神舟八号飞船追赶天宫一号

神舟八号飞船用发动机调整姿态

神舟八号飞船在停泊点与天宫一号“对视”

神舟八号飞船对接机构“捕获”天宫一号

神舟八号飞船与天宫一号紧紧锁在一起

天宫一号控制组合体飞行

    牵 线

    一根线放两个风筝

    “挑战前所未有。”

    说这番话时，中国载人航天工程测控通信系统主任设计师卢立常表情严肃。北京航天飞控中心主任陈宏敏一连用三个“飞控”表达这种挑战：“交会对接任务的重点在飞控，难点在飞控，关键在飞控。”

    这群常年默默干着测控工作的航天人如此高调地强调“飞控”，让记者感到“飞控”在中国首次空间交会对接任务中的非同寻常。

    的确非同寻常。“以前是一根线放一个风筝，现在我们是一根线放两个风筝，而且还要让这两个高速运动的风筝在空中交会对接，你说这难度大不大？”中国载人航天工程测控通信系统设计师王瑞军向记者打了一个形象的比方。

    王瑞军口中的两个“风筝”指的是神舟八号、天宫一号，那根“线”指的是陆海天基航天测控网。为了加强测控效果，神舟八号飞船装备了新一代数控计算机，以天链一号、天链二号为代表的中继卫星也首次加入测控网，北京航天飞控中心也配备了全新的信息处理系统。“虽然还是一根线，但这根线更粗更强壮更灵敏了。”王瑞军说。

    大控制需要大智慧。当硬件上的条件具备，考验的便是整个测控系统的稳定性、准确度和效率了。在飞控中心总体室工程师刘勇看来，“长”和“短”两个字成了考验他们的关键。

    “长”是指此次交会对接任务持续的时间之长前所未有。从天宫一号发射到神舟八号飞船返回，持续一个半月时间，这中间不仅要完成天宫一号两次变轨和三次调相，还要完成神舟八号飞船五次变轨测定，这对测控系统的长期稳定性提出了一个很大挑战。

    “短”是指此次神舟八号变轨测定的时间之短前所未有。此次神舟八号飞船每飞3到5圈就要进行一次变轨，最短的一次变轨间隔只有3圈，留给测控人员的变轨测定时间只有4个多小时。理论上讲，时间间隔越长，精度越高。时间和精度，成为测控人必须要面对而且要完成好的两难。“我们不允许有任何差错。”刘勇说。

    现在，我们已经知道，摆在中国航天人面前的，是一道不能出任何差错的交会对接方程式。

    交会对接是“等号”，“等号”的左边是天宫一号，右边是神舟八号飞船。“当等号两边的径向误差不超过180毫米时，”刘勇说，“我们这个方程就快解成了。”

    追 赶

    停一停看一看慢慢追

    毫无疑问，这是人类本年度最壮观的“太空大片”之一。

    神舟八号飞船怎样加速？怎样刹车？它与汽车的地面追击、飞机的空中加油究竟有什么不同？在距地球200公里以外的轨道上，神舟八号如何追上天宫一号成为交会对接前最大的悬念。

    在中国载人航天工程总设计师周建平的眼里，“追赶”的专业术语应该是“变轨”，整个追赶过程就是不断变轨的过程。原理很简单：飞行器的轨道越低，速度越高。所以，为了保证神舟八号飞船有一个追赶速度，其发射入轨的轨道自然要在天宫一号的下方。

    “神舟八号追赶天宫一号并非如车辆追击或空中加油那样，单纯靠引擎随意加速减速那么简单。”载人航天工程测控通信系统主任设计师卢立常告诉记者，由于同一个轨道的速度是固定的，速度一变轨道必然改变，所以，轨道变低相当于“加速”，抬高轨道相当于“刹车”。这种独有的太空追赶方式，有意思之处在于，“不是越追越快，而是越追越慢”。

    其实很好理解，随着一次次变轨，神舟八号的轨道逐步抬高到天宫一号的轨道高度，它的速度也就越来越慢，逐渐减速到与天宫一号同一个速度。“越追越慢的好处显而易见，可以与目标实现温柔对接。”卢立常说。

    正所谓“欲速则不达”，这是一次真正基于最终效果的追赶。为了和天宫一号对上“秋波”，确保彼此的相对测量通信正常“沟通”，中国航天人为神舟八号设置了4个停泊点，确保追得克制、追得冷静、追得谨慎。

    4个停泊点分别距离天宫一号5000米、400米、140米、30米，处在天宫一号的同轨道高度。每当抵达停泊点的瞬间，神舟八号就和天宫一号处在同一轨道高度，相对速度为零，神舟八号要在这个时候“停一停，看一看”了。

    首先，要看一看各自的飞行状态是否正常，然后切换相对测量控制模式，把两个飞行器的相对姿态调整到理想状态。飞船在停泊点的停泊时间程序里预先设定好了，早到了就多等一会儿，晚到了就少等一会儿。一旦出现故障，可以在这儿等待，甚至退回到上一个停泊点，直到故障处理完毕。

    如果一切正常，神舟八号就会降低轨道高度继续赶路，赶向下一个停泊点，形成波浪式追赶轨迹。

    现在，经过一番刻骨铭心的追赶和凝望，天宫一号已经近在眼前，神舟八号的3把捕获锁已静静伸出，屏息等待惊心动魄的对接一刻。

    拥 抱

    同呼吸共命运心连心

    激动人心的一刻到来了。这一刻，与其说是相吻，不如说是拥抱。

    在茫茫太空，高速运转的它们在那一刻拉住了对方，并紧紧相拥。

    它们拥抱彼此的“手臂”是“异体同构周边”式对接机构。这个堪称中国航天史上最复杂的空间机构，由成千上万个零部件组成，仅仅轴承和齿轮就有六七百个。“异体同构”是指神舟八号和天宫一号上的对接机构采用同样结构；“周边式”是指机构不设置在中间，而是设置在周边。

    据神舟八号飞船、天宫一号目标飞行器总设计师张柏楠介绍：“这种对接机构的优点是互换性，对接后通道畅通，对接机构的连接环直径较大承载能力较大，经过适当改进可以适应数百吨的航天器对接。”

    对接机构核心部件由3把“捕获锁”和12把“结构锁”组成，神舟八号和天宫一号各有完全对称的一套。正常情况下，神舟八号先主动伸出“捕获锁”，一旦挂住天宫一号，就像锁门一样锁住了。由此，两个飞行器实现了最初的连接，同时它们内部的电磁阻力自动器也完成了两个飞行器之间的缓冲吸能和姿态校正。

    一旦姿态校正完毕，神舟八号会伸出类似于火车车厢的连接挂钩，钩住天宫一号，最后两边的12把“结构锁”紧紧锁在一起。几乎同时，3把捕获锁打开，并内翻到原始位置，留出直径80厘米的连接通道，未来的航天员将通过这个通道进入到天宫一号。

    然而，此时此刻仍不是松口气的时候。神舟八号已进入停靠状态，天宫一号的启控成为千钧一发的关键事件。如果不能启控，实现两个飞行器姿态、能源、信息以及内部环境的一体控制，锁紧的飞行器组合体将会处于失控的翻滚状态，非常危险。

    目标飞行器启控，意味着在茫茫太空紧紧拥抱的两个飞行器真正“同呼吸、共命运、心连心”了。

    首先要并网供电，实现能源的统一；其次，由天宫一号采集神舟八号飞船的状态，同时发送指令实现信息的统一；再次，给对接通道充压，实现内部气体环境的统一……当组合体完全由目标飞行器控制时，意味着我们对组合体控制技术的突破。

    分 离

    相见时难别亦难

    对接成功了，接下来的分离成为又一道棘手的考验。一旦出现春晚小品里黄宏与宋丹丹的手粘在一起分不开的情况，人们发出来的就不是笑声了。

    在张柏楠看来，“最危险的时刻到了”。组合体分离的意义重大，因为“一旦对接上，不能分离的话，就意味着航天员没有办法返回了”。

    相见时难别亦难，分离也是个技术活。分离之前，神舟八号飞船要提前几个小时准备。首先要恢复自主供电，让太阳帆板重新对准太阳，包括所有的仪表系统、控制系统都要恢复加电，接着要对控制系统的各种测量装置进行标定，然后进行整个系统的自检。自检完成以后，设备都正常，飞船才具备分离的条件。

    接下来，分离电机运转，分离机构启动。根据“结构锁”的原理，分离是锁紧的逆过程。“结构锁”一旦打开，两个飞行器即可以进行分离。为了保证分离的有效性，一共有四项措施保证安全分离。一是飞船主动解锁，二是天宫主动解锁，三是电动解锁。如果说这些手段都不行，只好暴力分离了，火工品引爆解锁成为最后的保险手段。

    分离的动力则来自对接机构里的弹簧所带来的初始分离动力。一旦分离之后，分离所带来的误差、两个飞行器的姿态和翻滚便成为最大的考验。当它们在彼此“视线内”安全撤出时，分离成功了。

    这是一次短暂的分离。对接机构解锁，飞船与天宫一号分离，撤到140米的停泊点，酝酿再一次的拥抱。随之再次分离，先撤到140米，然后脉冲变轨，远离至5000米安全距离，这次是永远的分离了，飞船经轨道瞄准主场落点，相继进入返回制动和舱段分离，返回舱安全着陆在预定回收区，轨道舱陨落在南太平洋。

    激情过后，复归平常。天宫一号将返回自主飞行轨道，等待着在未来的日子与神舟九号、神舟十号相会。

    航天人说·控

    陈宏敏（测控通信指挥部指挥长，北京航天飞控中心主任）:如果把此次交会对接比喻成一场宇宙大片的话，演员只有两个：天宫一号、神舟八号；剧情：追赶、拥抱、分离；幕后工作人员：中国航天人；导演：航天测控系统。导演和演员相隔几百公里，镜头必须一次通过，没有重拍的机会。

    黄惠明（载人航天测控通信系统副总指挥）：我们首次启用一双“天眼”是此次测控的一大亮点。这双“天眼”是两颗中继卫星——天链一号和天链二号，它们的加入让中国航天真正意义上形成了天地基相结合的测控通信系统，覆盖率达到69%。

    航天人说·追

    张柏楠（神舟八号飞船、天宫一号目标飞行器总设计师）：停泊点就像轮船靠港之前的一个外海锚地，停泊是为了在外海进行各项检查，最后合格以后，才能进入港口。之所以将5000米设定为第一个停泊点，是因为这是一个相对安全距离。5公里是由轨道决定的，基本上20公里到5公里之间，为主动安全距离。

    卢立常（测控通信系统主任设计师）：打一个不恰当的比方，如果把它们的轨道比作跑道的话，神舟八号追天宫一号有点类似于跑里外圈。追的过程中，天宫始终跑外圈，神舟抄近道跑里圈，然后逐步向外圈靠拢。

    航天人说·锁

    侯向阳（载人航天总体部主任设计师）：“锁”是个形象的说法，其实“捕获锁”的专业名称是“捕获环”，它的力量很小，“结构锁”叫做连接环，它的力量很大，有数吨级的力量。它们的最大特点是互为备份，一旦神舟八号12把“结构锁”主动“钩、抓”不成功，就用天宫一号上面的12把“结构锁”主动出击。

    王瑞军（测控通信系统设计师）：由于我们的飞船和国际空间站上的对接机构都是“异体同构周边”式的，只要我们拥有和他们一样的评定标准，我们的飞行器应该可以和国际空间站对接。

    航天人说·分

    刘勇（载人航天工程总体工程师）：“捕获锁”的内翻打开是为了让出一个通道，未来的航天员将通过这个通道进入目标飞行器。打开有三种手段：电动打开；如果有航天员，航天员手动打开；当手动和电动都打不开时，可以采用火工品引爆。

    黄伟芬（航天员系统副总设计师）：未来我们的航天员上天的时候，分离前，航天员要从天宫一号先撤到神舟飞船上，然后启动解锁程序。所以说，“分离”是航天员从太空回家的关键技术。（图片制作：谢 波 吕大伟）