天宫一号/神舟八号交会对接任务总体评述

周建平

（中国载人航天工程办公室，北京100720）

2011年11月3日，天宫一号目标飞行器与神舟八号飞船成功实现了我国首次空间飞行器自动交会对接，我国空间交会对接技术取得重大突破。这是继突破载人飞船天地往返和航天员空间出舱活动技术后，我国载人航天技术发展的又一新的里程碑，为实现我国载人航天工程“三步走”发展战略，建造和运营空间站迈出了关键的一步。

1 飞行任务基本情况

1.1 交会对接技术方案概述

天宫一号目标飞行器与神舟八号飞船交会对接任务是在载人航天工程两总和工程总体的领导和组织下，在载人航天工程航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、着陆场和空间实验室八大系统密切配合下共同完成的。

我国首次交会对接采取的主要技术路线是：以工程第一步任务研制的神舟飞船为基础研制交会对接追踪飞行器，使其具备自动和手动交会对接功能以完成交会对接飞行试验任务，对部分设备进行改进和完善，以提高可靠性安全性及功能和性能，改进后的神舟飞船未来将作为天地往返载人运输系统为空间站提供航天员天地往返运输服务和部分物资的天地上下行运输服务；全新研制天宫一号目标飞行器作为对接目标，支持与飞船的多次交会对接，同时具备组合体运行管理、航天员中短期在轨驻留、空间科学实验等功能，验证交会对接和空间站部分关键技术；研制改进型CZ-2F运载火箭，提高入轨精度、运载能力和可靠性，用于发射载人飞船和目标飞行器；采用陆海天基测控通信网，完成飞行器全程测控通信任务和飞船交会飞行的远距离导引控制任务；采用微波雷达、激光雷达和CCD图像测量设备测量两个飞行器的空间相对位置，由飞船自主完成近距离交会飞行控制；采用导向瓣内翻的周边式对接机构自动完成两飞行器的捕获、锁紧。载人飞行器按照“一度故障工作、二度故障安全”进行设计。

天宫一号目标飞行器采用实验舱和资源舱两舱构型，具备支持交会对接、接纳航天员访问、进行组合体管理和开展空间科学实验和应用等功能。实验舱前端框安装被动式对接机构，舱外安装飞船交会对接测量设备的合作目标等设备，密封舱内部为航天员工作和生活场所。资源舱为柱段非密封结构，配置推进系统和太阳电池翼等，提供动力和能源。

改进型神舟八号飞船沿用三舱结构，在原神舟飞船的基础上新增了交会对接功能：轨道舱前端安装导向瓣内翻的异体同构周边式主动对接机构，舱外安装微波雷达、激光雷达、CCD光学敏感器、电视摄像机等交会测量设备，增加反推和平移发动机，具备自动和手动交会对接功能。

CZ-2F运载火箭改进了助推器结构以增加推进剂加注量，提高了运载能力；控制系统进一步增加了冗余度，利用组合导航修正惯导误差并采用摄动+迭代制导方法，提高了可靠性和入轨精度；新研直径4.2m的整流罩用于目标飞行器的发射。

天宫一号目标飞行器科学实验和应用载荷包括对地观测、空间材料科学实验、空间环境与物理探测和再生生保技术试验设备等；神舟八号飞船主要载荷为中德合作通用生物培养装置。

发射场为酒泉卫星发射中心载人航天发射场。由北京、东风、西安三个任务中心，中继卫星控管中心，15个国内外陆基测控站，3艘测量船，天链一号01、02中继卫星和地面通信网组成陆、海、天基一体化测控通信网，测控覆盖率提高到约70%，确保了交会对接关键事件的测控覆盖，可同时支持飞船和目标飞行器的测控。主着陆场位于内蒙古自治区苏尼特右旗以西地区。

1.2 主要飞行过程

2011年9月29日21:16:03，改进型CZ-2F T1运载火箭载着天宫一号目标飞行器准时点火起飞并按预定程序飞行。飞行582.1s后，目标飞行器与火箭分离，进入轨道倾角约42.8°、近地点高度200km、远地点高度346km的初始轨道。在第4圈、第13圈实施两次变轨后，目标飞行器进入平均高度354km的近圆轨道。9月29日至10月6日，进行了目标飞行器的交会对接支持设备、姿态和轨道控制、能源、环热控、信息管理等平台功能测试。在飞船发射前6d和前1d，分别进行了调相和轨道圆化控制，使目标飞行器进入高度约343km的近圆对接轨道。10月30日，目标飞行器偏航180°转入倒飞姿态，等待与神舟八号飞船对接。

11月1日05 :58:10，改进型CZ-2F Y8运载火箭载着神舟八号飞船起飞并按预定程序飞行，582.7s后船箭分离，飞船进入轨道倾角约42.8°、近地点高度200km、远地点高度330km的初始运行轨道，相对目标飞行器的初始相位角约88.7°。在远距离导引段，地面测控网测量飞船和目标飞行器轨道，由飞控中心根据交会变轨策略计算飞船的轨控参数，注入到飞船上，通过5次变轨，将飞船导引到自主控制段起始点。

11月2日23 :08，在第28圈圣地亚哥站测控区内飞船转入自主控制，经寻的、接近和平移靠拢段实现与目标飞行器对接机构接触。在寻的段，飞船采用C-W相对制导，通过4次轨道机动，将飞船送入与目标飞行器在同一轨道平面内，同一轨道高度、正后方5km停泊点。在接近段的400m接近和140m接近过程中，采用C-W制导和视线制导相结合的方案，通过2次轨道控制，飞船进入140m停泊点，停泊3min57s后转出。平移靠拢段从140m开始，采用六自由度控制方式，飞船进入30m停泊点，停泊4min09s后转出。两飞行器相距0.4m时，飞船GNC停控。

11月3日01 :28，对接环接触，经捕获、缓冲、校正、拉近、锁紧等，飞船与目标飞行器形成刚性连接。两飞行器对接后，飞船转入停靠模式，由目标飞行器负责组合体控制与管理。

在组合体运行段，神舟八号飞船和目标飞行器实现总线并网，组合体转正飞状态。11月14日，组合体飞行第12d在纳米比亚站至远望三号船连续测控区内，进行了二次对接试验，二次对接采用飞船后向撤离和正向接近的飞行方式进行。

11月16日18 :26，神舟八号飞船与目标飞行器分离。飞船先后完成第一次调姿、轨道舱返回舱分离和第二次调姿，在纳米比亚站测控区内按照程序和注入的控制参数进行制动。两舱制动减速后，保持惯性滑行至约145km高度推返正常分离，返回舱调整配平攻角，建立升力式返回再入姿态后再入大气层，约10km高度时引导伞、减速伞、主伞陆续正常开伞，GNC进行减旋控制，落地前反推发动机点火工作，19:32返回舱着陆。

目标飞行器与飞船分离后，于11月18日通过2次变轨控制，轨道高度抬升至382km，进入独立在轨飞行，等待与神舟九号飞船的对接，其间将进行有效载荷科学实验和应用。

2 总体评价

天宫一号/神舟八号交会对接飞行任务，对工程总体和各系统方案，特别是目标飞行器和飞船发射入轨、远距离导引、自主控制、对接、组合体飞行、分离、撤离及返回着陆进行了全面的考核验证，工程各系统工作正常，可靠地完成了全部任务，实现了“准确进入轨道、精确交会对接、稳定组合运行、安全撤离返回”的任务目标。首次交会对接任务的成功实施表明，工程总体方案和各系统方案正确，系统间接口协调、匹配；各系统完成了规定的任务，功能、性能和技术指标满足要求；突破和基本掌握了交会对接关键技术；首次交会对接任务取得圆满成功。

航天员系统研制的装船、装器产品在轨工作正常，完成了医学和工效学评价各项实验任务。

空间应用系统研制的有效载荷在轨运行状态良好，多光谱数据完整、图像清晰；空间环境探测和空间材料科学实验获取了具有研究价值的实验数据；中德生物培养装置完成了在轨试验、回收及地面比对实验，实验样品状态良好。任务期间空间环境监测、预报保障有力，有效载荷应用中心运行正常。

载人飞船系统突破了交会对接制导、导航与控制、对接机构及自主测量等关键技术，研制了具备交会对接功能的载人飞船，设计了合理可行的交会对接飞行程序。飞行任务中，飞船姿态与轨道控制、交会对接自主测量、对接与分离等交会对接功能正常、程序协调，能源系统正常、整船能量平衡，回收伞系统、着陆反推发动机等可靠性改进有效。

运载火箭系统突破了迭代制导、组合导航、双惯组冗余、控制系统三冗余计算机、冯·卡门外形整流罩、助推器氧化剂箱改进等关键技术，研制了改进型CZ-2F运载火箭，有效提高了运载火箭的入轨精度、运载能力和可靠性。飞行过程中各系统工作正常，控制程序执行正确。

发射场系统地面设施设备运行稳定，测试发射流程合理可行。

测控通信系统构建了陆海天基一体化测控通信网，飞行任务中，测控通信网工作正常，飞行控制快速准确，远距离导引精度高。

着陆场系统主副场测控设备及时跟踪测量了返回舱出黑障前后的轨道，遥测遥控正常，通信信道畅通，快速完成了搜索处置返回舱和有效载荷。

空间实验室系统突破了变结构姿轨控、能源管理、信息管理、载人环境控制、对接分离等组合体控制关键技术，研制了具备交会对接和组合体控制功能的目标飞行器，设计了合理可行的飞行程序。飞行任务中，交会对接支持、组合体控制功能正常、程序协调，能源系统正常、整器能量平衡，推进剂等消耗性资源剩余量在设计范围内，满足后续交会对接任务需求。

首次交会对接任务飞行结果表明，上述各参试系统总体方案正确，满足工程总体规定的技术要求和指标，均圆满完成了任务。

3 飞行任务主要成果

3.1 突破和基本掌握了自动交会对接技术

（1）制定了合理正确的技术路线。实践证明，制定的以神舟飞船为基础研制追踪飞行器和目标飞行器，运载火箭提高入轨精度和运载能力，采用陆海天基测控通信网完成远距离交会导引控制及双目标测控，采用飞船船载自主测量设备进行相对测量，由飞船自动完成近距离交会飞行控制，采用导向瓣内翻周边式对接机构的技术路线正确，关键技术均获突破。

（2）设计了科学合理的交会对接飞行程序。在系统分析各项制约因素和风险的基础上，进行了科学合理的任务规划，设计了完备的交会对接飞行程序和故障预案。开展了轨道共面、能源、热控、相位、测量敏感器光照约束、测控覆盖等多种约束条件下的任务规划，完成了远距离导引、自主控制、对接、组合体运行、撤离与返回等交会对接程序设计，确保了关键事件测控支持。实践证明交会对接飞行程序设计科学合理，实现了总体优化和高可靠、高安全的要求，为圆满完成我国首次空间交会对接奠定了基础。

（3）掌握了交会对接大型地面试验设备研制与试验技术。研制了九自由度运动模拟器、对接机构缓冲试验台、交会对接仿真系统等交会对接大型地面设备，建设了交会技术综合实验室、对接动力学实验室等，开展了交会和对接半物理仿真、九自由度自动和手控半物理仿真、近距离综合闭环仿真、交会对接测量设备测试、对接/分离功能和性能测试、组合体控制与管理功能和性能测试等大型试验，比较全面地覆盖了交会对接全过程，地面试验结果与飞行结果一致。

3.2 研制了具备天地往返运输功能的载人运输飞船

在神舟飞船基础上研制的改进型神舟载人运输飞船，具备自动和人工控制交会对接功能，突破了交会对接制导、导航与控制、对接机构、交会对接测量设备等关键技术，改进和优化了降落伞等分系统，进一步提高了飞船的性能和可靠性安全性。由改进型神舟飞船和CZ-2F运载火箭共同构成的载人天地往返运输系统将为我国空间站建设和运行提供乘员天地往返运输服务。

（1）突破了交会对接制导、导航与控制技术。采用的交会对接轨道控制策略以及制导和控制技术，充分利用了测控网资源，优化了制导控制律和姿态控制律，具有多种故障条件下的重构和应对能力；建立的实物、半实物和数学仿真系统对交会过程进行了充分、有效的试验验证。

（2）突破了对接机构技术。研制了异体同构周边式对接机构，突破了对接机构设计、分析、试验与制造技术，掌握了对接缓冲参数设计、总体布局参数设计、结构参数设计以及精度分配等总体设计技术，对接动力学建模与仿真分析方法，电性能、整机特性、对接缓冲及连接分离等试验技术，捕获锁、对接锁、驱动组合、差动组合、弹簧机构、电连接机构、电磁阻尼器、摩擦制动器等关键部件的制造技术。对接机构可适应目前交会对接任务及未来空间站的需要。

（3）突破了交会对接自主测量技术。基于微波雷达、激光雷达和CCD图像测量技术的飞船船载测量设备，可以获得百公里以远到对接过程飞船和目标飞行器之间的相对位置（包括距离和指向）和相对速度，测量精度高，设备重量轻，技术体制先进。

3.3 研制了中国首个试验性空间实验室

天宫一号目标飞行器除支持交会对接外，还具备组合体运行管理和支持开展航天员中短期在轨驻留、空间科学实验、航天医学实验和空间技术试验的功能，是一个功能基本完整、规模较小的试验性空间实验室。天宫一号既保证了全面验证交会对接技术，又对多项空间站关键技术开展了技术验证，降低了飞行试验消耗，提高了效费比。

（1）突破了多项空间实验室平台关键技术。天宫一号目标飞行器首次在国内低轨飞行器上采用100V高压母线、三结砷化镓太阳电池、半刚性太阳帆板及镍氢电池，研制成功了适用于载人空间实验室及空间站的新一代能源系统。突破了金属膜片成形、膜盒组件焊接、双金属焊接和热旋压成形等关键工艺技术，研制了可长期贮存、多次加注泄出的高排放效率金属膜盒贮箱，可满足未来空间站多次补加任务需要。设计了微流星体及空间碎片防护方案，利用辐射器兼作实验舱密封舱段的防护结构，并在高风险撞击区设计了专用防护结构。采用整体壁板技术设计制造的实验舱结构效率高、漏率低。

（2）突破了组合体控制与管理技术。设计了变结构飞行器姿态控制方案，国内首次采用控制力矩陀螺（CMG）和磁力矩器控制为主的姿控方案，控制力矩大、控制能力强、控制精度高，大幅减少了在轨飞行的资源消耗；采用空空通信和总线并网的无线和有线两条链路实现了两飞行器间的信息通信；组合体运行期间，两飞行器电源并网，由目标飞行器统一对组合体进行姿态与轨道控制、信息管理、能源管理、热管理和环境控制。

3.4 研制了高入轨精度、高可靠的载人运载火箭

改进型CZ-2F载人运载火箭采用迭代制导方法和组合导航技术显著提高了入轨精度，改进了助推器结构以增加推进剂加注量，新设计的控制系统提高了冗余度和容错能力，满足了交会对接对运载火箭严苛的入轨精度和可靠性要求。研制的新型目标飞行器整流罩是我国目前最大的整流罩。

（1）突破了运载火箭高精度入轨技术。首次在我国运载火箭上采用迭代制导控制技术，解决了迭代制导数学模型、迭代算法优化、快速平稳收敛等关键技术问题，加强了算法的可靠性和安全性设计，提高了迭代制导对飞行中系统干扰及故障的适应能力。采用组合导航技术方案，引入卫星导航信息，有效修正了惯性器件误差。飞行试验表明，火箭入轨精度大幅提高，降低了飞行器消除入轨偏差的推进剂消耗。

（2）突破了运载火箭控制系统冗余设计技术及故障检测隔离与重组技术。采用三冗余箭载计算机、三冗余功率放大器和伺服机构前置级伺服阀、三冗余伺服机构反馈电位计、软硬件一体化设计的三冗余时序控制器、双捷联惯组、双速率陀螺等冗余设计技术以及飞行控制软件冗余信息管理技术，进一步提高了系统可靠性。

（3）突破了冯·卡门外形整流罩设计制造与分离技术。国内首次在设计中采用冯·卡门外形整流罩方案，降低了火箭飞行中的气动阻力。采用玻璃钢蒙皮+铝蜂窝夹层结构、承载一体化透波口以及直筒段分段连接结构，解决了制造中的关键工艺技术难题。整流罩纵向解锁采用膨胀管-凹口螺栓和导爆索冗余设计方案，提高了分离可靠性。

3.5 构建了陆海天基一体化测控网

利用定点于东经77°和东经176.8°的两颗天链一号中继卫星以及布局于国内外的陆基测控站、测控船，并通过国际联网使用国外测控站资源，构建了国内迄今为止规模最大、系统最复杂的陆海天基一体化测控网，测控覆盖率由以前的15%提高到约70%，较好地满足了交会对接的测控支持要求，确保了任务的可靠完成。

（1）统筹利用陆海天基测控资源，实现资源优化配置。充分发挥天基测控高覆盖率和双目标连续测控的优势，保证了飞船和目标飞行器长弧段的遥测、遥控及图像话音的高质量传输，提高了远距离导引段测轨、定轨和轨道预报的精度；陆海基测控站重点覆盖关键事件和航天器大姿态运动情况下的测控，二者协同配合，关键飞行弧段互为备份，增强了测控通信系统的可靠性，提升了测控通信系统的任务支持能力。

（2）突破了高精度远距离导引技术。综合利用陆海天基测控资源，融合处理USB外测、中继外测和卫星导航遥测等多种数据，及时更新空间环境参数并进行在轨实时辨识，较好解决了低轨航天器中长期轨道预报受空间环境等不定因素影响较大以及短弧定轨偏差较大的问题；综合优化远距离导引轨道控制策略，在两天交会期间频繁变轨情况下，满足了轨控时效性和精度的要求，获得了很高的远距离导引精度；针对轨控相关故障模式，采取轨道重构的方法，制定了多种轨道控制预案。

4 结论与展望

天宫一号/神舟八号交会对接任务圆满成功，实现了我国航天技术新的跨越，使中国成为第三个独立实现载人航天空间飞行器交会对接的国家。按照交会对接任务总体规划，还将陆续实施神舟九号、神舟十号飞船与天宫一号目标飞行器的交会对接飞行试验，进一步验证自动交会对接技术，并将首次验证人控交会对接技术。在我国空间站建造和运营中，交会对接技术将在舱段在轨组装、航天员定期轮换、货物运输和燃料补给等方面发挥重要作用。交会对接技术在载人登月、深空探测和航天器在轨服务中亦具有广阔的应用前景。 ◇