1+1=?中國空間站告訴你

 

 

        王翔        中國載人航天工程空間站系統總指揮
 

 

 

          1+1=?這是個(gè)數學(xué)問(wèn)題，也可能成為哲學(xué)或文學(xué)問(wèn)題。不同的語(yǔ)境下，它的答案是不一樣的。

 

 

          正在太空中組裝建造的中國空間站，給出了自己的答案：1+1=1.

 

 

          系統的各部分各自獨立，組成系統時(shí)又相互聯(lián)系、相互作用，有機地形成一個(gè)整體。來(lái)自系統科學(xué)的這一思想，在中國空間站的設計中再次得到宏觀(guān)表達：組成空間站的各艙段（包括來(lái)訪(fǎng)飛船）原為獨立飛行器，對接后形成一個(gè)由空間站統一控制和管理的組合體；其組合過(guò)程實(shí)際上是控制權的交接或接管，新艙段將控制權交與空間站，將艙體與艙內資源融入空間站并形成擴展后新的空間站的一部分。

 

 

          枝葉新發(fā)，仍是樹(shù)木一棵；溪流蔓生，成就大河湯湯。

 

 

          中國空間技術(shù)的重要開(kāi)創(chuàng )者、兩彈一星元勛王希季先生將此復雜精密的過(guò)程言簡(jiǎn)意賅地概括為“1+1=1”,并將其明確為突破、掌握載人航天器交會(huì )對接技術(shù)的標志之一。

 

 

 

        人類(lèi)航天器：對接融合的多維度觀(guān)察

 

 

          一覽人類(lèi)航天史上的多艙段航天器飛行任務(wù)可以發(fā)現，“1+1=1”有著(zhù)不同層次和程度上的實(shí)現，而這個(gè)看似簡(jiǎn)單的加法并不容易。

 

 

          結構及其運動(dòng)控制的“1+1”.美國采用雙子座飛船與改裝后的二級火箭進(jìn)行對接，對接后由飛船進(jìn)行組合體控制；蘇聯(lián)用兩艘飛船相互對接，對接后由模擬空間站的被動(dòng)飛船進(jìn)行組合體控制；975年的阿波羅-聯(lián)盟測試計劃（ASTP），美蘇兩個(gè)飛行器互換角色進(jìn)行了兩次對接，分別擔任主控方。這些任務(wù)中，對接前的目標飛行器與追蹤飛行器獨立進(jìn)行各自的運動(dòng)控制，對接后的兩飛行器通過(guò)剛性連接裝置在結構上成為一體，形成了具有新的幾何構型和質(zhì)量、慣量特性的組合體，隨后由兩飛行器中的一方統一對此組合體進(jìn)行運動(dòng)控制。兩個(gè)飛行器的結構及其運動(dòng)控制必須實(shí)現“1+1=1”,這是形成組合體最基本的要求，也是早期交會(huì )對接飛行試驗首先解決的基礎技術(shù)。

 

 

          信息系統的“1+1”.人類(lèi)太空探索活動(dòng)進(jìn)入空間站時(shí)代后，空間站的計算機對對接上來(lái)的新艙段進(jìn)行統一管理，是為常態(tài)。實(shí)現信息系統融合的基礎是通過(guò)對接機構實(shí)現兩飛行器的電路連接，也可以在對接后由航天員手動(dòng)拉線(xiàn)連接--國際空間站不少出艙活動(dòng)，都包含了手動(dòng)連接空間站與艙段電纜的任務(wù)。來(lái)自不同航天器的信息怎么融合？從最基礎的相互采集遙測信息、代傳指令、到信息網(wǎng)絡(luò )并網(wǎng)，并在此基礎上進(jìn)一步實(shí)現信息系統重構?？刂葡到y的重構為其中一種典型應用：空間站的控制器通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò )的并網(wǎng)連通統一使用各個(gè)艙段的敏感器和執行機構（發(fā)動(dòng)機），從而實(shí)現控制優(yōu)化。 

 

 

          能源系統的“1+1”.俄羅斯電影《太空救援》講了蘇聯(lián)禮炮計劃中最后一個(gè)空間站禮炮7號在軌失控后的救援行動(dòng)，這段真實(shí)歷史就涉及到能源系統的維修和恢復。兩個(gè)飛行器供電網(wǎng)絡(luò )的并網(wǎng)有多種模式：（1）單向由空間站向新艙段輸電并完全供其所需。比如，被航天飛機送上天連接至國際空間站后，歐洲和日本艙段完全由站上提供能源。（2）單向補充新艙段的供電短缺。比如，飛船對接至空間站后，因帆板受遮擋等原因導致自身發(fā)電能力受限，由空間站提供部分能源彌補不足。（3）雙向供電實(shí)現能源跨艙段調配?？臻g站自身的可發(fā)電艙段通常以此模式工作，以靈活滿(mǎn)足不同負載的使用需求。（4）在空間站出現故障或短時(shí)功耗過(guò)大情況下，通過(guò)飛船向站供電滿(mǎn)足應急需求。上述的禮炮7號電源失效后，曾考慮讓航天員從聯(lián)盟T13飛船拉電源線(xiàn)至空間站進(jìn)行供電，后因擔心短路故障影響飛船電源，改為直接維修禮炮號設備。

 

 

          熱控流體回路的“1+1”.能源調配總是伴隨著(zhù)設備發(fā)熱及散熱的調配。高效率的熱調配措施是將艙段間的熱控流體回路連通，直接將熱量跨艙傳輸。此方法也可以用于均衡熱控輻射器的散熱能力，或在輻射器局部受損時(shí)進(jìn)行散熱區域調配。

 

 

          載人環(huán)境的“1+1”.中國航天員在飛船對接上核心艙后不久即開(kāi)艙門(mén)進(jìn)入空間站，這是因為核心艙與飛船采用了相同的壓力體制，大氣總壓和氧分壓設計狀態(tài)一致，只需進(jìn)行壓力平衡消除微小壓差即可。這就是密封艙連通后整個(gè)飛行器形成統一載人環(huán)境的結果。而在美蘇ASTP計劃中，聯(lián)盟飛船采用760mmHg、20%含氧量的標準大氣狀態(tài)設計，阿波羅飛船為260mmHg和100%純氧環(huán)境。為了實(shí)現真正的“太空握手”,聯(lián)盟飛船將大氣環(huán)境設置為520mmHg、40%含氧量，并在對接后進(jìn)一步將壓力降至500mmHg,阿波羅飛船則在對接后充入氮氣調整空氣成分并增壓，這才打開(kāi)了艙門(mén)。

 

 

          推進(jìn)系統的“1+1”.媒體報道說(shuō)，5月30日與中國空間站核心艙對接的天舟二號貨運飛船除運送物資外，“還需要實(shí)現與核心艙交會(huì )對接后的推進(jìn)劑補給”.這里被稱(chēng)為“太空加油”的推進(jìn)劑補加，可以視作一種特殊的、短時(shí)間的推進(jìn)劑貯箱連通融合。

 

 

        天宮空間站：我們怎樣在天上搭積木？

 

 

          我國“天宮”空間站的三艙T字基本構型，大家應該很熟悉了。把它轉化為公式，天宮空間站的系統設計為：1（天和）+1（問(wèn)天）+1（夢(mèng)天）=1（天宮）。等式右側的“1”是一個(gè)完整系統，具備完整的功能、性能及系統冗余配置，所有的系統設計被分配至左側的三個(gè)“1”實(shí)現，而這三個(gè)“1”又分別是獨立的飛行器。這四個(gè)“1”,是同步設計出來(lái)的。

 

 

          左側的三個(gè)“1”中，核心艙為組合體的管理中心。但與和平號及國際空間站不同的是，天宮并非直接以核心艙為基礎擴展若干艙段，而是在核心艙上組裝兩個(gè)實(shí)驗艙后構成一個(gè)更加完整和可靠的T字形“核心組合體”.在官方發(fā)布的空間站任務(wù)規劃中，此三艙的組裝任務(wù)被稱(chēng)為“空間站建造階段”,正是說(shuō)明了三艙作為空間站基本部分為后續擴展艙段奠定基礎的地位。


 

 

 

        2021年7月4日，在北京航天飛行控制中心大屏拍攝的航天員在艙外工作場(chǎng)面。 新華社記者 金立旺 攝

 

 

          和平號空間站和國際空間站，都是以核心艙的單艙為基礎進(jìn)行拓展。其中，作為第一個(gè)以搭積木方式組建的多艙段空間站，和平號的整體功能隨著(zhù)艙段的增加而不斷拼接完整；國際空間站則是在航天飛機支持下采用桁架結構，因而具有規模擴展性好的優(yōu)勢。

 

 

          而中國空間站在采用新技術(shù)多維度實(shí)現“1+1=1”的基礎上加強系統集成，獨創(chuàng )性地一體化設計出整站三艙，爾后再開(kāi)枝散葉地繼續生長(cháng)。三艙以“1+1+1=1”的方式構建了一個(gè)“組合體核心”、或者說(shuō)強化版核心，作為“最強大腦”對整個(gè)空間站進(jìn)行統一管理，保證各艙段、飛行器動(dòng)作協(xié)調，并且在通過(guò)信息和能源網(wǎng)絡(luò )并網(wǎng)實(shí)現系統重構后，正常情況下能實(shí)現資源的統一優(yōu)化使用，故障情況下則有了更多的系統冗余。

 

 

          這樣的總體設計，是對歷史上航天器系統的創(chuàng )新發(fā)展，更充分體現了我國空間站建設“在規模適度條件下追求高效率”的目標，具有極高的資源利用效率和較強的系統冗余度。

 

 

          從天宮構型來(lái)看，三艙強耦合組成對稱(chēng)的一體結構，實(shí)驗艙橫置，端部分別配置了雙自由度大帆板。兩實(shí)驗艙對向連接，形成近40米的結構跨度，實(shí)際上起到了類(lèi)似國際空間站桁架結構的作用，較好地解決了帆板相互遮擋的問(wèn)題，明顯優(yōu)于和平號各艙段的輻射狀連接形式。

 

 

          從信息系統能力來(lái)看，核心艙發(fā)射后大家看到的高清天地圖像以及艙內WiFi應用、藍牙耳機等等表現，證明了高速信息網(wǎng)絡(luò )的性能，說(shuō)明基于此實(shí)現三艙并網(wǎng)融合及系統重構有非常好的技術(shù)基礎。這么好的網(wǎng)絡(luò )不進(jìn)行動(dòng)態(tài)并網(wǎng)、能力共享的話(huà)，簡(jiǎn)直就是暴殄天物。

 

 

          此外，從天舟貨運飛船的任務(wù)規劃來(lái)看，貨運飛船不僅要配合進(jìn)行推進(jìn)劑補給，而且必須在對接期間以自身發(fā)動(dòng)機提供組合體的變軌動(dòng)力--這又能給核心艙或“核心組合體”加上一個(gè)“1”.

 

 

          俄羅斯的進(jìn)步號與歐洲的ATV這類(lèi)典型的貨運飛船，同樣能夠在交會(huì )對接后配合空間站對全站進(jìn)行姿態(tài)控制和軌道維持。但由于種種技術(shù)和非技術(shù)障礙，國際空間站還有更多“1+1”不等于“1”的時(shí)候。例如，由于推進(jìn)劑補給統一使用俄羅斯的推進(jìn)系統，歐洲ATV飛船不得不單獨配置不同于自身推進(jìn)系統的補加貯箱裝載俄方使用的燃料，才能實(shí)現推進(jìn)劑補給；國際空間站上俄羅斯艙段的熱控系統采用乙二醇作為回路工質(zhì)，美國艙段則采用水，兩者間的流體回路無(wú)法連通。

 

 

          與之相比，“1+1=1”的思想貫穿于我國空間站設計的方方面面，從技術(shù)到管理都絕不會(huì )允許出現國際空間站上述系統不兼容的問(wèn)題。

 

 

          “1+1=1”、或者說(shuō)“1+1+1=1”是我國建設空間站的核心理念之一，也是難點(diǎn)所在。比如，三艙并非同步研制且核心艙先于實(shí)驗艙一年發(fā)射，這樣的安排能夠使空間站的建造更加穩妥，但也帶來(lái)了三艙系統設計與集成驗證的難度；作為第一個(gè)“1”,核心艙既要能獨立以單艙空間站模式運行，又要作為樞紐將兩個(gè)實(shí)驗艙多維度融合，要求其功能必須最完整，系統能力最強；兩個(gè)實(shí)驗艙必須以完好的功能性能構成完整的T形“核心組合體”,無(wú)形中又對實(shí)驗艙發(fā)射、交會(huì )對接、以及轉位任務(wù)實(shí)施的可靠性提高了要求。

 

 

          系統工程實(shí)踐，科學(xué)思想先于工程?？v是千難萬(wàn)險，輕舟正過(guò)萬(wàn)重山巒。