天舟一號與天宮二號交會對接 星際鏈路支撐天基測控

近日，中國首艘貨運飛船天舟一號實現了與天宮二號空間實驗室的快速交會對接，把對接時間縮短至6.5小時。對接完成後，天舟一號對天宮二號成功完成了第三次推進劑在軌補加試驗，並與後者分離。9月22日18時左右，天舟一號在完成空間實驗室階段任務及後續拓展試驗後受控離軌，再入大氣層。在測控通信系統的精確控制和密切監視下，天舟一號經兩次制動，軌道高度不斷下降，最後進入大氣層燒燬。

3次“加油”萬無一失

我國載人航天工程實施“三步走”發展戰略，第一步為載人飛船階段，第二步為空間實驗室階段，第三步為空間站階段。天舟一號貨運飛船任務是實現第二步戰略的收官之戰，驗證空間補給技術，即推進劑在軌補加技術，俗稱“太空加油”，為後續空間站階段奠定堅實基礎。

2017年4月23日07時26分，也就是天舟一號發射升空約3天之後，中國載人航天工程迎來歷史性時刻：推進劑在軌補加試驗。此前，天舟一號關閉交會對接設備，進行對接通道復壓和檢漏，以及設置組合體運行狀態，並由天宮二號控制組合體轉入天宮二號在後、天舟一號在前的飛行姿態，做好推進劑補加試驗相關準備工作。在軌補加試驗開始後，北京航天飛行控制中心指揮大廳的屏幕上顯示和記錄着相關進程，天舟一號和天宮二號實施推進劑補加的一條條管路、一個個閥門、一個個參數以及用不同顏色標識的貯箱等圖形元素都在上面清晰呈現出來。經過近5天努力，4月27日19時許，首次推進劑在軌補加試驗完成。中國載人航天工程總指揮向外界宣佈：天舟一號飛行任務取得圓滿成功。這標誌着中國突破和掌握推進劑在軌補加技術，填補了在航天領域的空白，為後續空間站建設和長期運營掃清了能源供給上的障礙。

6月15日18時28分，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室順利完成第二次推進劑在軌補加試驗，進一步驗證了這一關鍵技術的可靠性。本次補加試驗，旨在鞏固首次補加試驗取得的技術成果，主要完成了浮動斷接器插合、管路檢漏、燃料貯箱補加、氧化劑貯箱補加、浮動斷接器分離和狀態恢復等工作，整個過程歷時約2天。先後進行了補加管路檢漏、天宮二號貯箱氣體回收、推進劑輸送、推進劑吹除等關鍵步驟。在地面操作人員精確控制下，整個在軌補加過程由天舟一號與天宮二號共同配合完成，其中，天舟一號負責貯箱增壓、補加管路檢漏，並向天宮二號輸送推進劑；天宮二號負責貯箱氣體回收，並接收貨運飛船輸送推進劑。9月16日20時17分，天舟一號與天宮二號順利完成第三次推進劑在軌補加試驗，進一步鞏固相關技術成果。本次補加試驗中，天舟一號根據推進劑使用量動態評估結果與天宮二號後續任務需求，採取只為一組貯箱補加的策略，補加推進劑共約250公斤，再次重複和驗證了浮動斷接器插合、管路檢漏等關鍵工作步驟，整個補加流程歷時約3天。

交會對接進入新境界

除了實現太空加油，突破在軌補加技術之外，繼續驗證空間交會對接技術並實現快速交會對接技術的突破是天舟一號另一項重要使命。實際上，天舟一號作為貨運飛船，要完成給天宮二號空間實驗室在軌補加推進劑，必須首先實現與後者的空間交會對接。

對於中國載人航天來説，空間交會對接已經不是一個新鮮事物。早在2011年，神舟八號與天宮一號就成功實現了被稱作“太空穿針引線”的超高難度動作，一舉實現了在此領域的突破，使中國成為世界上第三個掌握空間交會對接技術的國家。之後，神舟九號、十號與天宮一號，神舟十一號與天宮二號接連進行了多次空間交會對接，包括自動和手動兩種不同方式。然而，需要指出的是，這些空間交會對接是目前國際上傳統主流的方式，其特點是速度相對較慢，一般耗時2-3天。近年來，快速空間交會對接開始被採用。從2012年起，俄羅斯用這種方式，在約6個小時實現飛船與國際空間站的交會對接。

追求交會對接的高速、高效具有重要價值。天舟一號貨運飛船副總設計師張強説，速度快就意味着用時短，就可以大幅縮短航天員在飛船狹小空間中滯留的時間，減少其不必要的體力與精力付出。同時，快速交會對接還可保障科研用品，特別是生物製劑等無法經歷長期運輸的貨品儘快送達，更好滿足時效性要求。快速交會對接在緊急情況下為救援搶修贏得寶貴的時間。空間站等航天器在太空運行中，如果遭遇突如其來的風險或者故障，必須進行緊急處置，而快速交會對接就可以助力其高效開展故障排除與緊急救援等工作。

在交會對接方面，天舟一號被賦予了重任，一方面，繼續印證傳統交會對接技術，另一方面開展快速交會對接試驗，實現新突破。天舟一號不辱使命，表現優異。4月22日12時16分，天舟一號與天宮二號對接環接觸，順利完成一系列技術動作後，對接機構鎖緊，兩個飛行器建立剛性連接，形成組合體，首次對接圓滿結束。6月19日4時55分，天舟一號在完成繞飛試驗後，與天宮二號再次交會對接成功，鞏固了航天器多方位空間交會技術。9月12日17時24分，天舟一號根據地面指令，轉入自主快速交會對接模式，經歷“遠距離自主導引”和“近距離自主控制”兩個階段實施，在相關導航設備的精準控制下，完成與天宮二號交會，整個過程歷時約6.5小時，達到預定目標。中國空間交會對接進入“6.5小時”新境界。

星際鏈路支撐天基測控

無論是實現“太空加油”，還是快速空間交會對接技術突破，天舟一號令人驚豔的表現背後是精準測控技術。值得注意的是，與以往載人航天任務實施不同，天舟一號測控實現了歷史性飛躍，是第一次以天基測控體制為主進行的飛行控制。

航天測控系統是指對運行中的航天器進行跟蹤、測量和控制的大型電子系統，其對於航天任務實施的重要性不言而喻。就此，天舟一號貨運飛船測控與通信分系統副主任設計師朱珂打了個比方。他説，如果把航天器比作飛在太空的風箏，那麼測控系統就像是掌控着這根連接風箏和地面的線。以往，中國的航天測控主要依賴陸基測控站和海基測量船進行，這不僅需要耗費大量人力物力建造、維護地面測控站和海上測量船，而且相關人員還要奔波在各個站點之間開展相關試驗，效率較低。同時，還要受到跨國、跨境等地域限制，測控覆蓋範圍相對較小。

天舟一號首次採用了以“天基測控”體制為主的測控方式，也就是説，其測控不再主要依賴傳統的陸基和海基方式，而是天基測控為主體，再輔之以傳統方式。而所謂“天基測控”，朱珂介紹説，就是通過中繼衞星轉發來實現與地面的測控通信。

然而，實現測控方式的飛躍並不容易，不僅天舟一號自身要裝備相關終端設備，而且要藉助中繼衞星建立星間鏈路。實際上，中繼衞星是天基測控的基石。從2008年開始，中國致力於打造屬於自己的中繼衞星。當年4月，中繼衞星天鏈一號首顆星發射入軌，中國航天器開始擁有天上數據“中轉站”。在此後約8年間，中國接連又發射了3顆“天鏈一號”星，這樣由天鏈一號4顆星實現全球組網運行。天舟一號發射成功後，其中繼終端在第一時間開機，與中繼衞星實現“太空握手”，建立星間鏈路。藉助天鏈一號中繼衞星，天基為主的測控通信體系構築完成，實現天舟一號與天宮二號交會對接、推進劑補加等關鍵事件的全程跟蹤測控，既方便了對在軌設備狀態的及時監測，又減少了對陸地測控站和海洋測量船的依賴，這為中國後續空間站的長期運行開創了經濟高效的道路。

在朱珂看來，星際鏈路不僅提高了航天測控的覆蓋率，提高了效率，而且還大大提高了航天器通信速度。他通過數據對比，認為可以把遙測速度提高至原來的5倍。這樣，更有利於對這些數據進行監視，更全面地掌握航天器的工作狀態。通信速度提高最直觀的表現就是太空寬帶的應用。人們還記得，2016年的天宮二號與神舟十一號飛行任務中，航天員在太空生活裏即時觀看《新聞聯播》，收發郵件，與家人視頻通話，這些就得益於天鏈一號中繼衞星系統。

天舟一號為中國空間站研製建設和運營管理積累了重要經驗。如今，它已圓滿完成“快遞”任務，光榮謝幕。