中国载人航天计划已进入第二步

    在完成了神舟七号载人飞行任务之后，中国载人航天工程沉寂了将近3年。虽然2010年8月发布天宫一号完成总装的消息，2010年10月27日中国载人空间站工程正式启动实施，但毕竟距离载人航天的实际发射和试验还太远。不过到了2011年6月底官方发布《天宫一号目标飞行器通过出厂评审 运抵酒泉》的报道，明确提及第三季度和第四季度分别发射天宫一号目标飞行器和神舟八号无人飞船。尽管此后8月18日，长征二号丙火箭发射实践十一号04卫星失利，导致天宫一号推迟了发射时间。不过经过一段时间的重新检查，中国宣布将在9月27日至30日择机发射天宫一号。酒泉卫星发射中心921工位在沉寂已久后终于再次喧腾起来，中国第一次空间交会对接试验也即将拉开序幕。

    在完成了载人轨道飞行，实现载人航天第一步战略目标后，中国2004年12月开始启动载人航天第二步任务。载人航天第二步的任务重点是航天器交会对接和航天员空间活动，其中第一阶段主要任务目标为实施航天器交会对接任务和出舱活动，突破和掌握交会对接技术出舱活动技术。

    2008年神舟七号任务期间提前进行了出舱活动任务，突破了出舱活动技术。为了进行下一节阶段的任务，中国载人航天工程决定成立空间实验室系统，研制天宫系列航天器，用于实现中国载人航天第二步战略目标。交会对接技术有技术复杂、工程难度大的特点，为了突破掌握这一技术，中国载人航天工程专门研制了天宫一号目标飞行器，用于验证、突破和掌握交会对接技术。天宫一号是神舟系列载人飞船进行交会对接的目标，目标飞行器这一名称，十分确切的说明了它的主要用途。
天宫一号的基本情况

    即将发射的天宫一号目标飞行器长度9米多，最大直径3.35米，发射质量约8.5吨。天宫一号目标飞行器主要分为两个舱室，分别是实验舱和资源舱。 实验舱前段框装有上海航天据研制的对接装置，用于和神舟在人飞船进行对接。实验舱分为前锥段、柱段和后锥段，其中前两部份为密封加压环境，可支持3名航天 员的工作和生活。实验舱后锥段和资源舱是非密封环境，实验舱后锥段安装了再生式生命保证系统，资源藏安装各种设备如电力系统、太阳翼和发动机，为航天器提 供在轨飞行和空间应用实验支持。

    天宫二号和天宫三号计划

    2010年中国载人航天工程办公室主任王文宝在接受英文航天媒体采访时透露了天宫系列航天器的细节，他指出天宫二号和三号空间实验室与天宫一号目标 飞行器类似，均为质量约8.5吨直径3.35米规格，都使用长征二号F火箭发射，将在高度400千米、倾角42到43度的轨道上飞行。根据计划中国将首先 发射天宫一号目标飞行器，随后发射神舟八号飞船用于交会对接试验。神舟八号飞船在配置上和载人飞船一致，但为了降低交会对接试验的人员风险将不载人。
 
    在两年的工作寿命内，中国还将发射神舟九号和神舟十号飞船继续与天宫一号目标飞行器进行交会对接试验，其中神舟十号将是载人飞船，神舟九号是否载人 目前尚未确定，将根据神舟八号与天宫一号交会对接试验的顺利是否再做决定。不过这一阶段天宫一号肯定要与一艘载人的神舟飞船进行交会对接，实际验证载人交 会对接能力、天宫一号的实验舱的生保系统和实验设备，进行短期有人驻留飞行，为下一步太空实验室中期有人驻留和开展空间科学实验积累经验。

    对接技术是载人航天的重要难关

    尽管存在其他目标，但天宫一号目标飞行器最主要的目的还是突破掌握交会对接技术。交会对接技术是载人航天技术的一个重要难关，无论美国还是苏联，在突破空间交会对接技术，进行实际空间交会对接操作上都经历了多次失败。

    美国在双子星8号与阿金纳上面级成功完成首次交会对接之前，双子星6号和7号飞船进行了首次人控交会，最近距离180米，更早的双子星3、4、5号 交会对接实验都以失败告终。苏联尽管成功进行了大量自控和人控交会对接实验，但礼炮号空间站的实际使用中仍然频频出现对接失败，即使到了和平号时代还出现 了进步货运飞船对接失败撞伤和平号空间站的事故。

    天宫一号目标飞行器的交会对接系统在设计思路上与俄罗斯相近，首先使用无人飞船进行自控交会对接，再进行实际的载人交会对接操作。交会对接操作要求 装备高精度的微波或激光传感器进行相对位置测量并捕获对接目标，双方启动轨控发动机交会并进入对接走廊，对接走廊内双方相对速度约1~3米每秒。接近后利 用高精度传感器精确测量双方的距离、相对速度和姿态，启动轨控和姿控发动机机动调整进行最后的接近，对接撞击前轨控关闭发动机，此时相对速度降低到 0.15~0.18米每秒并以此速度相撞，利用针-锥(Probe-Drogue)或是异体同构周边(APAS)对接装置进行硬连接。

    各国使用的交会对接技术

    交会对接系统使用的测量和控制系统各国各有特色，苏联/俄罗斯的交会对接测量系统使用S波段微波雷达为主，近距离还有目视光学瞄准系统，默认为自控 交会对接，包含手动备份。美国早期使用L波段微波雷达和目视光学瞄准系统，阿波罗时代改用X波段雷达，航天飞机时代进一步升级为Ku波段脉冲多普勒雷达加 目视光学瞄准器，并使用GPS定位导航技术辅助，但交会对接都使用手动完成。

    欧洲的ATV和日本的HTV都使用自动交会对接技术，虽然都使用了激光脉冲测量仪器，不过测量控制系统均为本土技术。当前国际载人航天所使用的对接 装置主要包括俄罗斯研制的针-锥对接系统，异体同构周边系统和美国研制的通用对接系统(CBM)。美国的CBM对接系统需要空间站机械臂的协助，虽然日本 HTV货运飞船和美国未来的Dragon和Cygnus货运飞船都将使用这一系统，但中国无法参与国际空间站项目，无法通过交流合作掌握这一更复杂的对接 系统。天宫一号和神舟八号试验的对接装置由中国自行研制，参照了俄罗斯异体同构周边系统的规格。

    俄罗斯目前使用针-锥机构对接装置

    俄罗斯目前自用的对接装置为针-锥机构，对接过程中主动端探针接触被动端椎体内壁，通过漏斗形椎体引导飞船配合姿控系统调整姿态，将主动端探针移动 到中央的插孔上，进行咬合并进行减震操作，最后撤回探针解锁插孔，中心区域加压两扇门向后打开形成加压的内部通道。针-锥系统结构相对简单，因此得到了广 泛应用，直到今天仍是俄罗斯标准的对接装置，欧空局的ATV货运飞船也引进了俄罗斯的针-锥系统，不过ATV的自动寻的、交会迫近和对接操作的算法则完全 是欧空局自己的设计。