“萬里穿針”耀太空——中國空間交會對接技術演進紀實

科技日報記者 付毅飛

2025年7月15日，天舟九號貨運飛船在發射約3小時後，與中國空間站後向對接口精準完成交會對接，為航天員送達物資。這一交會對接模式，已成為天舟系列任務的常規操作模式。

空間交會對接技術是載人航天、深空探測等領域的關鍵技術，因空間距離跨度大、控制精度要求高，被形象地喻為“萬里穿針”。長期以來，航天強國均對其核心技術實施嚴密封鎖。

經過三十載艱苦攻關，中國航天科技集團五院502所空間交會對接自主控制創新團隊將我國自主完成“萬里穿針”的願景變為現實，使中國交會對接技術躋身世界前列，保障了載人航天、月球探測等國家重大工程任務順利實施。

從無到有，打破技術封鎖

上世紀80年代，隨着國家863計劃為中國載人航天工程按下啓動鍵，502所老一輩專家敏鋭捕捉到空間交會對接技術的戰略價值。

在毫無基礎的情況下，我國自動化技術奠基者之一楊嘉墀院士在黑板上鄭重寫下“空間智能自主控制”幾個大字，錨定攻關方向。我國著名控制理論與控制工程專家吳宏鑫院士則帶領科研人員，用草紙和算盤逐行推導全係數自適應控制理論，在簡陋的實驗室裏開展技術攻堅。

上世紀末，中國航天科技集團的解永春接過了攻關接力棒，理論與工程應用的銜接成為她和團隊面臨的首要挑戰。

“難點不是不知如何解題，而是連問題都無法精準提出。”解永春回憶着研製初期的艱辛，“我們只能一步步踏踏實實做，核心目標就是兩個字——創新！”

起初，團隊也試圖參考國外所用方程，發現其複雜難懂。“它的座標系定義和咱們都不一樣，看着就費勁。”解永春覺得，與其花大把時間去研究別人的成果，還不如從頭弄一套自己的理論。

她帶着團隊從基本動力學方程開始推導，從圓軌道到橢圓軌道一點點算，又將老一輩專家的軌道動力學和相對運動動力學成果融合進去，成功解決了遠距離導引的基礎問題。為攻克光學敏感器測量精度難題，團隊連續3個月駐守實驗室，反覆調試參數；為突破相對位置和姿態確定技術，他們繪製的工程圖紙堆滿整間辦公室，累計推導公式超萬條……

一次地面仿真試驗中，飛船姿態控制突發振盪。此時，距離神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器首次自動交會對接任務實施僅剩3天。

關鍵時刻，解永春在老師吳宏鑫院士的鼓勵下，將自己博士論文中的“黃金分割係數”理論應用到飛船控制參數設計上，帶領團隊連續72小時不間斷驗證優化，成功化解了危機。

2011年11月3日凌晨1時29分，神舟八號在發射升空後用時不到44小時，與天宮一號成功“牽手”，我國首次實現空間自動交會對接，技術上取得了從無到有的重大突破。

從慢到快，實現自我超越

談及首次自動交會對接任務，中國航天科技集團胡海霞至今仍記憶猶新。在那次任務中，她的主要工作是在交會對接過程中根據飛行情況向航天器注入指令。“這是飛控全程最緊張的環節之一，不能出半點差錯。”她説。

在隨後的2年時間裏，我國又相繼發射神舟九號和神舟十號飛船，與天宮一號開展多次自動與手控交會對接，全面驗證了空間交會對接技術。

但在同期，俄羅斯相繼實現貨運飛船、載人飛船與國際空間站6小時快速交會對接。

“我們不能止步於現有成果，必須持續創新突破！”面對國外技術的迅猛發展和我國的空間站建設需要，神舟十號交會對接任務圓滿完成後，解永春在會上提出了新的想法。團隊迅速投入到以全自主、快速為核心特徵的新技術研究中。

傳統技術途徑中，實現交會對接必須依賴地面遙測遙控的複雜計算過程，這也是任務中最耗時的環節之一。團隊從該環節着手，基於運載火箭入軌條件，提出兼具高適應性與強容錯能力的創新技術方案。他們對算法進行反覆迭代優化，並將計算過程遷移至飛船自主執行，實現遠距離自主快速交會，大幅提升遠距離導引效率。

着眼於空間站建設與運營階段的高頻交會對接任務需求，團隊又對“初始全相位”技術發起攻關，以提高交會對接方案對發射窗口的適應性。

“我們開展了3000餘次模擬試驗，深入剖析200餘種極端工況，讓飛船入軌時無論與空間站相位相差多少，均能在規定時間精準完成對接，大幅提升了我國空間站任務執行的效率與靈活性。”解永春説。

2017年9月，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室首次在軌驗證我國6.5小時全自主快速交會對接技術，與此前相比大幅縮短了交會對接時間，實現了我國在空間交會對接技術上的又一超越。

從好到精，樹起中國“標杆”

從天舟一號到天舟九號，快速交會對接技術攻關的艱辛，讓中國航天科技集團陳長青感觸頗深。

2020年10月，俄羅斯發射的聯盟MS-17載人飛船僅用3小時3分與國際空間站成功對接，樹立了快速交會對接新“標杆”。

當時，中國的6.5小時方案表現成熟穩定，有了這個底氣，解永春認為，總跟着別人做沒意思。她提出了一個大膽的想法：“現有工程條件下，理論上的極限是2小時，我們能不能實現它？”

“直接縮短至2小時，談何容易？”陳長青介紹，此前設計方案中，火箭飛行約10分鐘，遠距離導引階段大概1個半小時，近距離導引到完成對接大約1小時20分。團隊分析論證了各種策略，最終決定，將近距離階段中用於消除遠距離導引偏差的“尋的”步驟去掉，僅此一項可節省40分鐘左右。

“少了這個銜接過程，完成對接的難度一下就上去了。”陳長青説，新方案對火箭發射入軌精度、飛船相位角適應性、遠距離導引精度等的要求，都遠超原本的標準。

為此，團隊開啓了連續的“超長待機”工作模式，在此期間攻克技術難題近百項，對核心設計進行了127輪迭代優化，成功設計出2小時交會對接方案。

2022年11月，天舟五號飛船僅用1小時57分，就與中國空間站組合體完成交會對接，創造了新的世界紀錄。

“我們嘗試過一次後發現，2小時方案雖然快，‘性價比’卻不高。”陳長青解釋，該方案不僅對火箭的要求高，還會增加不少飛船的燃料消耗。

這一次，團隊不再一味追求速度，而是選擇在已有的6.5小時和2小時方案基礎上，重新設計一個3小時方案。陳長青介紹，這個方案兼顧了效率與可靠性，在天舟七號、八號、九號任務中成功實施，並將在今後一段時期的天舟系列任務中持續沿用。

如今，我國已在地球軌道和月球軌道上實施的37次交會對接任務全部圓滿成功，實現交會對接技術從無到有、從“地面支持”到“全自主”、從“單任務”到“多模式”的跨越式發展，樹立起中國人自己的標杆。展望未來，解永春信心滿懷：“我們將向載人登月、深空探測等更高目標邁進，不斷推進高水平科技自立自強，為航天強國建設貢獻力量！”