潘晨 科技日報記者 付毅飛
空間站夢天實驗艙發(fā)射入軌后，于北京時間2022年11月1日4時27分，成功對接于天和核心艙前向端口，整個交會對接過程歷時約13小時。
后續(xù)，將按計劃實施夢天實驗艙轉(zhuǎn)位，夢天實驗艙將與天和核心艙、問天實驗艙形成空間站“T”字基本構(gòu)型組合體。
秉承中國航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森提出的系統(tǒng)工程思想，歷經(jīng)十余年空間站研制歷程，航天人將“建造太空家園”的心中宏圖，繪成手中藍圖，用智慧和汗水鑄成重器，彪炳史冊。這背后，空間站系統(tǒng)獨具特色、匯聚著智慧與匠心的總體設(shè)計，堪稱我國航天器系統(tǒng)設(shè)計的又一次創(chuàng)新跨越。
系統(tǒng)設(shè)計與工程管理深度融合
“結(jié)果源自開頭，起點通往終點。”五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔表示，對于系統(tǒng)工程實踐來說，科學(xué)思想先于工程實踐。在空間站這樣一個空前復(fù)雜的系統(tǒng)工程中，總體設(shè)計是“龍頭”和“命脈”，一切工作肇始于此，歸結(jié)于此。
如何把多個大型航天器在軌合理、高效組裝起來？如何低成本、高效益實現(xiàn)長期在軌穩(wěn)定運行？筑夢之初，總體設(shè)計人員面臨著一連串難題。
五院空間站系統(tǒng)總設(shè)計師楊宏認為，必須依靠自立自強打破封鎖，通過增強頂層設(shè)計，瞄準前沿系統(tǒng)謀劃，提出適合國情的組裝建造方案。他帶領(lǐng)五院總體設(shè)計團隊以“規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”為設(shè)計思路，創(chuàng)造性地提出“利用艙段交會對接和轉(zhuǎn)位機械臂進行平面轉(zhuǎn)位、研制大型組合機械臂并與航天員協(xié)同進行艙外大型設(shè)施構(gòu)建”方案。這一獨具特色的總體設(shè)計方案，可以使我國在沒有航天飛機等大型運輸工具的情況下，完成積木加桁架混合構(gòu)型的大型空間站在軌組裝建造。
同時，“一個系統(tǒng)總體、三個艙段總體加上一套專業(yè)分系統(tǒng)團隊”的工程組織架構(gòu)，撐起了整體統(tǒng)一的管理，使天和、問天、夢天三個艙段的通用化率達80%，促進了系統(tǒng)方案優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計與工程管理深度融合，相得益彰。
隨著夢天就位，中國空間站的基本部分已形成，將為巡天光學(xué)艙等后續(xù)擴展艙段奠定堅實基礎(chǔ)。未來，中國空間站還能夠在機械臂的輔助下進行擴展艙段的組裝，形成十字形、干字形等擴展構(gòu)型。
將“天地人和”融入總體設(shè)計
中國人自古講求“天地人和”，如今這古老的智慧穿越時空，在空間站系統(tǒng)的總體設(shè)計中得到了體現(xiàn)。
在天上，組成空間站的各個艙段和來訪飛船都是獨立飛行器，對接后形成組合體。除了在結(jié)構(gòu)上交會對接，信息系統(tǒng)和能源系統(tǒng)也要相互聯(lián)接，確保動態(tài)并網(wǎng)、能力共享。此外，通過熱控流體回路，熱量也實現(xiàn)了跨艙傳輸、相互兼容。三艙互聯(lián)互通，通過統(tǒng)一控制和管理實現(xiàn)動作協(xié)調(diào)、資源統(tǒng)籌使用，同時還具備跨航天器的系統(tǒng)重構(gòu)能力，整體性能實現(xiàn)了“1+1+1＞3”。
在地面，五院建設(shè)了與“天宮”等比例的物理空間站，又采用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建了數(shù)字空間站，形成了“天-地-數(shù)字”三站協(xié)同的運行模式，用飛行數(shù)據(jù)實時驅(qū)動并開展在軌狀態(tài)預(yù)測、趨勢評估，為空間站安全運行護航。
人，是空間站系統(tǒng)里具有決定性的要素。從中國空間站設(shè)計之初，到每次任務(wù)全程，五院設(shè)計團隊都會和航天員充分溝通，將以人為本理念貫徹到底。一方面，他們從航天員的需求出發(fā)，通過優(yōu)化設(shè)計不斷提升空間站的舒適性和便利性。掃碼識別的物資管理系統(tǒng)、天地雙向視頻、智能廚房……處處蘊藏著設(shè)計師們的精巧構(gòu)思。另一方面，航天員的安全是重中之重。航天英雄楊利偉在首次飛天前，對總體設(shè)計人員說：“我信任你們?！边@句話對設(shè)計團隊來說，既是最好的肯定，也是最重的責(zé)任。
自立自強，用科技創(chuàng)新化解難題
空間站系統(tǒng)的總體設(shè)計，既有胸懷宇宙萬象、馳騁天地間的酣暢淋漓，也屢屢遭遇“大象在瓷器店里跳舞”的棘手難題，更有橫刀立馬誓要守住的底線紅線。這一切，最終都被總體設(shè)計人員巧妙化解。
早在空間站任務(wù)起步之初，楊宏便意識到，關(guān)鍵核心元器件一定是制約空間站長期可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。秉持以國家重大型號引領(lǐng)基礎(chǔ)技術(shù)突破的觀點，他帶領(lǐng)技術(shù)團隊駐扎元器件研制一線攻關(guān)，一舉突破了550萬門宇航用元器件的技術(shù)瓶頸，解決了核心元器件“卡脖子”問題。此舉不僅實現(xiàn)了對進口元器件的全部替代，打破了封鎖壁壘，還迫使某國際元器件巨頭公司主動遵從我們的標準生產(chǎn)產(chǎn)品。目前空間站系統(tǒng)核心元器件已實現(xiàn)全部國產(chǎn)化，真正將主動權(quán)掌握在自己手中。
同時，五院堅定地走科技自立自強之路，提前布局打造了宇航智造工程空間站示范項目，打通了研制過程全周期、全三維的模型數(shù)字化流程，開辟了新型數(shù)字化研制模式，使研制周期縮短了30%；攻克了可爬行機械臂等一系列擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，在發(fā)供電、物資循環(huán)利用效能和運行經(jīng)濟性等關(guān)鍵性能指標上實現(xiàn)了超越。
面對系統(tǒng)可靠性的難題，技術(shù)團隊創(chuàng)立了在軌航天器安全性、可靠性、維修性“三性融合”的綜合工作體系。這種不中斷飛行、化繁為簡的維修設(shè)計，在各種約束條件下，實現(xiàn)了整體系統(tǒng)優(yōu)化和功能增強。
