2011年11月3日凌晨1时36分，神舟八号飞船和天宫一号目标飞行器依靠交会测量设备的引导，利用对接机构，在距地面343公里的轨道上首次交会对接试验获得成功，实现了两个航天器的刚性连接，形成组合体。“天神”组合体飞行12天左右后，进行第二次交会对接试验，进一步考核对接机构的重复使用性能，以及交会对测量设备在不同空间环境下的性能。任务完成以后，神舟八号宇宙飞船将于2011年11月17日返回地面。
正是由于进行了充分的技术准备工作，制定了科学的交会对接方案，以及对各系统实施了精确无误的操作，天宫一号与神舟八号的交会对接任务才获圆满成功，对接过程也堪称完美。我国首次空间交会对接任务的飞行过程分为远距离导引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段、再度对接和分离撤离段。
通过远距离导引，神舟八号经过5次变轨，就从初始轨道转移到与天宫一号共面的330公里近圆轨道。在天宫一号飞行第539圈、神舟八号飞行第28圈时，神舟八号位于天宫一号后下方约52公里处，与天宫一号建立稳定的空空通信链路，并开始自主导航。
自主控制段细分为3个阶段，即从52公里到5公里的寻的段、从5公里到140米的接近段以及从140米到与对接机构接触的平移靠拢段。为了保证准确对接，中间设立了4个停泊点，即进行4次“刹车”，它们分别是5公里、400米、140米和30米。
神州八号的自主控制段的3个阶段
设置4个停泊点是为了降低风险。每一个停泊点的设置都为判断两个飞行器的运行状况留出了时间，只有一切正常才往下一步走，这样可以最大限度地降低风险。它既是为了切换敏感器和控制模式，进行例行“体检”，把轨道调整到理想位置，也是控制上的可靠性备份措施，合格方能“放行”。一旦出现问题，神舟八号可以通过地面控制撤离到上一个停泊点等待故障处置。因此，4个停泊点就像是轮船入港前的锚地。走一段停一停，一方面可以避免走得太快发生碰撞，另一方面也提供了处置突发故障的时间。如果在某一阶段出了问题，可以退回上一停泊点，解决后继续按原计划向天宫一号慢慢靠近。
由于空间技术成熟，俄罗斯现在已经没有这样复杂的过程，美国在对接时虽然也有停泊过程，但也不像我们有这么多环节。由于是中国航天首次实施交会对接任务，航天专家们还是希望更加稳妥，首先要确保两个飞行器的安全。
最终，神舟八号以0.2米/秒的速度驶出30米停泊点，与天宫一号对接机构接触，平移靠拢段结束，神舟八号自主控制段也结束，转入对接段。
从相距52公里直至交会对接，作用距离较远的微波雷达率先工作；进入20公里后，精度较高的激光雷达开始工作；进入100米时，使用更加精确的CCD光学敏感器。这3台交会对接测量设备，完全由我国自主研制。
通过位置精度控制和交会测量设备状态确认，神舟八号和天宫一号在我国甘肃、陕西上空在8分钟内完成了捕获、缓冲、拉近和锁紧4个过程，神舟八号对接口上的4只插座与天宫一号对接口上4只电连接器对接上后，于北京时间11月3日01时36分实现了刚性连接，形成组合体，交会对接圆满完成。
不过，实际过程很复杂。据专家介绍，当神舟八号和天宫一号相距仅几十厘米时，它们的速度、位置、姿态、偏差等11个参数满足对接的初始条件后，神舟八号在惯性作用下继续前进，与天宫一号轻轻相触。当感应装置感受到接触，飞船尾部4台发动机随即点火，“捕获”后旋即关机，紧接着相继展开缓冲、校正、拉近、拉紧、锁死等一系列动作，有上千个齿轮和轴承同步动作，从而组成了刚性连接的组合体。在这个过程中，既要防止“牵不上手”，又要防止“追尾事故”，神舟八号和天宫一号的相对速度需控制在0.2米/秒。
天宫一号与神舟8号合体在轨模拟图
从接触到最后的锁紧仅用了8分钟，比原计划缩短了7分钟。神舟八号和天宫一号实现刚性连接后，通过制动控制系统，接通两个航天器的电气液路通道，进行信息和能源并网。
第一次对接的整个过程正好处于夜间，即太阳光无法照射的阴影区，肉眼很难看到，只能通过专业手段进行观测。这是由于在地面无法完全模拟太空中的阳光强度，为避免强光对测量设备的干扰，所以首次交会对接在地球阴影区进行。
组合体飞行12天后进行的第二次交会对接试验选择在光照区进行，这是为了充分验证测量设备的抗干扰能力。在无光照的情况下，可以通过神舟八号自带的光源引导天宫一号对接。在光照的情况下神舟八号对接可以通过CCD光学敏感器导航实现引导。这样对接可以在全天候情况下进行，无论飞船在什么样的位置上都可以对接。
第一次对接和将要进行的第二次对接，都在我国甘肃、陕西上空进行，原因是甘肃、陕西两地的地面测控站分布比较密集，属于搭界弧段，可实现测控全可见。同时，甘肃、陕西两地又处于天链1号01星和02星的覆盖地段，能够保证神舟八号和天宫一号从相距140米的停泊点，到最终的靠拢锁紧阶段，整个过程都在我国观测范围内。这样一旦出现紧急情况，能够及时进行测控，第一时间进行处理，从而保证各类操控的可靠性。
连接后的组合体由天宫一号负责飞行控制，神舟八号处于停靠状态，但如果出现故障，神舟八号则可以立即进行“替补”。组合体内部环境的统一控制是未来载人空间站运行的重要技术。虽然因无人参与，这次试验对大气环境不进行验证，但两个飞行器之间的通道是否畅通至关重要。
组合体飞行几个小时后，进行了180°转身。转身完成后，神舟八号跑到了前面，因为处于停靠状态，发动机不再工作，以节省能源，完全靠天宫一号在身后“发号施令”。
此后，进行组合体飞行和控制试验，难度也很大。第一，两个航天器对接后变成一个质量和体积都非常大的柔性结构，这在姿态和轨道控制上有很大难度。第二，对接后神舟八号处于停靠状态，飞船上的一些对于组合体飞行不必要的设备都处于关机和休眠状态，只有保证自身平台运转和保证热控需要的设备在运行。
组合体飞行12天左右，将进行第二次交会对接试验。其主要过程为：组合体再转身180°，然后对接机构解锁，两个飞行器分离，神舟八号飞船撤离至与天宫一号相距140米处停泊，按程序进行第二次交会对接，再次构成组合体。其目的是再次验证交会对接技术及对接机构等部件工作的可靠性与稳定性，进一步考核对接机构的重复使用性能，为未来的神舟九号、神舟十号载人打基础。
天宫一号与神舟八号组合体继续飞行两天后，进入分离撤离段，两个飞行器再次分离。分离后神舟八号缓缓转身180°，从而与天宫一号行驶方向一致，同时加速飞行。神舟八号撤离至与天宫一号相距5公里以外的安全距离，交会对接试验结束。此后，神舟八号飞船返回舱返回内蒙古主着陆场。
天宫一号与神舟八号交会对接任务全过程
神舟八号撤离返回后，地面控制中心会对天宫一号进行两次变轨，将其从343公里的对接轨道抬升到约380公里的自主飞行长期管理轨道，等待下一次交会对接。380公里这个高度是根据2012年将要发射神舟九号的发射窗口计算得出的，届时，天宫一号将通过自然衰减把轨道高度降到约343公里。
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