王翔：空間站，開始了_風聞

來源：中國航天科技集團

中國航天報獨家對話“兩總”系列報道

2022年底，中國空間站全面建成。中國航天科技集團有限公司承擔了中國載人航天工程十四大系統中八大系統的研製任務，成功突破掌握了一系列關鍵核心技術，創下重大飛行任務27戰27捷的輝煌戰績。 

值此習近平總書記給中國航天科技集團空間站建造青年團隊回信一週年、到中國航天科技集團參加主題團日活動十週年之際，我們特別推出航天科技集團承擔的七大系統“兩總”口述內容，聽他們講述中國空間站的建造過程。

本期我們關注空間站系統總指揮王翔的口述文章《王翔：空間站，開始了》。

/王 翔/

空間站系統總指揮

“一橫一豎”，十年的苦功。空間站建成，説明我們的系統工程實踐向前跨了一大步，這是我最引以為榮的。大家都很開心，我也是，但感受還不太一樣。這是新的開始，我們要做的事還有很多，好戲在後頭。我很期待這座由中國人設計並主導、向世界開放的空間站，在運營中充分體現載人航天的價值。

是目標，也是開始

“我們從一開始就要照着‘可更新、可擴展、可開放’的目標來設計它。”

《載人空間站工程實施方案》2010年獲批，載人航天“三步走”戰略中的“第三步”拉開序幕，也就是神舟八號飛船發射的前一年。在那之前，“第二步”的飛行任務主要是在做突破性、驗證性工作。像航天員出艙，是證明人具備在天上工作的能力，因為空間站需要航天員長期駐留。而空間站的組裝、建造和長期飛行，又要靠交會對接來實現，先得把多個艙段拼成整體。這是建造空間站前要掌握的兩個“大技術”。再往前，“第一步”更是基礎的基礎，保證人在天上能生存，能安全返回。“第一步”和“第二步”都是在為“第三步”做驗證和鋪墊。

所以從廣義上講，建造空間站的時間跨度遠不止這12年。我們的副總設計師劉剛過去30年都在幹載人航天，從分系統崗位幹到總體崗位。這種“老資歷”對團隊的幫助是很大的。我2003年才進入航天科技集團五院工作，第一個從頭到尾參與研製的項目就是交會對接（神舟八號）任務。

中國在實現了飛船安全飛行、航天員安全出艙安全返回後，接下來就是要掌握交會對接技術。當時的規劃是先用一艘無人船（神舟八號）驗證一遍，後面兩艘船再上人。三艘船有主備份關係，如果神舟八號的任務沒完成好，神舟九號就繼續驗證無人交會對接技術，神舟十號再上人。因為神舟八號和天宮一號的交會對接任務完成得很好，所以神舟九號就進一步驗證了有人交會對接技術，神舟十號則實現了首次應用性飛行，有了第一次太空授課。這些都是環環相扣的。天宮二號也是天宮一號的備份，開始叫“天宮一備”，後來作為空間實驗室首發的天宮一號飛得很好，它就又承擔了新的任務。

建成空間站是“第三步”的目標，但又是一個開始。載人航天工程即將進入應用與發展階段，考慮到空間站要長期運營，我們從一開始就要照着“可更新、可擴展、可開放”的目標來設計它。

▲ 王翔（左二）與同事進行交流

空間站會“變形”

“未來它會像一個工業區，不僅工程師、科學家能來，外面的企業、機構也可以。”

其實我們有3座空間站。按照工程總體賦予的任務，五院成立載人航天器運營支持中心（八院成立分中心），裏面有一座與天上空間站1：1鏡像的數字空間站，可以進行仿真驗證、數字推演。還有一座測試用的電性空間站，軟硬件和天上的一模一樣，由三艙的初樣產品改造而成，能和天上航天員視頻連線並同步模擬系統工作與在軌活動。堅持“1+1=1”設計理念的空間站作為一個可更新、可擴展、可開放的系統，運營起來一定是動態的，所以我們非常需要這種天地協同。

以後，站上的硬件設備壞了能修，到壽命了能換。軟件也沒問題，信息技術發展日新月異，天地同步更新不在話下。許多人關心空間站會如何擴展。“T”字基本構型建成後，可以在前向對接新艙段形成“十”字構型，新艙段上帶有節點艙，增加4個對接口和1個出艙口，既可以為巡天望遠鏡這一級別的航天器進行補給、維護、服務保障，還可以對接艙段級的“大塊頭”科學載荷。現在我們送上天的實驗項目都是基於機櫃一級的載荷，量級小。像柔性充氣艙這種艙段級的實驗項目，就需要有專門的對接口和足夠的資源來保障。值得期待的還有很多，新一代可重複使用的載人飛船服役後，一次可以運6~7個人到空間站，還可以帶很多東西回來。

不管是“十”字還是“幹”字構型，想象空間巨大，與帶人工重力的航天器甚至另外一個空間站對接在理論上也是可行的。有了這種擴展能力，開放合作就可以上升到更高的層次。目前空間站上的國際合作還停留在外國來做實驗階段，有了新的對接口後，國外的飛船或艙段可以過來，空間站的功能就擴展了。大家還可以聯合研製新技術，比如我們的國外同行正在研究新一代對接機構，如果用中國空間站作為試驗驗證平台，雙方會有很多交流和收穫，這些都可以算進空間站費效比的賬裏。未來它會像一個工業區，不僅工程師、科學家能來，外面的企業、機構也可以。我們把水電氣網這些資源保障好，“廠房”和設備一應俱全，大家可以開展深層次項目合作。

現在空間站上資源有限，主要還是用來保障整個平台可靠、安全、長壽命運行。

雖然上了很多冗餘備份來保證可靠性，但要解釋的是，這些冗餘備份一定是有效的、經濟的，很少有“死冗餘”“呆冗餘”。在三艙組合後，冗餘可以共用，這也是“1+1=1”設計理念的體現。核心艙就是個單艙空間站，雖然載荷支持功能不如實驗艙，但平台配置絕對是“高配”，光控制系統的星敏感器就有4個，保證各個方向的星星都能“看見”。實驗艙上的星敏感器隨之就少了，三艙總線一併網，大家共用。再比如貨運飛船上的中繼終端，也可以為三艙服務。

我們正在開展第四個艙段的方案論證和先期設計，以後會將更多精力用在為航天員提供更多活動空間、增加人性化設計、提升用户體驗上。

比如，儀器儀表還可以設計得更有科技美感和更適於隨身穿戴。再比如，操縱桿為什麼不能更符合人體工學、功能更強大點呢？總之，資源夠了，發揮的空間就大了。

▲ 空間站問天實驗艙發射場試驗隊合影

“未知”和“已知”

“ ‘已知’和‘未知’是天壤之別。但我們造空間站，光有定性的‘已知’還不足以真正解決工程問題，得足夠準確地量化‘已知’才行。”

空間站的好戲還在後頭，我們過去所做的一切就是儘可能把基礎打牢，把平台、結構、能源、信息、控制、生命保障等功能做到令人放心，同時又賦予其足夠的擴展能力和適應能力。

要做到令人放心並不容易，在這個過程中遇到了不少問題，講兩類有代表性的。

第一類跟長壽命長週期長時間有關。一些材料在載人航天一期、二期工程中表現很好，卻在三期工程研製中出問題。這跟我們對材料特性的瞭解、對關鍵風險點的識別不夠有關係，導致做長壽命試驗時未能抵近極限。還有工藝的問題。我們在小尺寸材料上做防原子氧的處置可以做得很漂亮，有很多新方法新技術，在某些大尺寸材料上做就有瑕疵。另外，對一些成熟工藝做了改進，帶來的蝴蝶效應要很長時間才顯現。

第二類問題的源頭是地面沒法完全真實地模擬某些空間環境。誰都知道要用好地面仿真手段，可對仿真對象的瞭解不夠深，模型就做不準。我們自認為地面驗證情況已經與微重力環境比較近似了。例如液體收集管理，我們在試驗中關注收集率，比如説達到了99%，指標很好了，但這個結果很可能是在地面重力的幫忙下達到的。實際在天上即使達到了98%，好像與地面試驗只差1%，但殘留量就多了一倍。殘留的總量不大，日積月累也會給我們帶來麻煩。

“已知”和“未知”是天壤之別。但我們造空間站，光有定性的“已知”還不足以真正解決工程問題，得足夠準確地量化“已知”才行。航天人老講“識別關鍵技術進行攻關”，這些攻關最大的特點或者難點就在於你不光要攻技術原理，還得把工程實現的全過程走通，把每個產品都做到家，把各種狀態都摸透，最後有一套手段“控制住”。

是不是很難？這就是我們每天經歷的，也是工程從構想、藍圖到最終實現所必需的。

從識別“未知”到量化“已知”，我們主要還是通過各種分析驗證，做一些有針對性的地面試驗。來自天上的數據反饋能助上一臂之力，甚至直接決定了我們的成敗。

實驗艙上碩大的太陽翼可以像大風車一樣360°轉動，看上去很酷，給它做試驗就經歷了這麼一個過程。

這個太陽翼尺寸特別大，單側長27米，展開面積138平方米，它在天上展開後會怎麼振動是未知的。太陽翼連同伸展機構那麼大一片，在地面展開的話，沒辦法做1：1的動力學特性驗證，我們最大的真空罐也就能放下實驗艙（不到20米高）。我們只能從局部入手，對伸展機構做單獨的動力學特性驗證，再通過仿真、數值補償等辦法去推出完整的動力學特性，但總是不放心。

這時候天上的核心艙就起作用了。艙上帶了一套辨識系統，通過監測核心艙太陽翼在天上的振動、擾動，測出振動頻率。

“正問題”是知道振動頻率，去預測怎麼振動。現在是在天上看怎麼振動，再反推出振動頻率，研究它的動力學特性。我們把這叫“反問題”，通過表徵反推本質。

有了核心艙的數據反饋，眼見為實了，我們在實驗艙上天前把它的太陽翼控制參數、仿真模型參數都修正了一遍，心裏才踏實。

▲ 空間站團隊與運載火箭、發射場團隊在一起

核心艙單飛那一年

“為什麼管天和核心艙單飛那一年叫空間站關鍵技術驗證階段？”

剛才説的這種反饋，在核心艙在軌期間是持續不斷進行的，涉及面大到航天器的設計狀態、控制模型，小到航天員生活工作上不方便的地方。為什麼管天和核心艙單飛那一年叫空間站關鍵技術驗證階段？因為建造空間站的7大關鍵技術要在天上驗證，包括空間站推進劑補加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅動機構、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修。

像艙外操作和在軌維修都會用到的機械臂，就需要在天上充分驗證。載人航天工程總設計師周建平説過一句話：沒有機械臂，我們的空間站就是個和平號，有了機械臂才能跟國際空間站媲美。機械臂能把航天員在天上的操作能力擴展、提升一個量級。空間站配備了大小兩個機械臂，設備搬運和大範圍轉移工作不在話下。重活和精細活都能幹，組合在一起又是個“1+1=1”的案例。

再生生保技術也很典型，既受微重力環境影響，又有時間效應。有很多液體的處理，包括水處理、尿處理、電解制氧等，這些在微重力環境下的表現跟地面不一樣。這套自我循環系統又需要足夠長的時間才能建立起物質平衡，這也是航天員要在天上待夠幾個月的原因。不突破這項技術，就得頻繁地給航天員送補給，成本非常大。

空間站關鍵技術驗證階段之後就是建造階段。該驗證的驗證了，該考核的考核了，我們對核心艙足以承擔10~15年飛行任務充滿信心了，才放心往下走。這幾年，我們一邊在地面研製艙段，一邊在天上做技術驗證，還一邊把空間站設置成長期運行的模式，三線並進。

2021年神舟十二號飛行乘組進入核心艙後，把該開的設備開起來，該運行的運行起來，該循環的循環起來，讓它變成真正的載人空間站，和我們買到新手機後從出廠模式調成個性化使用模式差不多。神舟十三號和神舟十四號飛行乘組又進行了一些艙外操作驗證，實際上也是完成對空間站上機電產品、有流體迴路的產品的設置。航天員還可以遙控貨運飛船與空間站對接，這個以後也可能用到。

説起航天員遙控操作，很多科幻作品裏都有這樣的畫面：人在駕駛台上一頓操作猛如虎，航天器在太空中閃轉騰挪。那空間站姿態偏移或失控，航天員也能這麼幹嗎？還是有很大區別的。人在空間站裏適合做一些大狀態的判斷、切換、處置，對軌道空間運動的感知能力遠不如地面計算機。手動交會對接中，兩器最後相距100米時才讓人介入控制，就是因為那時的操作基本上是六自由度控制，跟人在地面的運動感知一致。如果飛行器還處在按軌道規律飛行的階段，人是沒有這種感知能力的。

▲ 中國空間站核心艙樣貌

“T”字構型是設計出的最優解

“它是‘設計’出來的最優解，凝聚了我們在特定約束條件下創造最大價值的智慧。”

從2010年空間站立項開始，先後有十幾種構型佈局方案擺在桌面上。

太多了，大家花了一兩年討論這個事。首先構型必須有理有據，既要考慮到每個方案的優勢，又要跟實際的工程能力結合，還不能太保守——全用現成的技術，等建好就落伍了。之所以討論那麼久，因為它從根兒上決定了空間站功能性能的天花板。

一般來説，航天器構型要滿足三大原則：適配天地環境，滿足功能性能要求，保障重要設備在軌工作。空間站作為一個多艙段航天器組合體，特有的建造方式又讓三大原則更復雜。

舉個例子，有些設備在單艙段單飛時表現完美，但進入組合體狀態後就很受影響。像蘇聯和平號空間站組合體的太陽帆板因為相互遮擋，一共損失了40%的發電能力。我們當時也面臨抉擇。選“T”字構型，是為了獲得最大發電效率，可以在“T”字一橫的兩頭採用雙自由度太陽翼，但當時我們並不掌握這項技術，這是要下很大決心的。不選雙自由度方案，就得多布幾個單自由度的太陽翼並保證都曬到太陽，發電能力才夠用。布在哪、怎麼布，這勢必又會反過來影響到構型方案。

“T”字構型在對稱關係中保持着前、後、下三向對接的能力。後向對接貨運飛船，空間站可以直接用貨運飛船發動機進行軌道機動；前向、徑向兩個對接口可以接納兩艘載人飛船實現輪換，而且兩個對接口都在軌道平面內，飛船可以在軌道面內沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接，無需對接後再轉位。簡潔不僅是美的，更是安全的。

最後我們選了“T”字構型，它是“設計”出來的最優解，凝聚了我們在特定約束條件下創造最大價值的智慧。

“T”字構型不是“完成時”，而是“進行時”。所以在方案論證階段，我們就要做大量的前瞻性規劃，確保在10年後、15年後這個空間站還是相當靠譜的。整個航天科技集團、全國航天領域的專家都在幫我們做這件事，儘可能避免走到半路才發現自己跟不上趨勢；也不能一下把目標定太高，最後死活實現不了。曾經有一些局部方案走到半路往後退，但總體來説我們對技術的把握還是相當到位的，沒有出現大的偏差。

系統工程與團隊協作

“最後每個人想的都是傾盡所有去成全整個大系統。”

空間站的設計空前複雜，系統多、接口多、狀態多，組織體系和設計體系比較特殊。五院和八院都分別抓總研製了實驗艙段，艙段上各分系統由眾多不同單位負責。每一個艙段的研製難度超過了很多航天器，自身是一個獨立系統，又要融入到整個大系統裏，所以協調、均衡和優化工作特別多。我的腦子裏時刻都在想各系統之間相互會產生什麼影響。要做“系統決策”，就得從空間站大系統的視角來看問題，而不是站在某一方立場上。

在我們這個團隊裏，不管哪個崗位，哪怕就是做些很瑣碎事情的人，遇到多少麻煩、受到什麼樣的環境影響，都是反反覆覆地磨。10多年了，大家一路這麼走過來，對這個事業是有感情有期待的。

團隊的大局觀和協作精神很了不起。做一次對接轉位試驗，十幾家單位的人都得搬着設備趕去上海，而到了AIT階段全系統的隊伍都集中到天津，大家都非常配合。各單位聯合設計時，所有人都非常坦誠——“我的性能是什麼，我的參數是什麼”，最後把模型交給總體單位。為了同一個期待，大家都毫無保留地貢獻自己。

實驗艙太陽翼採用二次展開方案，先展開6米多，發電量夠用，只為給控制系統創造好的條件，保證對接精度。對接成功後，太陽翼再全部展開。

你説太陽翼的研製方拿到這個方案能不犯難嗎，結構機構的複雜性要增加、重量要增加、可靠性受影響……但最後每個人想的都是傾盡所有去成全整個大系統。

總體也要通盤考慮做取捨，不能片面追求個別指標導致某個方向技術難度過大，甚至對整個系統產生影響。比如在太陽翼方案上，總體綜合了功耗需求和各方情況，通過餘量共享來降低對發電能力的要求，進而減小了帆板尺寸。

空間站系統與載人飛船系統、貨運飛船系統、長征五號B運載火箭系統、發射場系統和測控系統等的協作配合也是如此。有些技術飛船系統已經用了很久，非常成熟了，要改的話波及面很廣，但空間站是新研製的，可以去適應，麻煩一次沒什麼。此外，我們也希望火箭發射重量越大越好，箭艙分離時的衝擊力越小越好，但火箭可靠性要求擺在那兒，雙方就都努努力，各自優化改進設計，合作愉快。

空間站艙段發射對入軌精度要求高，發射窗口有限制，發射場和火箭系統也一直在給我們創造好的交會對接條件，測控系統不斷加強和優化陸海天基測控資源。航天是“千人一枚箭、萬人一杆槍”的事業，沒這精神，這麼多人、單位、系統就捏不到一起。

面對內外接口和協同方面的問題，團隊裏難免出現焦慮和不理解的情緒。我作為總指揮，更願意從技術角度與自己的團隊溝通，並引導他們也從技術角度與外系統溝通。技術是客觀的，也是最好的調和劑，大家一起冷靜找出問題所在、分析問題影響，情緒就慢慢化解了。