抗燃烧、防静电、重量轻、松紧可调等特点。“天宫一号”还为航天员准备了保暖内衣、保暖裤、运动袜、运动服、短裤等。这些衣服的设计主要是考虑太空工作实验的特殊需求，比如，有的衣服装有电缆口，有的口袋用于放置辐射测量仪等。由于“天宫一号”长期是低压运行，会造成衣服材料加速老化，研究人员在地面作了大量的低压存储试验，用专业设备拉扯衣物，确保拉伸强度和撕裂强度合格。
　　在“天宫一号”里，无论是舱载医学设备，还是航天员个人防护设备等，外观都突出了人性化设计。比如暴露的设备，在外形上都避免尖角。而在航天员需要操作的设备上，也都进行了符合人体工程学的设计。考虑到在失重状态下航天员工作时使不上力，科研人员们还为航天员设计了助力拉手等装置。
　　此外，“天宫一号”还首次带入微生物净化装置，为航天员打造高度洁净的环境。有专门的储箱回收人体呼吸、排汗等代谢产生的水汽。“天宫一号”还携带了一些锻炼设施，比如安装了自行车供氧机，航天员把自己束在自行车上后可以蹬自行车，每天按照提前规定的体力消耗完成锻炼工作，以减轻失重对身体产生的影响。
　　“天宫”也有上海航天人的贡献
　　 “天宫一号”这个庞大的系统工程中，上海航天局主要负责电源分系统、对接机构分系统、资源舱的结构和总装，以及测控通信分系统的设备研制。没有雄厚科技创新实力和敢于接受新挑战的精神作后盾，这把上海“金刚钻”是揽不了“天宫一号”实验空间站的“瓷器活”的。
　　负责电源系统研发的，是上海航天局811所。“天宫一号”的太阳能电池翼上，有近万个太阳能电池片，总的发电能力约为7000瓦。另外，“天宫一号”采用了高压电源系统，这在中国的载人航天器上还是首次，对安全性、可靠性要求尤其高，以前高轨卫星使用的全刚性电池板显然不能适用。上海科技工作者通过反复试验、反复改进，经过大量的工艺试验，确定了碳纤维框架加玻璃纤维网格的半刚性结构形式，这是我国航天器电源分系统的首次应用。
　　“天宫一号”资源舱结构设计也由上海航天局805所负责。资源舱的主要任务是为“天宫一号”的飞行提供能源保障，为飞行姿态控制提供动力。航天员所需的氧气和空气，都是资源舱带上去的。“天宫一号”资源舱上还装有中继天线，可以通过中继卫星发回信号，相比载人航天一期工程，大大提高了地面测控的覆盖率。
　　负责资源舱总装的也是上海航天局。在总装时，最为关键的，是“天宫一号”的导航与制导系统中6个控制力矩陀螺。每个力矩陀螺也就一个装A4纸的箱子那么大，但重达50多公斤，而舱内安装的设备单个重量一般都小于10公斤。这些“家伙”虽然很重，却要求以非常高的精度将其安装在舱内。“天宫一号”资源舱需要减重，敢于创新的上海科技人首次采用铝锂合金作为原材料，成功为舱段“减肥”10%，同时保证了结构强度和刚度，提高了资源舱结构承载能力。
　　在上海航天局，负责“天宫一号”/神舟八号交会对接任务的两支试验队共有近250人，平均年龄只有30岁出头。很多试验队员一走几个月，家中的孩子上学要联系学校、老人生病住院需要人手照料、家里买房子等着签合同、订好了酒席等着新郎回家结婚等等，每个个体的背后都承载着家庭的责任，但为了试验任务，他们克服了个人的重重困难，甚至退掉了酒席，推迟了婚宴，“就想认认真真把手中的活干好，让产品不出任何问题，成功完成好发射任务”。如同无数个“神经末梢”激活了“天宫”这个巨人一样，无数上海人的心血也凝聚在中国航天事业里。
“天宫一号”和“神八”交会对接，是为建立中国自己的空间站做准备，载人航天的第三步，就是建立中国自己的太空空间站，预计2020年将建成。这标志着我国将突破和掌握载人空间站建造和运营技术、长期载人飞行技术，并开展较大规模的空间应用。虽然之前有俄罗斯、美国的空间站，但是到2020年其他国家的正好退役了，很可能到时候在太空只有中国的空间站了。