飛船系統總設計師詳解交會對接逾越五道關

　　中國首次太空交會對接將於2日深夜至3日淩晨進行。“交會對接，是我國航天史上迄今為止難度最大的一次飛行任務。”作為載人航天工程空間實驗室系統和飛船系統兩個系統的總設計師，張柏楠因博學和技術紮實被業內人士稱為“難不倒”。然而這一次，“難”成了他接受採訪口中出現頻率最高的詞彙。如何交會，如何對接，難在哪？張柏楠將實現交會對接的過程總結歸納為“過5關”。 據新華社

　　瞄準：

　　點火誤差不能

　　超過正負1秒

　　以往飛船發射，可以在幾十分鐘甚至更寬的時間範圍內擇機點火，而神舟八號飛船發射點火的時間被限定在正負1秒的範圍內。

　　這，就是瞄準的需要。

　　要想瞄準天宮一號，就得將交會對接的那一刻倒推回來，推算出神八起飛時間。11月1日零時，北京飛控中心和飛船試驗隊根據天宮一號最新位置數據，計算出神舟八號發射窗口和發射諸元。

　　發射進入倒計時15分鐘時，綜合考量發射場風速、火箭起飛重量等數據的最終點火時間才被確定為5時58分07秒。而根據天文臺授時的自動點火系統，準時點火。點火瞄準時多差1秒，飛船到了太空和天宮的軌道面都會産生極大的偏差，輕則消耗大量燃料降低航天器壽命，重則會因燃料不足而無法交會。前蘇聯1968年的一次交會對接，兩飛行器相距僅30厘米時卻因燃料耗盡而失敗。

　　除了點火時間精確，火箭飛行精度也要提高。這次使用的長征二號F遙八火箭，飛行時通過實時迭代計算不斷修正軌道，創造了我國火箭入軌精度的最新紀錄。嚴苛的發射窗口和史上飛得最準的火箭，讓神舟八號打出了“十環”的好成績。“瞄準關”一舉突破。

　　追趕：

　　兩天內追上10000公里

　　按生活常識去思考，無論距離多遠，加大速度去追就是，又有何難？然而，在太空中，飛船追趕天宮的最優方案不是加速，卻是不斷減速。在軌道週期不變的情況下，軌道越低的飛行器飛得越快。正是基於這樣的物理原理，飛船追趕天宮的過程，是一個邊抬高軌道邊降速的過程。

　　飛船入軌時，與天宮一號還有約1萬公里的距離，而且兩者軌道不在同一平面。沒有嚴密的計算和超一流的飛控能力，想在短短不到兩天的時間內追上，實非易事。通過高水平的軌道設計和嚴密計算，5次軌道控制後，飛船速度降至與天宮一致時，飛船也恰好到達天宮一號的同一高度和同一位置：10000公里的距離只剩咫尺。

　　我國載人航天工程測控通信系統上升段主任設計師盧立常説，神舟八號飛船發射的窗口時間是根據天宮一號目標飛行器的運行軌道參數來決定的。在神舟八號發射之前，地面飛控中心先要對天宮一號實施調相控制，使它進入距地面343公里的圓軌道等待神八飛船。飛船發射前一天，通過地面飛控中心的控制，使天宮一號目標飛行器的姿態調整為尾部發動機朝前，對接機構朝後，迎接從後面追上來的神八飛船。“調整到合理的位置後，在實施交會對接時，一定要保證使其處於一個相對可測控時間較長的弧段來進行。”盧立常説，“正是綜合考慮到這些因素和要求，我們設計了對神八飛船5次變軌的方案。第一次變軌是第5圈的遠地點變軌以抬升近地點高度，之後是第13圈調整軌道傾角，第16圈近地點變軌抬高遠地點，第19圈變軌是為進一步圓化軌道，第24圈變軌是將前幾次的誤差進行一次綜合修正。通過這5次軌道控制，最終使飛船滿足與天宮一號進行對接的各項要求。至此，就完成了地面導引階段，最後在智利聖地亞哥站上空切換到神八的自主導引階段。”

　　防撞：

　　歷史上這個過程出事最多

　　美俄兩國早期的交會對接試驗，碰撞事故層出不窮。就在1997年，俄羅斯的進步飛船與和平號空間站還發生相撞，使空間站上的光譜號艙被迫關閉。這次碰撞也加速了和平號空間站失效墜毀的進程。

　　神舟八號飛船在地面引導控制下到達天宮一號後下方52公里處時，二者建立直接通信聯絡，飛船通過自身的計算機自主控制繼續接近天宮一號，並在5公里、400米、140米、30米設立4個停泊點。

　　當飛船曆盡艱難來到天宮一號身邊，相撞成了最危險的事。飛船專門加裝了4台反推發動機，提供緊急避讓的動力。

　　二者相距5公里以外時，如果關掉發動機，則會在各自的軌道上越離越遠，不會相撞。一旦進入5公里之內，即使沒有任何動力，也可能越飛越近導致相撞。

　　因此，4個停泊點就像是輪船入港前的錨地，是重要的可靠性備份措施。走一段停一停，一方面可以避免走得太快發生碰撞，另一方面也提供了處置突發故障的時間。如果在某一階段出了問題，可以退回上一停泊點，解決後繼續按原計劃前進。

　　青年航天測控專家王瑞軍説：在經過了4次停泊之後，在東風站的上空，神八飛船與天宮一號開始接觸，直到鎖緊。鎖緊時，是在太平洋中部遠望三號船的上空。

　　王瑞軍介紹説，在對接之前的一段時間裏，兩個飛行器都處於失控狀態，鎖緊之後，天宮一號要啟動控製程序，消除之前運行偏差，保持飛行姿態，同時停止一些設備的運行。12天后，還要進行一次交會對接試驗。對接後組合體再飛行兩天，然後再分離，神八撤離天宮一號開始啟動返回著陸場的程序。天宮一號則作升軌控制，進入自主運行。

　　精控：

　　好比在浩瀚太空穿針眼

　　在343公里高的軌道上高速飛行的航天器，即使用航天測控站的光學望遠鏡，也難以清晰觀測到。

　　要想在這樣的條件下，讓兩個8噸多的龐然大物，對接機構挨近時誤差在18厘米之內，姿態小于5度，這就好比是讓飛船拿著一根線，穿到天宮一號拿的那根繡花針的針眼裏去。

　　這，需要神舟八號飛船上諸多新增設備的緊密配合。

　　飛船新增的8台平移發動機遍佈周身，提供了各個角度和方向的推力。而最關鍵的，首先是航天器相對位置測量數據的精確，發動機提供的推力才能精確。

　　從相距52公里到實現交會對接，作用距離較遠的微波雷達率先工作，進入20公里後精度較高的激光雷達開始工作，進入100米時更加精確的CCD光學敏感器開始介入。這3台技術方案和性能指標均達國際領先水平的交會對接測量設備，完全由我國自主研製，如果對接成功，將驗證我國同時掌握3種世界領先的太空測量技術。

　　由於在地面無法完全模擬太空中的陽光強度，為避免強陽光對測量設備的干擾，首次交會對接計劃在地球陰影區進行。如果進展順利，組合體飛行12天后，第二次試驗則會選擇在光照區進行，充分驗證測量設備的抗干擾能力。

　　分離：

　　關係到航天員

　　未來生命安全

　　兩個航天器的速度、位置、姿態、偏差等11個參數滿足對接條件後，神舟八號在慣性作用下繼續前進，與天宮一號輕輕相觸。當感應裝置感受到接觸，飛船尾部4台發動機隨即點火，“捕獲”後旋即關機，緊接著，緩衝、校正、拉近、拉緊、鎖死等一系列動作就會相繼展開，上千個齒輪和軸承同步動作，飛船和天宮用大約15分鐘的時間組成了剛性連接的組合體。神舟八號和天宮一號的對接機構是迄今為止中國最複雜的空間機構，有數百個軸承齒輪和上萬個零部件。兩個航天器形成組合體運行結束飛船準備返回時，分離也是一個重要關口。如果分不開，航天員就無法返回地球。

　　對接機構上的12把結構鎖，每個鎖的拉力都是數噸級。為保分離採取了4重備份。飛船鎖鉤自動解鎖失效，則由天宮鎖鉤解鎖，如果仍然不行，則先用火工品炸斷飛船鎖鉤，仍然無效，最後的選擇就是把天宮的鎖鉤炸毀，萬一發展到這一步，天宮的對接機構永遠失效，將無法迎接下一艘飛船。鎖緊機構依次解開後，兩個對稱的彈簧提供了初始推力，飛船離天宮慢慢變遠，直至撤至安全距離，飛船發動機點火，加速離開。飛船返回艙返回地球後，交會對接試驗至此完成。