“两弹一星”元勋王希季先生将此复杂精密的过程言简意赅地概括为“1+1=1”

中国空间技术的重要开创者、“两弹一星”元勋王希季先生将此复杂精密的过程言简意赅地概括为“1+1=1”,并将其明确为突破、掌握载人航天器交会对接技术的标志之一。

一览人类航天史上的多舱段航天器飞行任务可以发现,“1+1=1”有着不同层次和程度上的实现,而这个看似简单的加法并不容易。

1975年,阿波罗18号飞船和联盟19号飞船对接成功,在1天23小时的飞行后,二者随后各自返回地球。在打开舱门的那一刻,苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫与美国宇航员托马斯·斯坦福德紧握双手,这是人类历史上最伟大的时刻之一。

结构及其运动控制的“1+1”。美国采用双子座飞船与改装后的二级火箭进行对接,对接后由飞船进行组合体控制;苏联用两艘飞船相互对接,对接后由模拟空间站的被动飞船进行组合体控制;1975年的阿波罗-联盟测试计划(ASTP),美苏两个飞行器互换角色进行了两次对接,分别担任主控方。这些任务中,对接前的目标飞行器与追踪飞行器独立进行各自的运动控制,对接后的两飞行器通过刚性连接装置在结构上成为一体,形成了具有新的几何构型和质量、惯量特性的组合体,随后由两飞行器中的一方统一对此组合体进行运动控制。两个飞行器的结构及其运动控制必须实现“1+1=1”,这是形成组合体最基本的要求,也是早期交会对接飞行试验首先解决的基础技术。

信息系统的“1+1”。人类太空探索活动进入空间站时代后,空间站的计算机对对接上来的新舱段进行统一管理,是为常态。实现信息系统融合的基础是通过对接机构实现两飞行器的电路连接,也可以在对接后由航天员手动拉线连接——国际空间站不少出舱活动,都包含了手动连接空间站与舱段电缆的任务。来自不同航天器的信息怎么融合?从最基础的相互采集遥测信息、代传指令、到信息网络并网,并在此基础上进一步实现信息系统重构。控制系统的重构为其中一种典型应用:空间站的控制器通过信息网络的并网连通统一使用各个舱段的敏感器和执行机构(发动机),从而实现控制优化。

能源系统的“1+1”。俄罗斯电影《太空救援》讲了苏联礼炮计划中最后一个空间站礼炮7号在轨失控后的救援行动,这段真实历史就涉及到能源系统的维修和恢复。两个飞行器供电网络的并网有多种模式:(1)单向由空间站向新舱段输电并完全供其所需。比如,被航天飞机送上天连接至国际空间站后,欧洲和日本舱段完全由站上提供能源。(2)单向补充新舱段的供电短缺。比如,飞船对接至空间站后,因帆板受遮挡等原因导致自身发电能力受限,由空间站提供部分能源弥补不足。(3)双向供电实现能源跨舱段调配。空间站自身的可发电舱段通常以此模式工作,以灵活满足不同负载的使用需求。(4)在空间站出现故障或短时功耗过大情况下,通过飞船向站供电满足应急需求。上述的礼炮7号电源失效后,曾考虑让航天员从联盟T13飞船拉电源线至空间站进行供电,后因担心短路故障影响飞船电源,改为直接维修礼炮号设备。

热控流体回路的“1+1”。能源调配总是伴随着设备发热及散热的调配。高效率的热调配措施是将舱段间的热控流体回路连通,直接将热量跨舱传输。此方法也可以用于均衡热控辐射器的散热能力,或在辐射器局部受损时进行散热区域调配。

载人环境的“1+1”。中国航天员在飞船对接上核心舱后不久即开舱门进入空间站,这是因为核心舱与飞船采用了相同的压力体制,大气总压和氧分压设计状态一致,只需进行压力平衡消除微小压差即可。这就是密封舱连通后整个飞行器形成统一载人环境的结果。而在美苏ASTP计划中,联盟飞船采用760mmHg、20%含氧量的标准大气状态设计,阿波罗飞船为260mmHg和100%纯氧环境。为了实现真正的“太空握手”,联盟飞船将大气环境设置为520mmHg、40%含氧量,并在对接后进一步将压力降至500mmHg,阿波罗飞船则在对接后充入氮气调整空气成分并增压,这才打开了舱门。

推进系统的“1+1”。媒体报道说,5月30日与中国空间站核心舱对接的天舟二号货运飞船除运送物资外,“还需要实现与核心舱交会对接后的推进剂补给”。这里被称为“太空加油”的推进剂补加,可以视作一种特殊的、短时间的推进剂贮箱连通融合。

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