里里外外说天宫——天宫一号目标飞行器面面观本报记者宋丽芳许
【报纸名称】:
【出版日期】2011.09.30
【版次】第6版(专题报道)
【入库时间】20120210
【全文】
地面体检煞费苦心
“天宫一号”虽然使用了很多成熟的技术，但采用的新技术、新设备也非常多。单看“天宫一号”的个头——长10.4米、直径3.35米，就比以往的飞行器大很多，如何保证它能够成功升空，顺利完成交会对接任务，并在太空平安地飞行两年？中国航天科技集团公司的科研人员为此煞费苦心，做了大量验证试验。
为了确保“天宫一号”能够适应太空环境，在奔赴发射场前，集团公司所属五院的科研人员对它进行了一系列科学、严格、全面的“体检”。
科研人员采用各种先进的测试手段，模仿“天空一号”从发射升空到太空飞行的各种环境，通过振动试验、噪声试验、真空热试验、泄复压试验等对“天宫一号”进行详细的“体检”，并对发现的各种问题进行分析与排查。
为了测试“天宫一号”能否适应火箭起飞时产生的巨大振动以及过载产生的影响，科研人员对其进行了振动试验与热力学试验。
试验时，“天宫一号”被固定在振动台上，浑身接满数百条各种导线，通过横向与纵向的振动，检测其整体框架结构以及振动对各种设备产生的影响。
为了模仿在太空飞行过程中时冷时热的环境，“天宫一号”被装进特制的大罐内。罐内被抽成真空状态，并被加热和冷却，检测它在极端温度条件下的适应能力，发现可能出现的问题。
为了在太空完成好交会对接任务，科研人员努力模仿对接时的情况，在地面进行了多次对接试验。
为了测试太空通信是否能保持通畅，测试人员分别乘坐两架飞机，相距一定距离飞行。
在飞行过程中，测试人员模拟交会对接时的情况，测试通信系统能否有效发送并接收信号，以满足需要。
“天宫一号”在太空中等待载人飞船交会对接的日子里，其舱内的气体成分可能会发生变化，从而不适合航天员工作生活。
因此，“天宫一号”在适当的时候需要像室内开窗换气一样，把舱内不合格的气体排出去，重新充入合格的气体。在地面上，技术人员进行的泄复压试验就是为了验证“天宫一号”能否满足此项设计要求。
“天宫一号”设计了可以满足航天员太空生活的空间。为了检验能否满足要求，技术人员进入“天宫一号”内，模拟航天员全封闭下的太空生活状态，检查各种设备是否满足太空生活需要，并及时发现不适合的地方加以改进。
在地面，科研人员还进行了压力应急试验，测试当“天宫一号”舱体出现微小漏孔时，所采取的措施能否维持一定的舱压，并能保持80分钟。因为只有这样，才能为航天员赢得充足的逃生时间。
天地通信“大挪移”
“天宫一号”飞入太空预定轨道后，如何与地面保持联系，如何与神舟飞船精准地实现交汇对接？当航天员乘坐神舟飞船与“天宫一号”实施交会对接时，人们又如何了解他们在太空中的情况？
据中国航天科技集团公司五院技术专家介绍，要想通过视频、音频了解距地面约350公里的“天宫一号”的情况，就要靠测控与通信分系统了。
早在2003年10月15日，神舟五号飞船成功飞天时，通过测控与通信分系统的图像与话音设备传输，亿万人民观看到首位航天员杨利伟在飞船内完成各种操作，听到他清晰地报告在太空的感受；“神舟七号”飞天后，人们目睹了航天员翟志刚在太空中成功展开五星红旗的全过程。人们看到的电视画面就是依靠远望号测量船和多个地面站，接力式地收发信号，再传回祖国实现的。
神舟飞船围绕地球飞行时，一个地面站捕获飞船的时间大约在六七分钟左右。为了能让太空传输下来的画面、语音不间断，地面站、测量船必须一个接一个地把信号接收下来。但即使这样，包括借助国内外测控站、多艘测量船，我国对飞船的测控覆盖率也只有约12%。
从“天宫一号”开始，这样的接力格局被打破。“天宫一号”与中继卫星可实现“太空握手”。而要了解“天宫一号”的测控与通信分系统，就必须理解一个新概念——“中继”。
中继卫星可为中低轨道卫星、飞船等航天器提供中继数据和测控服务，提高各类卫星使用效益和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，为应对重大自然灾害赢得更多的预警时间。一颗中继卫星可以实现约40%的连续测控通信覆盖。中继卫星及相关地面系统的支持，可提供遥测遥控、语音、图像及其他数据传输业务，监控追踪“天宫一号”的各项活动，保证其在轨正常运行。
要想实现“天宫一号”与神舟飞船的成功交会，必须进行精准的测试与定位。“天宫一号”要捕获相距遥远的中继卫星，难度非常大。
在“天宫一号”的外侧，有一个直径约1米的“锅状”反射面天线，那就是中继天线。通过中继天线和配套设备，“天宫一号”可以捕获并跟踪中继卫星，在中继卫星的可视弧段通过中继专用信道向地面传输数据；同时，又可通过中继信道接收地面上传的数据。这样就完成了规定的前向和返向信道数据处理，具备接收遥控、程控和注入数据控制设备状态的能力，并具备了提供设备工作状态遥测的功能。
“天宫一号”测控与通信分系统还增加了空空通信和相对测量设备。在交会对接过程中，当神舟飞船与“天宫一号”相距约100公里时，建立空空通信链路，同时开始相对测量。
天宫家装不一般
如果说，“神七”是精装修小户型，那么“天宫一号”则是一个“豪华”的大一居。它一旦与“神八”交会对接后即可彻底改善航天员的“居住环境”，形成一套格局设计科学的“两居室”。
“天宫一号”由实验舱和资源舱组成。推开舱门就可见一面五星红旗挂在左侧舱体。据称，这面国旗正对着右侧舱体上方的摄像机，飞行器在轨飞行时，传输给地面的第一个画面就是这面鲜红国旗。
柱形实验舱的三个部位以米黄为主打色，据载人航天器工效学设计师王羽白称，米黄色系是最接近自然的一种颜色，可以使航天员在视觉上不容易产生疲劳。这种阻燃性能极强的特殊材料将原先裸露的管线、设备和多层仪器板很好地隐藏起来，若需要使用仪器时，可以随时拉开阻燃布的尼龙大扣粘胶带，使用方便。正对着地球的部位采用大地的颜色——土黄色，有利于航天员辨明方向。
10余个用金属大扣包扎整齐的软包被整齐地固定在实验舱第一象限的舱壁上，这种金属大扣的奇妙之处在于固定性强且拆卸简易，一拉即开。每个软包都有着各自的使命，它们各司其责地为航天员的“太空居室”生活保驾护航，比如负责安全的有防毒面具包、灭火器包等；负责生活的有清洁用品包、食品包、内衣包等。
睡眠区设在以往飞船中都不曾出现过的区域，也是设计师们倾力打造的一个重要区域，在太空失重的环境下，航天员必须钻进睡袋并固定在舱壁上。舱内非常嘈杂，除了通信说话的声音外，还有机器设备的响声。这些因素都直接影响着航天员的睡眠。为了给航天员营造一个舒适的睡眠环境，设计师开辟出约1立方米大小的弧形区域作为睡眠区。睡眠区内除了长方形睡袋，还在舱壁上贴有一个非常居家的挂袋，可供航天员存放细软小物品。睡眠区正中间的黑色可折叠小桌板，是用来摆放书籍和电脑。此外，这个类似于火车“卧铺”的休息区，拉上厚实的军绿色帘子，可以隔绝大部分噪音，从而提高航天员的睡眠质量。
一辆有自动计量功能的脚踏车和可供航天员锻炼的横管都设在睡眠区的一侧，并被称为健身区。航天员健身的目的是为了在失重状态下保持骨骼强壮，不让肌肉因为失重而松弛。
用餐区设在了“神八”的轨道舱内。“厨房”可储藏80余种食品。食品加热器、大小便收集装置等航天员生活必备装置被隐藏于舱体，只有使用时才能感觉它们的存在。
每个区域旁边都设有数量不等的手脚限位器，30余个约200厘米长、锦丝带材质的手脚限位器被巧妙地安放在舱壁四周。这种“小身材”装置却有着“大功效”，它是保证航天员在失重飘离状态下，便于手脚着力的唯一“法宝”，也是舱内数量最多的一项设备。航天员在舱内能顺利地工作和生活，它的作用功不可没。
两年飞行不惧艰险
神舟飞船轨道舱留轨运行的寿命只有6个月，而重达8.5吨的“天宫一号”使用寿命要达到两年，研究团队如何攻克在轨长寿命的技术难关？“天宫一号”在太空中的两年生活中又将遇到哪些艰难险阻、完成自己的使命？
“天宫一号”在太空生活的两年中，除去分别与3艘无人或有人的神舟飞船交会对接外，多数时间都是无人状态下的自主飞行。在这么长的时间内，它发射上天时所携带的资源如气体等，会不会向外泄露而影响航天员的使用呢？
科研人员早已考虑到这一点，所以在设计研制中保证“天宫一号”所携带资源的泄漏微乎其微，同时携带足够的气源进行泄漏补偿，不会影响航天员的正常使用。
“我们还在‘天宫’里为航天员配备了体育锻炼设施和娱乐设施，笔记本电脑里事先存储好航天员感兴趣的影音节目，从太空中甚至还可以往地球上发送电子邮件。”中国航天科技集团公司五院载人航天总体部型号主管设计师李兴乾说。
“天宫一号”里有数百台设备，它们对于“天宫”的在轨运行和正常工作无疑都十分关键，在太空中，这些设备一旦出现故障该怎么办？李兴乾说：“我们设计时已做了充分的地面试验，有的设备试验次数达万次以上，就是为了提高设备的可靠性。在一些关键设备的控制上，我们还设计了‘双保险’，比如无人期间设备自动控制，有人时还可以让航天员参与进行人工控制。”
太空垃圾是围绕地球轨道的无用人造物体，小到由人造卫星碎片、漆片、粉尘，大到整个火箭发动机。据统计，直径大于1厘米的空间碎片数量就有超过11万个。这些零零碎碎的太空垃圾和航天器之间的相对速度一般为几千米每秒至几十千米每秒，即使轻微碰撞，也会造成航天器的重大损坏。
研制人员为此制定了应对措施，在“天宫一号”的舱体上设计了特殊的防护装置，较小的太空垃圾几乎不会对它造成多大影响；遇到体积较大的太空垃圾时，“天宫一号”会提前启动预警机制，躲开危险物以保证自身安全。
太空环境是千变万化的，太阳因能量增加会向空间释放出大量带电粒子流，形成的高速粒子流就叫太阳风暴，会对航天器受到干扰。而最近两年是太阳活动高峰年，研制人员预计到“天宫一号”将会遭遇太阳风暴的影响，致使其轨道的衰减速度加快，进而影响到下次与下一艘飞船的交会对接。
为此，研制人员进行了有效的设计，他们适时会利用地面控制系统，启动“天宫一号”上的推进器将自身往高处托举，使之维持在要求的轨道高度。
当然，即使不发生太阳风暴，“天宫一号”在太空中运行的轨道高度也不是一成不变的：在与飞船交会对接时，它会飞得低一些，大约距离大气层340公里；无人期间则会飞得高一些，约370公里，因为越高的地方空气密度越小，轨道衰减少，更加节约能源。