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对接是载人航天活动中最重要的技术之一,是空间站组装的核心技术.利用对接技术可以进行空间飞行器的连接.无论是目前的小型空间实验室,或是今后建立大型空间站,对接的实现都离不开一个关键部件,即对接机构.没有它,建立空间站,维持空间站的正常运行,航天员的定期更换,以及提供给空间站一切必要条件的天地往返运输任务,都无从谈起.
美俄认为“中国造不出自己的对接机构”
1992 年9 月,决策实施载人航天工程并确定了我国载人航天“三步走”发展战略.对接机构技术是实现工程第二步要突破的核心关键技术之一.但对接机构技术是世界公认的难点,原我国载人航天工程总设计师王永志说,交会对接是载人航天工程中难度最大、最为光辉的技术亮点.
20 世纪90 年代初,对接技术只有俄罗斯和美国掌握,其他的国家或者航天组织对这项技术始终望而生畏,难以突破.上海航天的研制人员在参观俄罗斯“能源”火箭公司对接机构研制车间时,那位车间主任自豪地说：世界上所有的对接机构都是他们这里生产出来的.俄方还直截了当地告诉中方,对接机构的研制难度非常大,并极力怂恿买他们的产品.载人航天工程决策层就交会对接技术到底是走引进成熟技术、购买现成产品的道路,还是走主要依靠自己的技术力量、走独立自主研制的道路进行了充分调研.
当时通过摸底和寻价,得知俄罗斯方面的开价是,仅购买他们对接机构技术的设计专利费就要1 亿美元,然后引进成熟的技术和现成的产品再要花一大笔昂贵的价钱.另外,他们还要搭售许多无关紧要的东西给中国,俄罗斯方面开出的条件,让中国航天人难以接受.而中国要建立自己的空间站,空间交会对接技术是必须突破和掌握的.并且用于空间站交会对接的对接机构不仅是一套两套,今后中国载人航天建立空间站,进行各个航天器之间的交会对接、完成天地往返运输任务等较为频繁,对接机构的用量也较多,而关键部件和关键技术一旦掌握在别人手里,失去了自主权,对于中国载人航天事业的进一步发展十分不利.于是,中国航天人下决心走自力更生、自主创新的路.而“接单”的正是上海航天人！
白手起家,十六年埋头攻关
1995 年初,上海航天805 所刚成立对接机构研制队伍时,这个团队仅有7 人.中国载人航天工程载人飞船、空间实验室系统副总设计师张崇峰博士就是当年7人团队中的开创者之一.当时还是哈工大导师的他被交会对接任务的巨大挑战所吸引,毅然来到805 所,多年来他始终默默无闻地坚守在一线.张崇峰最欣赏的一句格言是：“只有执着追求,才能取得成功.”这句话成为了支撑他走向成功的信念,也成为对接机构团队无数默默奉献的人坚守的信仰.
对标国际先进,上海航天人一开始便提出了采用跨越式发展的思路——研制能与国际空间站相匹配的异体同构周边式对接机构,保证人货通行方便.异体同构周边式对接机构适应性高、承载能力强,但与此相应的是重量大、对接初始条件要求严格、构造复杂.为了将这个方案论证清楚,整个团队,搜集和查阅了所有能找到的相关资料,在字里行间筛选点点滴滴可用的信息,翻译俄罗斯对接机构的相关书籍.收集到的各类资料装满了整整十个大箱子,仅论证报告的撰写就用了三个多月时间.艰辛付出没有白费,通过一轮轮的评审和质询,国家最终采纳了团队提出的方案,上海航天人迈出了对接机构研制决定性的一步.
回首对接机构的研制之路,就是一个不断碰到新问题、不断解决新问题的创新历程.把理论转化为设计方案难,而把方案变成符合工程应用需求的实物更是难上加难！搞工程,最重要的就是通过各种试验来验证设计的正确性,如何模拟太空微重力环境下的对接过程成为摆在上海航天人面前的第一道难关.俄罗斯采用的是“吊挂”方案,即把两个飞行器吊起来,利用钟摆的原理来模拟初始对接过程,但这种方案在稳定性上有很大的局限性.刚开始,团队尝试用滑车方案,但是摩擦力太大,无法模拟飞行器在太空中的环境特性.后来一名设计师建设性地提出气浮平台的方案.但这个方案的关键是需要建立两个平整度高和稳定性好的平台,整个平台在任何情况下平面高低起伏不能超过千分之三毫米,也就是1/20 根头发丝的直径.通过查询各种资料,发现只有泰山花岗岩才能满足上述要求.于是,设计师亲赴泰山石矿区,仔细考察了一个多月,终于开采到了两块70 多吨重的大石头,又用五个多月的时间加工成两个20 吨重的精细平台.在这个平台上,两个8 吨重的飞船模型只要用手指轻轻一点就可移动,而且还可以根据实验需要设置各种初始对接条件.俄罗斯专家参观后,不由赞叹：“这是当今世界上水平最高的对接机构地面试验设备.”
有时候,成功往往就是源于最后一小步的坚持.2007 年,对接机构地面模拟试验时测得分离角速度太大,超过了0.35度/ 秒,达不到设计要求.角速度是物体转动快慢的一个物理量,手表秒针的角速度是6 度/ 秒.角速度对飞行器分离后的姿态影响非常大,角速度过大,就可能导致天宫一号和神舟飞船发生碰撞甚至侧翻,后果不堪设想.航天人开始了无休止的攻关,分析、试验,再攻关、再分析、再试验……但试验结果始终没有大的改观.科学是严谨的,需要用数据和事实说话.搞科研最大的痛苦在于攻关,而这却又是一个精雕细琢的过程,没有任何捷径可走.经过170 多次的反复试验、分析和改进,最终用最严苛的环境条件来模拟,将分离角速度做到了0.1 度/ 秒.
谁都无法否认,成功就是意味着超常人的付出.对上海航天人来说,连续十几天工作到凌晨2、3 点,周六、周日也得不到休息是常有的事.柏合民是对接机构团队中的一名研制人员,2000 年9 月,对接机构项目正是需要进一步深入攻关的关键时刻,刚博士毕业的他便加入了对接机构研制队伍.在研制初期,他找来各种各样的机构方面的书籍,认真揣摩,反复研究.到2007 年,经过前期的积累和总结,他对机构的把握已经到了一个常人无法理解的高度: 机构的实物,只要让他看一眼,他就知道工作原理.柏合民曾说过：人生的意义,在于不断地追求；人生的欢乐,源自事业的成功.他的随身提包里永远备着简单的出差物品,可以说不是在出差的路上,就是在随时准备出差的过程中.
2011 年11 月3 日凌晨1 时29 分,经历近43 小时飞行和五次变轨的“神舟八号”飞船与等待已久的“天宫一号”成功对接,在静谧太空中上演了一场属于中国的“天神拥吻”盛景,这标志着我国成为世界上第三个独立掌握交会对接技术的国家,并达到世界领先水平.上海航天人历经十六年艰辛努力,给中国航天交出了完美答卷.
从“轻量级”到“重量级”,为空间站建设奠定基础
神舟八号天宫一号首次交会对接任务结束后不久,还未来得及休整的上海航天人就立即投入到新型号研制——货运飞船对接机构的研制.神舟八号和天宫都是8吨级的航天器,其对接在上海航天人看来已经是重量级选手间的高难度动作了,但是对于接下来的空间站来说还是“轻量级”的,第二代货运飞船对接机构必须适应未来空间站建造阶段8 ～ 180 吨各种吨位、各种方式的对接,包括偏心对接,其间将会产生巨大的对接能量,对对接机构的缓冲耗能能力提出很高的要求,这也是空间建造阶段必须突破的一项技术.这直接导致了货运飞船对接机构初始研制的巨大压力.
压力越大,挑战越大,动力也就越大.货运飞船主任设计师邱华勇顶住压力,带领设计师通过大量的技术攻关和方案论证,了这一难题,为了既不影响原捕获性能,方便捕获,又实现对接机构捕获后的大吨位耗能需求,系统性提出了可控阻尼的控制思路,增大货运飞船吸收能量的能力,使大吨位的飞行器对接更平稳.
接下来研制团队一路披荆斩棘：在2012年底就完成可控阻尼器关键技术攻关,2014 年完成初样设计验证,2015 年完成天舟一号正样产品研制.邱华勇带领团队,攻克了一个个难关,按时完成了一个个阶段性节点.过程是艰辛的,结局是美好的.2017 年4 月22 日12 时23 分,天舟一号与天宫二号空间实验室成功实现在轨首次交会对接,第二代对接机构首秀表现完美.
空间交会对接是一个庞大的系统工程,它肩负着推动中国载人航天事业继续向前发展的伟大使命,任重而道远.二十三年来,上海航天的设计师们坚实地走好了每一步.通过对接机构研制工作,建立了清晰的组织体系和工作模式,确立了相应的研制标准和规范,孕育了多项具有自主知识产权的核心技术,培养了一支技术能力强、能攻关能创新、作风硬朗、吃苦耐劳、管理有效的设计、生产和试验人员队伍.对接机构先后荣获“国家科技进步特等奖”“军队科技进步一等奖”“国防科学技术进步一等奖”,发表科技论文100 余篇,获得国防专利授权87 项.随着载人工程第三步——空间站研制不断深入,上海航天的设计师们必将抓住机遇,为我国航天的绘制更壮美的画卷.
（作者单位：上海宇航系统工程研究所）
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参考文献：
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