为了太空神奇的一“吻”——上海航天研制对接机构纪实

■ 游本凤

为了太空神奇的一“吻”
——上海航天研制对接机构纪实

■ 游本凤

这是一个对中国载人航天来说最为辉煌的时刻，这是一个令全中国人民砰然心动的时刻。2011年11月3日1点35分，天宫一号小型空间试验站与神舟八号飞船，这两个8吨多重的“大家伙”在距离地面343公里的太空轨道上，慢慢地靠近、靠近，咔嚓一下，交会对接成功。

神奇的一“吻”，美妙的瞬间！

对接机构锁定了两个航天器，使它们连成一个整体在太空里遨游。两个航天器之间形成了一个直径达80公分的圆形通道。这一通道，日后将供航天员自由地进出，以及货运飞船运送空间站必需的物质和实验设备等。

无论是目前的小型空间实验站，或是今后建立大型空间站，一切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。

抓住先机踏上16年的攻关之路

当今世界，掌握空间交会对接技术的只有俄罗斯和美国两个国家。而能够独立研制对接机构的只有俄罗斯，美国航天飞机上用于与空间站交会的对接机构都是向俄罗斯采购的。

上海航天局原副局长、中国载人航天工程飞船系统原副总指挥兼总设计师施金苗是我国第一代参与载人航天工程863课题的资深专家。他说，早在我国载人航天工程的起步阶段，工程决策层已经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，仅购买他们对接机构技术的设计专利费就要1亿美元，而当时人民币与美元的兑换价在1：9以上，也就是说将近10亿人民币。

垄断技术的人产生傲慢情绪是自然的。倒不是说中国人出不起这个价钱，而是中国航天方面考虑到，今后建立空间站，对于对接机构的需求不仅仅是一套两套的问题。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，对接机构的用量很多，再加上以后搞探月工程，实施登月舱登月，也离不开对接机构。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。

神舟飞船副总指挥叶勋在谈到自主创新时十分感慨地说，我们有再多的钱，买不到国家安全，买不到先进的航天技术。随着我国载人航天工程的进一步拓展，令西方个别国家感到不安，于是他们对用于太空产品中的元器件、原材料等对我们实施封锁和禁运。像天宫和飞船太阳帆板上用的碳纤维，国外某公司就以波音787飞机用量大，波音公司包销五年为借口，拒绝向我们提供。

载人航天工程决策层传递的这一信息及时被上海航天领会和捕捉。抓住对接机构研制任务的先机，是上海航天早在十多年前就谋篇布局、精心策划的一篇大文章。在这之前，上海航天已经承担了飞船上一舱两个半系统的任务，即推进舱、动力分系统、电源分系统和话音/图像、遥控遥测子系统等，是我国载人航天工程研制领域里的主力军团。

上海航天人深知，我国载人航天工程实施的“三步走”方案，除了第一步走外，从第二步开始，以至到第三步走的全过程，重点都将放在建立空间站上。而建立空间站，两个航天器的交会对接是必须突破的重点技术，而对接机构是重中之重。于是，在上级的大力支持下，上海航天依靠很少的经费，以总体单位805所和总装单位149厂的研制团队为主，开始了历时16年的艰难攻关历程。

两个“大家伙”在太空中如何牵手

在805所对接机构研究室里，副总师张崇峰博士是对接机构研制的开创者之一。之前他是哈工大的博士生导师，当他得知我国将要搞对接机构时，凭着一股激情和一种使命感毅然来到805所。项目刚起步时10个人都不到，他们中间谁也没有见到过对接机构，一切都是模糊的概念和纸面文章。“只有执着追求，才能取得成功。”这是他的铮铮誓言。张崇峰的身后，堆着十大箱他们翻译或收集的对接机构资料，这些资料见证了他们起步时的艰辛。记得当时为了争取到这一项目，在张崇峰的带领下，仅方案论证报告就写了三个多月。当然他们的心血没有白费，最终上海航天的项目方案被国家采纳，奠定了上海航天研制对接机构的基础。

我国这次实施的对接机构主要分为两部分，被动部分安装在天宫一号上，主动部分安装在神舟八号飞船上，天宫一号作为目标器，而神舟八号则以尾追方式与目标器进行交会对接。

在交会控制和对接过程中，必须完成缓冲、捕获、校正、碰撞、连接等一系列十分复杂的程序。缓冲的目的是为捕获目标做好充分准备，同时消耗一部分两个航天器接触撞击后产生的能量，保证其撞得上，但又不能撞坏，以形成柔性连接。捕获成功是完成对接的前提，校正的目的是使两个航天器的姿态符合对接要求。两个航天器对接成功后，还要确保对接面的拉紧与密封，并保持刚性连接。对接成功后则在两个航天器之间形成与真空环境完全隔离的通道，以确保航天员的生命安全。对接后还要实施电、气、液等连接，以保证空间站的正常运行。另外，对接后的两个航天器还须根据飞行任务要求，一直保持良好的对接状态，短则几天，长则几个月。待在轨任务结束后，再对两个飞行器实施分离。

上述过程均由一套复杂的对接机构按照预定工作程序，并在地面测控中心的精心指挥下完成，尤其是对接的精度要求非常高。航天专家告诉笔者，当天宫和神八两个8吨重的“大家伙”进行交会对接时，其初始速度为7.91公里/秒，即第一宇宙速度。如果以如此的高速撞上去，必然会导致“两败俱伤”。因此，在对接时，必须对两个飞行器进行减速，使其相对运行速度不能超过0.2米/秒，以达到缓冲碰撞的目的。对接时，两个飞行器还必须始终保持在一条直线上运行，横向错位偏差不能超过18厘米。当两个航天器逐步接近时，其对接面在达到300毫米时，俯仰、偏航、滚动三个姿态角均不能超过5°。只有在上述状态下，才能满足初始对接条件。最后，再通过微波、激光导航的精确控制，完成两个航天器的交会对接。确实，在茫茫太空中进行这样高精度和高难度的对接，简直近乎苛刻。这位航天专家对此打了个十分形象的比方：两个航天器的交会对接，就像我们在地面上一手拿针，一手拿线，一次就要将线头穿进针孔，其难度可想而知。

而任务完成后，两个航天器还要实施完好无损的分离，这其实是一个交会对接的逆过程，可靠分离同样是确保航天员安全返回地面的关键之举。

万一分不开怎么办？航天专家说，对于这个问题，我们早就考虑到了，万一分不开，我们必须首先确保航天员的生命安全，让其返回地面，即采用非正常手段对对接机构实施强制分离。因为在对接机构一圈我们安装了数只爆炸螺栓，万不得已时，就只能实施破坏性的一招了。但这种可能性微乎其微，因为我们在地面做了大量试验，分不开的概率只有万分之零点几。

外国专家参观后竖起拇指夸“OK”

刚起步时，上海航天人谁也没有看到过对接机构，一切都来源于有限的国外资料和有关书本，通过学习消化，搞懂一些原理，有了点模糊的概念。别的不说，光他们在起步阶段翻译各国的对接机构技术资料就装了整整十大箱。

万事开头难。研制对接机构首先要解决的问题是要在地面实验室里模拟一个较为庞大的微重力真空环境，以保证地面试验的充分。若地面试验不充分，进行太空对接无从谈起。进行地面试验，必须要有一套十分复杂的地面设备。根据有关资料了解到，模拟微重力环境下的对接，俄罗斯采用的是“吊挂”方案，即用足够长的绳子把两个飞行器模型分别“吊挂”起来，然后拉开一段距离，利用钟摆原理使两个飞行器对撞，以此模拟对接过程。我们的航天科技人员经过研究分析，认为这种试验方法稳定性差，无法控制对接前的状态，距离精准性的技术要求也很大。

“跟在别人后面亦步亦趋没有出路，靠别人的恩赐只能是竹篮打水。”805所的总工艺师王北江经过潜心研究，提出了用喷气悬浮的方案建造对接缓冲试验台。这是一个大胆的想法，完全不同于俄罗斯的试验方法，具有中国航天人的创新特色。但在建台过程中，却碰到了一个意想不到的问题，即该方案需要两块大石头作为平台。这可不是两块普通的石头，首先要求石头必须是整块的，中间不能有细微的裂缝；其次石头本身对温度的稳定性要好，表面比镜面还要平。就为了这两块大石头，805所的几个同志拔山涉水，几乎走遍了全国各地，最后在泰山某矿区找到合适的石头。经过圈定范围，在当地的石匠的帮助下，开采了两块70多吨重的泰山石。再经过精雕细作、精心打磨，最后制作成功两块20吨重的对接试验平台。

如今，由805所科技人员研制的对接缓冲试验平台上，两个8吨重的庞然大物，只须用手指轻轻一点，就能自如地移动。另外，还可以根据各种试验的需要，设置初始对接条件。

在技术创新方面，他们以仿真先行，借助先进的计算机技术，利用动力学、运动学、热力学等对部件和系统进行仿真试验。这些仿真非常见效，大大缩短了研制周期，节省了大量科研经费。他们还创造性地开展模拟试验，有的设备在没有外援的情况下，他们自己设计、自己动手，自己研制，许多非标试验设备，如空间对接机构特性测试台、缓冲试验台、空间对接机构综合试验系统、空间对接机构热真空试验台四大试验专用设备，以及六个自由度的大型试验转台等，在他们手中一一诞生了。正是这些关键专用设备，解决了环境模拟、初始条件的建立、实时检测三大难题。这些地面模拟试验设备与俄罗斯的试验设备相比，要先进得多。

难怪俄罗斯和欧空局的航天专家在实验现场参观了上述设备后，竖起大拇指连称“OK”。他们一致称赞：这是当今世界最高水平的对接机构地面试验设备。

12把锁钩36吨力牢牢锁定目标器

碰撞式对接机构有三种构型，上海航天人选择了其中难度较大的导向板内翻式的异体同构周边式型对接机构作为研制对象，进行技术攻关。

由于对接机构实在太复杂了，其研制难度可以说是前所未有的。无论是设计人员，还是总装人员，几乎都异口同声地说从来没有碰到过难度这样高的产品。正因为具有极大难度，对接机构从设计、制造、工艺、装配、检测、试验等诸多环节，都面临技术创新的突破。对接机构中有118个进行测量的传感器，5个接发指令的控制器，18台电机传动着上千个齿轮和轴承，进行力的传递。而接插件、电缆紧固件等有上万个，不要说设计制造加工了，这些接插件、紧固件哪怕叫你点点数字登记造册都让人头脑发晕。再看对接机构上的各种各样的编织电缆线更是密密麻麻，多看几眼也觉得眼花缭乱，不要说连接装配了。当然，这上面最关键的是12把锁钩。正是这些力大无比的锁钩，每把可产生3吨的力，12把共产生36吨的力。将目标器牢牢抓住并锁定。

经过不懈努力，刻苦攻关，包括设计人员与制造、工艺、总装人员密切配合，他们终于在1999年我国第一艘无人飞船发射成功之时，拿出了第一套对接机构原理样机。对接机构终于从设计图样变成了实物，尽管还须进一步完善，但毕竟迈出了坚实的一步。原理样机的成功大大鼓舞了研制团队的信心。

接着，他们在数年时间里，这支团队马不停蹄，再接再厉，通过边改进，边完善，经过无数次各种各样的试验和验证，促使研制工作经常在“山重水复疑无路时”，出现“柳岸花明又一村”的喜人局面。在接下来的几年间，研制团队共拿出了热控样机、能力样机、鉴定样机各5套，使得上海航天的对接机构研制进度始终与天宫和神八的进度同步。最后，他们又拿出9套正样产品、备份产品，保证了这次天宫和神八的太空交会对接飞行试验。

对于航天产品来说，设计水平再高，最后变成实实在在的产品实物，还须依靠技术工人加工、制造和总装出来。149厂的对接机构总装团队用他们的一双双灵巧神奇之手，总装出了一套套对接机构。上海航天首席特级技师、对接机构总装组组长王曙群，称得上“蓝领”中的精英，是对接机构总装工人中的“领头羊”。如对接机构中钢索在大载荷传动中会出现延展现象，导致钢索变长，张力下降。通过一年时间的摸索，他提出改变钢索旋向以及对钢索进行预拉伸处理的工艺方案，并配合其他改进工艺，很好地解决了这一难题。天宫和神八两次交会对接的成功实践证明，这个方案非常科学。又如针对产品上关键件12把锁钩，设计团队接受了他提出的技改建议，将每把锁钩的一套主动动力源改为由2个主动动力源来担纲，其余10把锁钩采用滑轮和钢丝来牵动，这样一下子就省下了10个动力源。每个动力源重5.8公斤，10个就是58公斤，既为对接机构总成减负了一大块，又节省了许多经费。

王曙群的同事单培林，一个即将退休的老工人，但装配对接机构绝对是把好手。对接机构内的差动组合，就像一个放大了百倍的手表机芯，里面布满了大大小小的齿轮和粗细不一的弹簧，装配难度极大。老单与其打了七年的交道，仅工作笔记就记了五大本，写了100多页的装配流程，并提出了十多项改进措施。装配这一高精尖产品，凭的全是他手上的工夫。为了使差动组合传动效率提高一个百分点，他曾经在4天时间里用48个小时重复做一个动作，凭手感和听力来调试差动组合的流畅性。一次，几位俄罗斯航天专家来该厂参观交流，其中一位专家没说一句话，唯一做的动作就是在老单装配的产品上用手指点了一下输出端齿轮。回国后，这位专家托人捎了句话给我方的研制人员，说你们的对接机构一定能成功。

这真是外行看热闹，内行看门道。

阳光总在风雨后。他们终于迎来了中国载人航天两个航天器实施交会对接的这一天。2011年11月3日，对他们来说，是一个特殊的日子。从2日晚上起，研制团队的许多成员几乎一夜未眠，他们兴奋地聚集在一家大浴场内，怀着急切的心情收看电视节目中的实况转播。

十六年了，航天人等待着这一刻，十六年了，航天人盼望着这一刻。十六年，足以将一个嗷嗷待哺的婴儿养育成英俊少年；十六年，足以将一棵稚嫩易折的幼苗培育成参天大树。

当电视屏幕上出现交会对接的镜头时，他们心潮彭湃，他们如痴如醉，简直就像看一部外国大片一样兴奋无比。成功了，成功了！众人抑制不住激动的欢呼声，震耳欲聋！

上海航天局；作者系上海作家协会会员）