航天工程二十年剑指载人空间站
看点
5次变轨减为4次
远距离导引到交会对接的第一步，神舟九号需要从数千公里外的地方被导引至距天宫一号后下方52公里处的交会对接入口。
“远距离导引控制带来的控制频度之密，控制精度要求之高，前所未有。”北京航天飞行控制中心副主任麻永平说，两个航天器均以每秒7.8公里的速度高速飞行，要准确控制这两个高速动态飞行器的相对位置和相对高度，就好比在太空中打两个“移动靶”。
这个艰巨任务由地面测控系统来完成。“神舟九号发射升空以后，我们要进行5次远距离导引控制，实际上只实施了4次就实现了目标。”北京飞控中心研究员唐歌实介绍，中心通过精密定轨和精确的轨控效果标定，研究分析认为第5圈和第19圈轨道控制将对轨道面产生一个固定偏差，因此可以利用这个偏差，来替代第13圈的轨道面修正，从而取消原来设计的轨道面修正控制，将原来设计的5次变轨减为4次。
迎客
天宫15天前净化空气
为迎接即将到来的太空住客，天宫一号提前对房间空气进行了净化。据介绍，天宫一号配备的是混合空气，由氧气和氮气组成，其中氧气已经上天，在无人运行时会被“藏”起来，等航天员入驻后启用。
“天宫”是密闭飞行器，经过半年多的无人飞行，舱里的材料和设备都会释放有害气体，因此在航天员进入“天宫”前的15天，它会开启净化装置，让航天员呼吸新鲜空气。和地面关注PM 2.5一样，“天宫”提出了微生物指标和可吸入颗粒物指标，并配备专门的装置洁净舱体，灭杀微生物，以防止其影响航天员健康，腐蚀航天器里的设备。
航天工程二十年 剑指载人空间站
回顾(来源：南方都市报 南都网) 随着神舟九号载人飞船的成功发射、3名航天员入住天宫，中国载人航天事业又向前迈出重要一步，距离建造自己的载人空间站目标又近了一步。回首中国载人航天事业二十年的发展历程，历经九次神舟飞船发射，四次载人航天发射，中国已经成为世界上继俄罗斯和美国之后第三个独立掌握载人航天技术、独立开展空间实验、独立进行出舱活动的国家。
神一到神四：硬件技术条件逐步具备
中国的载人航天工程起始于1992年。当年9月21日，江泽民在中南海怀仁堂主持召开中共中央政治局常委扩大会议，讨论审议中央专委《关于开展我国载人飞船工程研制的请示》。会议正式批复了载人航天工程“三步走”的可行性论证报告，中国开始了向太空进军的新征程。
1999年11月20日凌晨，“神舟一号”无人实验飞船在酒泉卫星发射基地顺利升空，经过21小时的飞行后成功返回地面。作为载人航天工程的第一次飞行试验，这次发射主要目的是考核运载火箭性能和可靠性，并验证飞船关键技术和系统设计的正确性。
2001年1月10日凌晨，“神舟二号”成功发射，这是第一艘正样无人飞船，飞船的构成与技术水平已经与载人飞船基本一致，凡是与航天员生命保障有关的设备，基本上都采用了真实件。“神舟二号”在太空飞行了6天18个小时，绕地球108圈。
从“神舟三号”开始，飞船发射的主要目的聚焦于航天员的飞行安全问题。2002年3月25日，“神舟三号”飞船发射升空，于4月1日返回地面。
2002年12月，“神舟四号”在经受了零下29摄氏度低温的考验后，于30日0时30分成功发射，突破了中国低温发射的历史纪录。2003年1月5日，飞船安全返回并完成所有预定试验内容。
神五到神七：从圆梦飞天到漫步太空
经历了神舟一号到四号飞船的发射，中国终于迈出了载人航天的关键一步。2003年10月15日，中国第一艘载人飞船“神舟五号”成功发射，并完成21小时23分钟的太空行程。首位航天员杨利伟成为浩瀚太空的第一位中国访客，让中华民族圆了千年飞天梦想。
2005年10月12日，中国第二艘载人飞船“神舟六号”成功发射，航天员费俊龙、聂海胜被顺利送上太空，也是中国第一艘执行多人多天任务的载人飞船。此次太空飞行，2名宇航员在太空逗留了115 .5小时，飞行距离达325万公里。除了飞行时间，“神舟六号”还在多个航天领域实现了突破。比如首次进行空间试验、首次启用太空睡袋、首次启用图像传输设备等。
2008年9月25日，中国第三艘载人飞船“神舟七号”成功发射，这次航天员进一步增加到三人，分别是翟志刚、刘伯明、景海鹏，他们承担的重要任务是实施中国航天员首次空间出舱活动，中国宇航员的足迹第一次印在了茫茫太空。这次发射在技术上主要突破了载人飞船气闸舱、舱外航天服和航天员地面训练等关键技术。
神八到神九：交会对接技术逐步成熟
经历了连续三次载人飞行后，“神舟八号”飞船再次回到了无人飞船状态，但这次发射承担的交会对接任务一点都不轻松。中国第一个目标飞行器“天宫一号”先于2011年9月29日发射升空，随后的11月1日清晨5点58分，“神舟八号”飞船向着先期抵达太空的“天宫一号”进发。2011年11月3日1点36分，天宫一号与神舟八号飞船自动对接成功，飞船与空间站组成一座小型的低地轨道“空间实验室”。至此，我国已突破和掌握空间交会对接技术，向空间站建设迈出了关键一步。
就在神舟八号载人飞行任务圆满结束后，中国航天科技集团公司总经理马兴瑞强调：“现阶段，中国载人航天的核心任务就是要突破载人交会对接技术，为建立空间实验室做进一步准备。”在完成载人航天工程“三步走”战略的第一步任务和第二步任务第一阶段的8次飞行任务后，中国航天科技集团公司开始集中力量突破载人飞船和空间飞行器的手控交会对接技术，为实施第三步战略任务做准备。
2020年圆梦：筑起中国的“太空家园”
从世界载人航天发展的历史经验看，空间站阶段无法回避。它是人类向深空进军的重要试验平台，许多关键技术需要在空间站进行验证。
我国将在2020年前后建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。其中，2016年前，研制并发射空间实验室；2020年前后，研制并发射核心舱和实验舱，在轨组装成载人空间站，突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术，并开展较大规模的空间应用。
由于多种原因，中国尚未成为国际空间站(ISS)的成员国，但随着“天宫一号”的发射和未来空间实验室设想的不断实现，我国将会更深入地参与国际空间站的活动。正如美国宇航局专家詹姆斯·奥伯格所言，中国载人航天的飞速发展，不仅证明高科技水平日趋提高，也将使其获得与国际空间站完全合作的机会。
南都记者王卫国
12把锁 36吨抓力 神九牵手天宫
北京时间6月16日18时37分，神舟九号载人飞船成功升空。18日下午，3名航天员景海鹏、刘旺和刘洋完成神舟九号与天宫一号的交会对接，两飞行器形成稳定运行的组合体，随后航天员顺利入住天宫一号。这标志着中国载人航天飞行由验证性飞行试验完全过渡到“真正有人参与的空间飞行试验”，实现了中国载人航天的又一次历史性跨越。
手动交会对接，是此次航天飞行最令人关注的核心技术。上海微小卫星工程中心副主任、载人航天工程应用系统副总设计师、导航卫星总设计师林宝军称，手控交会对接的意义在于人类可以参与科技在太空中的应用，使人类具有真正开发太空资源的能力。
交会程序：两个8吨“大家伙”玩“针线活”
对接时，两个飞行器始终保持在一条直线上运行，横向错位偏差不能超过18厘米。当两个航天器逐步接近时，其对接面在达到300毫米时，俯仰、偏航、滚动三个姿态角均不能超过5°。“就像我们一手拿针，一手拿线，一次就要将线头穿进针孔。”
“神舟九号”和“天宫一号”在交会控制和对接过程中，对接机构按照捕获、缓冲、拉近、锁紧四个阶段，完成对接，其间还必须完成校正、碰撞、连接等一系列十分复杂的程序。缓冲的目的是为交会做好充分准备，同时消耗一部分两个航天器接触撞击后产生的能量，保证其撞得上，但又不能撞坏，以形成柔性连接。
据上海航天技术研究院专家介绍，当年，“天宫一号”和“神舟八号”两个8吨重的“大家伙”进行交会对接时，其初始速度为7.91公里/秒，即第一宇宙速度。如果以如此的高速撞上去，必然会导致“两败俱伤”。因此，在对接时，必须对两个飞行器进行减速，使其相对运行速度不能超过0 .2米/秒，以达到缓冲碰撞的目的。
捕获成功是完成对接的前提，校正的目的是使两个航天器的姿态符合对接要求。“天宫一号”与“神舟八号”对接时，两个飞行器始终保持在一条直线上运行，横向错位偏差不能超过18厘米。当两个航天器逐步接近时，其对接面在达到300毫米时，俯仰、偏航、滚动三个姿态角均不能超过5°。只有在上述状态下，才能满足初始对接条件。
若对接时相对位移、角度及角速度等实际对接初始条件偏差较大，将可能造成对接碰撞时飞船出现较大偏差，这就需要进行强制校正。专家预计，如果神九对接时用到强制校正的话，将需要10分半钟。
在茫茫太空中，这样的条件近乎苛刻，“就像我们在地面上一手拿针，一手拿线，一次就要将线头穿进针孔。”
两个航天器对接成功后，还要确保对接面的拉紧与密封，并保持刚性连接，在两个航天器之间形成与真空环境完全隔离的通道，以确保航天员的生命安全。对接后还要实施电、气、液等连接，以保证空间站的正常运行。
这样的良好对接状态需要保持到在轨任务结束后，再对两个航天器进行分离。
“神舟九号”与“神舟八号”最大的差别是，“神舟八号”载的是模拟人，与“天宫一号”进行的是自动交会对接，而“神舟九号”载有航天员，将采用手控交会对接的方式，与“天宫一号”对接。在地面测控中心对缓冲、速度控制、位置确认等作出精确指挥的情况下，在“神舟九号”与“天宫一号”交接时，将采取航天员手控操作。
林宝军表示，航天员乘组与模拟人肯定有所差别。专家们会对“神舟八号”的测得的数据进行相应调整和改进，以保证“神舟九号”的顺利对接和航天员的安全。
中国载人航天工程新闻发言人武平介绍，神舟九号飞船、长征二号F遥九火箭与神舟八号飞船及遥八火箭技术状态基本一致，为适应载人需要，并进一步提高安全性与可靠性，进行了部分技术状态更改。
林宝军称，手控交会对接的意义在于应用，有人能够参与的应用。最简单的例子是，没有人的参与，航天器有一个零部件坏了，可能就不能使用了，而有了人的参与，就可以进行维修。日后，微重力等太空环境下的科学实验，也将有人进行参与。有了人的参与，才是真正具备了开发太空的能力。
对接设备：上万零部件构建圆形“通道”
对接机构上有118个进行测量的传感器，5个接发指令的控制器，18台电机传动着上千个齿轮和轴承。而接插件、电缆紧固件等有上万个。最关键的是12把锁钩。这些力大无比的锁钩每把可产生3吨的抓力，12把共产生36吨的抓力将目标器牢牢抓住并锁定。
据了解，世界各国航天器的碰撞式对接设备有三种典型构型。
俄罗斯联盟号飞船的“杆—锥”式对接机构是上世纪六十年代首次用于轨道飞行对接试验的结构组合。但这一对接机构没有装备供宇航员通过的密封通道，宇航员从一个航天器进入另一个航天器，只能从舱外通过。
“联盟号—礼炮号”组合的对接机构装备了密封的内通道，但却仍具有“杆—锥”式对接机构的不便之处，即带“杆”的飞船只能与带“锥”的飞船对接。
中国航天人选择了其中难度较大的导向板内翻式的异体同构周边式对接机构作为研制对象，进行技术攻关。
此种对接机构对接部件设置于周边，，留出了中心的过渡通道，，宇航员可方便地通过。以“神舟九号”和“天空一号”的对接为例，对接成功后，两个航天器之间将形成一个直径达80厘米的圆形通道，供航天员往返“神舟九号”和“天宫一号”。这种设计的最大的特点是完全采取了异体同构的设计原则，可以和任何装有这种对接机构的飞行器对接。但它面临的问题是结构的复杂化。
对接机构上有118个进行测量的传感器，5个接发指令的控制器，18台电机传动着上千个齿轮和轴承，进行力的传递。而接插件、电缆紧固件等有上万个。当然，这上面最关键的是12把锁钩。这些力大无比的锁钩，每把可产生3吨的抓力，12把共产生36吨的抓力，将目标器牢牢抓住并锁定。
为了将这些零部件组装起来，并提高效率，上海航天设备制造总厂员工单培林，曾用48个小时重复做一个动作，来提高自己对设备的熟悉度和操作的熟练度。而经过这样锻炼所装配出的对接设备，可以用很小的耗能达到较高的效率。
而为了检测设备的实际运行情况，航天人们还自主研制了空间对接机构特性测试台、缓冲试验台、空间对接机构综合试验系统、空间对接机构热真空试验台四大试验专用设备等。
林宝军称，对接设备装配好了，仅仅是第一步。要有支撑设备对对接设备进行检验，以测试对接设备是否能在太空的环境下运行。这也是难度很大的工作，不仅要设计出各项运行指标，还要设计出对这些指标进行检测的设备。
“非常难，一步一个坎。”林宝军感慨。
研发揭秘
两块20吨花岗石打造对接模拟器
俄方开出天价：对接机构技术设计专利费1亿美元，引进成熟的技术和现成的产品还要加钱，此外，其他无关紧要的东西还存在着被搭售的可能。“要建立自己的空间站，除自力更生、自主创新，别无他路。”
1992年9月21日，中国批准国家有人操纵空间计划，命名为“921计划”。太空行走、交会和对接测试，作为“921计划”第二阶段的重要任务，计划于2006年至2015年之间实现。
1995年，对接机构研究室在上海航天技术研究院805所辖下成立。彼时，中国在空间交会对接技术上，除了一些理论上的研究基础外，几乎一片空白。项目成立之初人员不足10人，没有人见过实体的对接机构，中国未来的对接机构要做成什么样子，甚至都没有被勾勒出一幅清晰的图景。
仅仅方案论证报告，就耗时三个多月，也正是在这个过程中，项目小组成员从无到有，逐渐明确了中国对接机构在未来的研究方向，揭开了一段十余年的艰难攻关历程。
现已是中国载人航天工程空间实验室系统副总设计师的张崇峰曾向媒体谈起，他们在参观俄罗斯“能源”火箭公司对接机构研制车间时，俄方表示，他们是世界上唯一有能力生产对接机构的单位。他对中方购买其产品胸有成竹，并开出了天价：对接机构技术设计专利费1亿美元，引进成熟的技术和现成的产品还要加钱，此外，其他无关紧要的东西还存在着被搭售的可能。“要建立自己的空间站，空间交会对接技术是必须突破和掌握的，除自力更生、自主创新，别无他路。”这次参观之后，张崇峰有此感慨。
俄罗斯方面利用“吊挂”方案模拟微重力环境，即用足够长的绳子把两个飞行器模型分别“吊挂”起来，然后拉开一段距离，利用钟摆原理使两个飞行器对撞，以此模拟对接过程。
林宝军称，这样的方式只能在单一条件下模拟微重力环境，容易造成误差。
805所的总工艺师王北江经过潜心研究，提出用喷气悬浮的方案建造对接缓冲试验台。这是一个大胆的想法，完全不同于俄罗斯的试验方法，具有中国航天人的创新特色。林宝军称，用气浮力抵消引力，更接近于太空中的微重力环境。
但在建台过程中，却碰到了一个意想不到的问题，即该方案需要两块大石头作为平台。这两块石头要平整度高、稳定性好，整个平台的高低起伏不能超过千分之三毫米。
从王北江提出方案，到在泰山上发现符合要求的花岗石，耗时一个月。将石头打磨成两块20吨重的平台，又用去了五个月。打造好的平台，高低起伏低于一根头发丝直径的1/20，8吨重的飞船模型，只需要用手指轻触，就可以开始滑行。
这令后来来中国参观的俄罗斯专家团队也赞叹不已。
A08- 09版
采写：南都记者谭万能 张晗(除署名外)
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