浩瀚太空 “穿针引线”
——航天专家解读天宫/神八交会对接
10月31日上午，天宫一号/神舟八号交会对接任务总指挥部在酒泉卫星发射中心举行新闻发布会，中国载人航天工程新闻发言人武平宣布，经任务总指挥部研究决定，将瞄准11月1日5时58分发射神舟八号飞船。
神舟八号飞行主要任务是：发射神舟八号飞船，与天宫一号目标飞行器进行我国首次航天器空间交会对接试验，突破和验证航天器自动交会对接技术；考核改进后的神舟飞船和长征二号F运载火箭的功能和性能，以及工程各系统间的协调性；验证组合体工作模式，并开展空间科学实验。神舟八号飞船不载人。
中国工程院院士、中国载人航天飞船原总设计师、现任中国航天科技集团公司五院飞船总设计师技术顾问戚发轫解释，两个或两个以上的航天器通过轨道参数的协调，在同一时间到达太空同一位置的过程称为交会；对接则是在交会的基础上，通过专门的对接机构将两个航天器连接成一个整体。
通俗地讲，我国此次交会对接任务的实质就是：天宫一号以8公里/秒的速度在飞，神舟八号追上去，然后两者连接在一起，不仅严丝合缝，还要把液、电、气通上。曾有专家说，这就好像上面放了一根针，底下用一根线，差了几百公里，最后要拿那个线去穿过那个针眼，非常困难。
在此之前，美、俄两国已掌握了这项技术，并多次进行航天器空间交会对接，其对接形式也多种多样。但美国和苏联早期在实施航天器交会对接任务时，都有故障发生，造成任务失败，甚至导致航天员伤亡。
为了完美上演“穿针引线”大戏，此次天宫一号采用了全新的测量设备，让350公里轨道上的“神八”与天宫一号的一切“行踪”尽在掌握。
瞄准“零窗口”发射
武平介绍，为了迎接交会对接任务，神舟八号飞船在前期飞船基础上进行了较大改进。
“600多台套设备中，一半以上发生了技术状态变化。其中，新研设备约占15%。”武平说，改进主要集中在两个方面：一是为了具备自动和手动交会对接功能，新增和改进了一些设备；二是为了提高飞船的性能及安全性、可靠性，对部分系统进行了改进，飞船具有了与目标飞行器对接后停靠180天的能力。
武平说，这次交会对接任务瞄准“零窗口”发射。
为了确保将飞船发射到与目标飞行器共面的轨道，神舟八号必须在天宫一号轨道面经过发射点后的一定时间内准时点火起飞，否则就需要消耗很多的推进剂来修正两者之间的轨道面偏差。
“这次任务中，提前4小时才能将发射时间精确到秒。”武平说，随着我国载人航天发射场能力的不断提升，这种精确时刻的发射能够实现。
“两个高速飞行的航天器在空间轨道上准确会合，精度要控制在十几厘米之内，其难度和风险可想而知。”武平说，空间飞行器交会对接是航天领域公认的技术难关，风险很大。
武平说，神舟八号虽然是无人飞行，但这次飞行将对未来的载人任务进行充分的技术验证和准备。
按照工程交会对接阶段的任务规划，2012年内将开展神舟九号、十号飞船与天宫一号的交会对接试验，其中至少有一次是载人飞行。
“虽然此次是无人飞行，但为明年的载人飞行做了大量准备工作。”武平举例说，航天员太空锻炼设备、医学监测和健康维护设备等已经装上了天宫一号。
交会对接“三大特点”
据中国航天科技集团公司载人航天工程办公室主任童旭东介绍，和前7次载人航天工程任务相比，交会对接任务呈现出3个特点。
一是以前执行的都是单项任务，而这次执行的是“组合体”任务。根据工程计划，交会对接任务将执行4次发射任务：首先发射天宫一号目标飞行器，随后相继发射神舟八号、神舟九号和神舟十号与之进行对接。
二是任务安排紧凑，型号研制时间紧张。在首次交会对接任务中，中国航天科技集团公司承担了5个飞行器和5发运载火箭的研制工作。
从1999年的神舟一号到2008年的神舟七号，中国航天用了9年完成7次载人航天任务的研制发射工作，而现在仅要在1年多的时间内，完成4次交会对接任务的组织发射。
三是在这次试验中，有很多技术验证工作很难在地面上充分验证。如何增强技术风险识别成为此次任务的一个难点。以前的7次载人航天任务的顺利推进都是建立在充分的地面试验的基础上，而鉴于交会对接任务的特性，很多技术很难在地面上充分验证。
“举例来说，飞行器上有一项激光雷达威力测试，但是受重力和大气等众多因素的影响，太空上的20公里和地面上的20公里不是一个概念。尽管地面试验已经很充分了，但是仍然对太空缺乏了解。这使得此次任务的技术风险更大。”童旭东说。
对接“四大步骤”
如果把首次交会对接任务比做是一场“太空大戏”，那么神舟八号与天宫一号的对接无疑是此次演出的高潮。要想让两个重达8吨的庞然大物在距离地球350公里外的太空中实现完美对接，就不能不提到飞行过程中的精确控制。
童旭东用形象的语言模拟出了神舟八号与天宫一号进行对接的全过程。
在合适的窗口时期发射天宫一号目标飞行器后，天宫一号将在太空中等待随后发射的神舟八号。在飞船发射前的21天，在太空中遨游的天宫一号将进行降轨，并在对接前3天左右，做好相应准备工作，静候对接的“最佳时刻”。这时候，天宫一号和神舟八号即将在太空中完成4项“准备动作”。
首先要进行的是“降轨调相”步骤。天宫一号的飞行姿态和准备对接的姿态是不一样的，在即将对接前，天宫一号需要利用大气衰减的力量来降低轨道，从飞行状态“转换”成“对接”状态，等待飞船的到来。其次要进行“地面导引”控制，由地面控制系统对飞船进行姿态调整，使得飞船能够满足自主控制的条件。第三个步骤至关重要，神舟八号飞船进入自主控制阶段，不断接近天宫一号，满足初始对接条件，飞船要选择4个停泊点来进行交会对接准备，而其中最重要的是要在距离天宫一号140米处测试对接机构传感器，从而确定飞船的对接状态是否已经到位。最后一步就是对接，对接机构按照捕获、缓冲、拉近、锁紧4个阶段，完成神舟八号与天宫一号的对接。
值得一提的是，成功实施对接后，神舟八号和天宫一号要以“组合体”的方式在太空中飞行，并由天宫一号来实施对“组合体”的控制，按照计划完成实验方案。实验结束后，神舟八号将返回地面，而天宫一号将继续在太空中服役，等待下一次飞船的对接。此外，飞船还需要与目标飞行器分开。为了确保万无一失，设计人员分别在神舟八号和天宫一号的对接机构上安置了火工装置，确保如果出现故障，神舟八号与天宫一号能够顺利分离返回地面。
组合体飞行 长寿命运行
首次交会对接任务将填补中国航天的又一项空白。神舟八号与天宫一号进行对接后，将在太空中以“组合体”的方式运行。“这在中国航天从来没有遇到过，‘组合体飞行’不仅体积大，而且很难控制。如何使组合体以规定的姿态运行很困难，这将给姿态控制和轨道控制带来很大难度。”童旭东告诉记者。
除了“组合体飞行”外，首次交会对接任务将面临“低轨道、长寿命”的考验。“以前载人航天飞行一般都会几天内结束飞行，返回地面。而交会对接任务将持续两年，天宫一号要在太空中飞行两年的时间，这将给控制带来不小的压力。”童旭东告诉记者，由于低轨运行，将会经受原子氧、大气阻力、地球磁场等一系列环境考验，这将对飞行器可靠性带来一定的难度。
“预计从现在到2020年前后，中国航天将执行20余次载人航天飞行任务。任务的高强度可想而知。”童旭东透露，在航天科技集团承担首次交会对接任务的科研团队中，“80后”占了较大比例。“他们中近一半的人从来没有进过发射场执行任务，经验相对不足。为了让他们提前进入工作状态，‘两总’系统专门安排了发射场合练环节，让每个人对自己的工作做到心中有数。” （记者 杨姣 雷宇 通讯员 黄希）
