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从1999年第一艘飞船飞上太空到天宫一号发射，12年间，中国的载人航天工程已迈向建造空间站这一多年前确定的目标。作为中国空间实验室的雏形，天宫一号的成功发射为我国完成首次空间交会对接试验开了个好头。这意味着我国载人航天工程，继掌握载人天地往返技术、航天员空间出舱活动技术后，又将有新的突破。

2011年9月29日21时16分03秒，我国长征二号FT1运载火箭携带天宫一号目标飞行器升空。21时25分45秒，天宫一号准确进入近地点200公里、远地点346公里、倾角42.7°的预定轨道。9月30日1时58分，天宫一号在轨运行至第4圈时实施了第1次变轨，将远地点高度由346公里提升到355公里。9月30日16时09分，天宫一号在轨运行至第13圈时实施了第2次变轨，将近地点高度由200公里提升至约362公里。

经过这两次变轨，天宫一号已从入轨时的椭圆轨道进入近圆轨道，为后续进入交会对接轨道奠定了基础。预计在神舟八号发射时，天宫一号的轨道高度将自然降至约343公里的交会对接轨道，从而尽量减少发动机开机，节省燃料。之所以要运行在这样的轨道高度运行，一是因为在这样的高度飞行，阻力较小，轨道维持需要消耗的推进剂也就比较少；二是与地球内辐射带有一定的距离，对航天员的安全也较为有利。这一圆形运行轨道是一条两天回归轨道，也就是说航天器在第1、3、5、7⋯⋯天，每隔一天其飞行轨道就正好经过主着陆场上空，这样就方便了返回时间的选择。

2011年9月29日21时16分，天宫一号用长征二号FT1火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。 （摄影/秦宪安）

目标是空间交会对接

天宫一号重8.6吨，是我国最大、最重的航天器，于酒泉卫星发射中心发射升空，经两次变轨进入高度约355公里的近圆轨道后，要完成飞行器平台和载荷的在轨测试。在发射与之对接的“神舟”飞船前，天宫一号开始降轨调相，等待与“神舟”飞船交会对接。根据任务准备进展情况和发射窗口计算，我国计划在今年11月初发射神舟八号无人飞船，实施我国首次空间无人交会对接试验；2012年分别发射神舟九号和神舟十号飞船，进行无人或载人交会对接试验。

所谓空间交会对接技术，指的是两个航天器在空间预定的轨道上会合，并在结构上连接成一体的技术。此项技术可以用于大型空间设施的建造、运行和维修；可以用于为长期在轨运行的空间设施提供物资补给、人员运输和空间救援；还可以用于登月和深空探索等航天任务。所以，它是完成航天器在轨组装、航天员天地往返、货物运输、燃料补给、空间营救等任务的基础和前提，是建设载人空间站和载人航天发展必须突破和掌握的基本技术。而此次航天器空间交会对接飞行试验，将使我国突破和掌握空间交会对接技术。

作为目标飞行器，与飞船配合完成空间的交会对接是天宫一号的主任务。在对接以后，两个航天器组合体的姿态、轨道的控制，能源、信息、热环境控制，舱内的大气环境统一的控制，包括温度、湿度、舱压、氧气等载人环境，也都由天宫一号来统一完成。天宫一号还将为航天员提供在轨驻留、生活和工作所需的基本条件，以开展空间科学的实验、航天医学实验和再生式生命保障实验。此外，天宫一号的另一项重要任务是进行空间技术试验，为未来空间站的建造进行先期的技术验证。

在神舟八号发射之前，天宫一号要经历4个关键阶段，分别是发射入轨段、变轨控制段、在轨测试段和交会对接准备段。其中第三阶段持续7〜10天。第四阶段是在神舟八号发射之前20天，北京航天飞控中心通过3〜4次轨道控制，对天宫一号进行轨道相位调整，使其进入预定的交会对接轨道，等待神舟八号到来。

在将来的交会对接任务中，天宫一号扮演着一个引导者和指挥管理者的角色，始终掌控着工作进度和进展。当拟与天宫一号对接的追踪飞行器—“神舟”飞船进入预定轨道，并开始搜寻天宫一号的倩影时，天宫一号会向对方提供引导信号，告诉对方“我在这里”，并始终给追踪飞行器提供引导信息。

一旦对接成功，“神舟”飞船将停靠关机，转由天宫一号控制两个飞行器组合体飞行。天宫一号要为“神舟”飞船供电，以补充飞船能源，这同时也是对将来空间站整个能源系统统一调配、统一管理技术进行试验验证。整个组合体的姿态和轨道也都要由天宫一号来统一控制，因而控制质量翻了一番，从轻装上阵到负重前行，无论是指令还是遥测，双方都要重新适应。

在每次组合体飞行任务结束后，天宫一号与“神舟”飞船分离。待“神舟”飞船返回后，天宫一号升轨到高度约370公里的近圆轨道，转入长期在轨运行管理模式，开展空间科学与技术实验，并等待下次交会对接。

天宫一号寿命末期，将在地面控制下主动离轨，陨落在南太平洋无人区，这样既不会成为空间垃圾而影响其他正常工作的航天器，也不会对地面造成危害。

天宫一号出厂前，工作人员为其加装包装箱。

每个设计都独具匠心

天宫一号目标飞行器由实验舱和资源舱组成，与载人飞船的制造成本相当，但可支持多次交会对接，减少发射次数，要进行N次交会对接，发射N+1次即可。它的实验舱可满足3名航天员在舱内工作和生活需要，资源舱则负责提供动力和能源。

在天宫一号实验舱前端安装有通信设备、交会测量设备和对接机构，用于支持与载人飞船实现交会对接，是天宫一号与飞船联通的关键所在。其中，交会测量设备是两个航天器之间进行靠拢的“眼睛”。常用的交会测量设备主要有4种：一是微波雷达，其测量范围从相对距离100公里〜100米，距离小于100米时误差较大；二是激光雷达，其测量范围从相对距离15公里〜10米；三是光学成像敏感器，其测量范围从相对距离100〜3米；四是对接敏感器，其测量范围从相对距离10〜0米。根据上述设备的特点，两个航天器之间为中长距离时使用微波雷达、激光雷达、GPS差分接收机，短距离使用光学成像敏感器和对接敏感器。远场交会测量设备可测量目标飞行器相对追踪飞行器的位置和速度，近场交会测量设备不仅能测量目标飞行器相对追踪飞行器的位置和速度，还能测量航天器之间的相对姿态。

天宫一号与飞船对接后，对接机构可以形成直径0.8米的密封转移通道与密封舱相连。对接机构采用先进的“异体同构周边”式，它如同一口“大锅”，“锅口”直径均为1.5米。“大锅”的内部靠近锅口处竖起3组丝杠，这6根丝杠上顶着一个圆环，圆环上又设有3组钩子。圆环即是对接环，6只钩子为捕获锁，它们加上3组丝杠就是对接机构中的捕获系统。对接机构中有12把锁，每把锁都是用钩子紧紧地拉住，每个钩子可以提供3吨多的力。为了对接时拉力分布均匀、对称，对接机构上间隔排列的6把锁成为一套锁系，两套锁系各由一个电机控制，由它们共同进行对接任务，而实际上只需一套就可完成对接，另一套则作为备份。同样，两套密封圈的设计也是备份，密封圈一旦失效，对接锁也将“唇亡齿寒”。每套密封圈都已经过抗辐射、抗拉、抗压等多种地面测试。分离前，弹簧推开锁钩再打开。该对接机构装有118个传感器，5个控制器，上千个齿轮轴承进行力和运动的传递，通过14个电机和电磁拖动机构进行动作，是数以万计的零件和紧固件组成复杂的、机电一体化的周边式对接机构。

天宫一号的实验舱直径3.35米，包括前锥段、圆柱段和后锥段，是目标飞行器的控制舱，也是航天员的工作舱和生活舱，由密封舱和非密封舱两部分组成。前锥段、圆柱段是密封舱，可保证航天员生存条件，能提供舱压、温湿度、气体成分等航天员的基本生存条件，用于航天员驻留期间在轨生活和工作。后锥段为非密封舱，装有用于对地观测的遥感设备。

实验舱的内部四壁都是机柜，里面全都是设备，如操作台、仪表板、照明设备等。布置完设备以后，中间有一个2.2米高、1.8米宽、长4米的通道，是航天员运动、工作和生活的场所。

天宫一号的人机界面完全是按照载人的状态来设计的，所以在未来的载人飞行中，航天员可以借助仪表控制器应用软件与地面进行短信息编辑和收发电子邮件。如果有重要的文字和图像资料需要在飞行器与地面之间进行交换，航天员能通过电子邮件与地面进行信息交流。而这些界面非常智能，可以直接输入文字，并能添加8兆以内的附件，还能在轨更新软件。

2011年9月30日，天宫一号的环境控制和生命保障系统已经启动，转入自主运行状态，航天员进入“天宫”前将建立载人环境。目前，天宫一号暂不需建立适合航天员工作和生活的环境，因此，维持氧气、温湿度、二氧化碳、压力等指标的系统正在以无人方式运行。虽然我国历经多次“神舟”任务，已积累诸多成熟经验，但天宫一号仍面临巨大挑战，特别是很多产品将要长期耐受温湿度、振动冲击、真空低压、失重等多种特殊环境考验。

天宫一号在航天员第一次进入前，已经无人运行了好几个月，内部的设备、材料会释放微量有害气体，这会对航天员健康不利。为此，设计者们还专门研制出微量有害气体净化装置，采取综合手段对舱内气体高效净化，在航天员进入前，提前开启运行，能强力去除几十种有害气体。在航天员进入目标飞行器之后，代谢的皮屑在空气中以浮尘形式存在，舱内的微生物净化装置能在短时间内对空气进行高效过滤净化，为航天员打造高度洁净的环境。此外，由于航天员呼吸等产生的水汽会引起电器设备受潮短路，天宫一号还配备了冷凝水收集装置，定时自动收集人体代谢产生的水汽。将来技术成熟了，水汽回收后还可以净化饮用。天宫一号装有特殊“太空空调”，如气体流量调节装置、航天服温控调节装置等，它们作为环境控制及生命保护分系统的装置，在航天员的飞行试验中发挥着特殊的作用。

天宫一号的资源舱为直筒构型的非密封舱段，直径为2.25米。它与“神舟”飞船推进舱类似，舱外安装了由一对4块太阳电池板组成的太阳电池翼以及直径约1米的中继卫星天线。太阳电池翼的发电效率高达27%〜28%，与国际先进水平相差无几，以后可用于空间站。它始终跟着太阳转，角度保持在50°〜60°左右，确保有足够的日照来发电。为了能更好地看到太阳电池翼展开，舱外装有小型摄像机。舱内主要装有推进剂贮箱、镍氢蓄电池以及环境控制气瓶等设备，姿态控制系统的6个控制力矩陀螺也装在资源舱，每个力矩陀螺有A4纸的箱子那么大，但重达50多千克。首次应用的低轨长寿命高充放电倍率氢镍电池组拥有自主知识产权。整个电源分系统重量比飞船减轻了40%，一年充放电可达5500次，充放电效能高达70%。尾部和侧壁装有两台490千牛轨控发动机（还有4台150牛备用发动机）和多台姿控发动机等装置，为天宫一号提供能源和动力，进行姿态控制、变轨和制动。

（本文发表于《科学世界》2011年11期）