“萬里穿針”耀太空——中國空間交會對接技術(shù)演進(jìn)紀(jì)實(shí)

2025年7月15日，天舟九號貨運(yùn)飛船在發(fā)射約3小時(shí)后，與中國空間站后向?qū)涌诰珳?zhǔn)完成交會對接，為航天員送達(dá)物資。這一交會對接模式，已成為天舟系列任務(wù)的常規(guī)操作模式。

空間交會對接技術(shù)是載人航天、深空探測等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，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(qiáng)國均對其核心技術(shù)實(shí)施嚴(yán)密封鎖。

經(jīng)過三十載艱苦攻關(guān)，中國航天科技集團(tuán)五院502所空間交會對接自主控制創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將我國自主完成“萬里穿針”的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使中國交會對接技術(shù)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(wù)順利實(shí)施。

從無到有，打破技術(shù)封鎖

上世紀(jì)80年代，隨著國家863計(jì)劃為中國載人航天工程按下啟動(dòng)鍵，502所老一輩專家敏銳捕捉到空間交會對接技術(shù)的戰(zhàn)略價(jià)值。

在毫無基礎(chǔ)的情況下，我國自動(dòng)化技術(shù)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(gè)大字，錨定攻關(guān)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(lǐng)科研人員，用草紙和算盤逐行推導(dǎo)全系數(shù)自適應(yīng)控制理論，在簡陋的實(shí)驗(yàn)室里開展技術(shù)攻堅(jiān)。

上世紀(jì)末，中國航天科技集團(tuán)的解永春接過了攻關(guān)接力棒，理論與工程應(yīng)用的銜接成為她和團(tuán)隊(duì)面臨的首要挑戰(zhàn)。

“難點(diǎn)不是不知如何解題，而是連問題都無法精準(zhǔn)提出。”解永春回憶著研制初期的艱辛，“我們只能一步步踏踏實(shí)實(shí)做，核心目標(biāo)就是兩個(gè)字——?jiǎng)?chuàng)新！”

起初，團(tuán)隊(duì)也試圖參考國外所用方程，發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜難懂。“它的坐標(biāo)系定義和咱們都不一樣，看著就費(fèi)勁。”解永春覺得，與其花大把時(shí)間去研究別人的成果，還不如從頭弄一套自己的理論。

她帶著團(tuán)隊(duì)從基本動(dòng)力學(xué)方程開始推導(dǎo)，從圓軌道到橢圓軌道一點(diǎn)點(diǎn)算，又將老一輩專家的軌道動(dòng)力學(xué)和相對運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)成果融合進(jìn)去，成功解決了遠(yuǎn)距離導(dǎo)引的基礎(chǔ)問題。為攻克光學(xué)敏感器測量精度難題，團(tuán)隊(duì)連續(xù)3個(gè)月駐守實(shí)驗(yàn)室，反復(fù)調(diào)試參數(shù)；為突破相對位置和姿態(tài)確定技術(shù)，他們繪制的工程圖紙堆滿整間辦公室，累計(jì)推導(dǎo)公式超萬條……

一次地面仿真試驗(yàn)中，飛船姿態(tài)控制突發(fā)振蕩。此時(shí)，距離神舟八號飛船與天宮一號目標(biāo)飛行器首次自動(dòng)交會對接任務(wù)實(shí)施僅剩3天。

關(guān)鍵時(shí)刻，解永春在老師吳宏鑫院士的鼓勵(lì)下，將自己博士論文中的“黃金分割系數(shù)”理論應(yīng)用到飛船控制參數(shù)設(shè)計(jì)上，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)連續(xù)72小時(shí)不間斷驗(yàn)證優(yōu)化，成功化解了危機(jī)。

2011年11月3日凌晨1時(shí)29分，神舟八號在發(fā)射升空后用時(shí)不到44小時(shí)，與天宮一號成功“牽手”，我國首次實(shí)現(xiàn)空間自動(dòng)交會對接，技術(shù)上取得了從無到有的重大突破。

從慢到快，實(shí)現(xiàn)自我超越

談及首次自動(dòng)交會對接任務(wù)，中國航天科技集團(tuán)胡海霞至今仍記憶猶新。在那次任務(wù)中，她的主要工作是在交會對接過程中根據(jù)飛行情況向航天器注入指令。“這是飛控全程最緊張的環(huán)節(jié)之一，不能出半點(diǎn)差錯(cuò)。”她說。

在隨后的2年時(shí)間里，我國又相繼發(fā)射神舟九號和神舟十號飛船，與天宮一號開展多次自動(dòng)與手控交會對接，全面驗(yàn)證了空間交會對接技術(shù)。

但在同期，俄羅斯相繼實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)飛船、載人飛船與國際空間站6小時(shí)快速交會對接。

“我們不能止步于現(xiàn)有成果，必須持續(xù)創(chuàng)新突破！”面對國外技術(shù)的迅猛發(fā)展和我國的空間站建設(shè)需要，神舟十號交會對接任務(wù)圓滿完成后，解永春在會上提出了新的想法。團(tuán)隊(duì)迅速投入到以全自主、快速為核心特征的新技術(shù)研究中。

傳統(tǒng)技術(shù)途徑中，實(shí)現(xiàn)交會對接必須依賴地面遙測遙控的復(fù)雜計(jì)算過程，這也是任務(wù)中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)之一。團(tuán)隊(duì)從該環(huán)節(jié)著手，基于運(yùn)載火箭入軌條件，提出兼具高適應(yīng)性與強(qiáng)容錯(cuò)能力的創(chuàng)新技術(shù)方案。他們對算法進(jìn)行反復(fù)迭代優(yōu)化，并將計(jì)算過程遷移至飛船自主執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自主快速交會，大幅提升遠(yuǎn)距離導(dǎo)引效率。

著眼于空間站建設(shè)與運(yùn)營階段的高頻交會對接任務(wù)需求，團(tuán)隊(duì)又對“初始全相位”技術(shù)發(fā)起攻關(guān)，以提高交會對接方案對發(fā)射窗口的適應(yīng)性。

“我們開展了3000余次模擬試驗(yàn)，深入剖析200余種極端工況，讓飛船入軌時(shí)無論與空間站相位相差多少，均能在規(guī)定時(shí)間精準(zhǔn)完成對接，大幅提升了我國空間站任務(wù)執(zhí)行的效率與靈活性。”解永春說。

2017年9月，天舟一號貨運(yùn)飛船與天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室首次在軌驗(yàn)證我國6.5小時(shí)全自主快速交會對接技術(shù)，與此前相比大幅縮短了交會對接時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了我國在空間交會對接技術(shù)上的又一超越。

從好到精，樹起中國“標(biāo)桿”

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

2020年10月，俄羅斯發(fā)射的聯(lián)盟MS-17載人飛船僅用3小時(shí)3分與國際空間站成功對接，樹立了快速交會對接新“標(biāo)桿”。

當(dāng)時(shí)，中國的6.5小時(shí)方案表現(xiàn)成熟穩(wěn)定，有了這個(gè)底氣，解永春認(rèn)為，總跟著別人做沒意思。她提出了一個(gè)大膽的想法：“現(xiàn)有工程條件下，理論上的極限是2小時(shí)，我們能不能實(shí)現(xiàn)它？”

“直接縮短至2小時(shí)，談何容易？”陳長青介紹，此前設(shè)計(jì)方案中，火箭飛行約10分鐘，遠(yuǎn)距離導(dǎo)引階段大概1個(gè)半小時(shí)，近距離導(dǎo)引到完成對接大約1小時(shí)20分。團(tuán)隊(duì)分析論證了各種策略，最終決定，將近距離階段中用于消除遠(yuǎn)距離導(dǎo)引偏差的“尋的”步驟去掉，僅此一項(xiàng)可節(jié)省40分鐘左右。

“少了這個(gè)銜接過程，完成對接的難度一下就上去了。”陳長青說，新方案對火箭發(fā)射入軌精度、飛船相位角適應(yīng)性、遠(yuǎn)距離導(dǎo)引精度等的要求，都遠(yuǎn)超原本的標(biāo)準(zhǔn)。

為此，團(tuán)隊(duì)開啟了連續(xù)的“超長待機(jī)”工作模式，在此期間攻克技術(shù)難題近百項(xiàng)，對核心設(shè)計(jì)進(jìn)行了127輪迭代優(yōu)化，成功設(shè)計(jì)出2小時(shí)交會對接方案。

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

“我們嘗試過一次后發(fā)現(xiàn)，2小時(shí)方案雖然快，‘性價(jià)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(tuán)隊(duì)不再一味追求速度，而是選擇在已有的6.5小時(shí)和2小時(shí)方案基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)一個(gè)3小時(shí)方案。陳長青介紹，這個(gè)方案兼顧了效率與可靠性，在天舟七號、八號、九號任務(wù)中成功實(shí)施，并將在今后一段時(shí)期的天舟系列任務(wù)中持續(xù)沿用。

如今，我國已在地球軌道和月球軌道上實(shí)施的37次交會對接任務(wù)全部圓滿成功，實(shí)現(xiàn)交會對接技術(shù)從無到有、從“地面支持”到“全自主”、從“單任務(wù)”到“多模式”的跨越式發(fā)展，樹立起中國人自己的標(biāo)桿。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(biāo)邁進(jìn)，不斷推進(jìn)高水平科技自立自強(qiáng)，為航天強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)力量！”（記者 付毅飛）