科技日報記者 付毅飛

2025年7月15日，天舟九號貨運飛船在發(fā)射約3小時后，與中國空間站后向?qū)涌诰珳释瓿山粫?，為航天員送達物資。這一交會對接模式，已成為天舟系列任務的常規(guī)操作模式。

空間交會對接技術是載人航天、深空探測等領域的關鍵技術，因空間距離跨度大、控制精度要求高，被形象地喻為“萬里穿針”。長期以來，航天強國均對其核心技術實施嚴密封鎖。

經(jīng)過三十載艱苦攻關，中國航天科技集團五院502所空間交會對接自主控制創(chuàng)新團隊將我國自主完成“萬里穿針”的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實，使中國交會對接技術躋身世界前列，保障了載人航天、月球探測等國家重大工程任務順利實施。

從無到有，打破技術封鎖

上世紀80年代，隨著國家863計劃為中國載人航天工程按下啟動鍵，502所老一輩專家敏銳捕捉到空間交會對接技術的戰(zhàn)略價值。

在毫無基礎的情況下，我國自動化技術奠基者之一楊嘉墀院士在黑板上鄭重寫下“空間智能自主控制”幾個大字，錨定攻關方向。我國著名控制理論與控制工程專家吳宏鑫院士則帶領科研人員，用草紙和算盤逐行推導全系數(shù)自適應控制理論，在簡陋的實驗室里開展技術攻堅。

上世紀末，中國航天科技集團的解永春接過了攻關接力棒，理論與工程應用的銜接成為她和團隊面臨的首要挑戰(zhàn)。

“難點不是不知如何解題，而是連問題都無法精準提出。”解永春回憶著研制初期的艱辛，“我們只能一步步踏踏實實做，核心目標就是兩個字——創(chuàng)新！”

起初，團隊也試圖參考國外所用方程，發(fā)現(xiàn)其復雜難懂?！八淖鴺讼刀x和咱們都不一樣，看著就費勁。”解永春覺得，與其花大把時間去研究別人的成果，還不如從頭弄一套自己的理論。

她帶著團隊從基本動力學方程開始推導，從圓軌道到橢圓軌道一點點算，又將老一輩專家的軌道動力學和相對運動動力學成果融合進去，成功解決了遠距離導引的基礎問題。為攻克光學敏感器測量精度難題，團隊連續(xù)3個月駐守實驗室，反復調(diào)試參數(shù)；為突破相對位置和姿態(tài)確定技術，他們繪制的工程圖紙堆滿整間辦公室，累計推導公式超萬條……

一次地面仿真試驗中，飛船姿態(tài)控制突發(fā)振蕩。此時，距離神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器首次自動交會對接任務實施僅剩3天。

關鍵時刻，解永春在老師吳宏鑫院士的鼓勵下，將自己博士論文中的“黃金分割系數(shù)”理論應用到飛船控制參數(shù)設計上，帶領團隊連續(xù)72小時不間斷驗證優(yōu)化，成功化解了危機。

2011年11月3日凌晨1時29分，神舟八號在發(fā)射升空后用時不到44小時，與天宮一號成功“牽手”，我國首次實現(xiàn)空間自動交會對接，技術上取得了從無到有的重大突破。

從慢到快，實現(xiàn)自我超越

談及首次自動交會對接任務，中國航天科技集團胡海霞至今仍記憶猶新。在那次任務中，她的主要工作是在交會對接過程中根據(jù)飛行情況向航天器注入指令?！斑@是飛控全程最緊張的環(huán)節(jié)之一，不能出半點差錯。”她說。

在隨后的2年時間里，我國又相繼發(fā)射神舟九號和神舟十號飛船，與天宮一號開展多次自動與手控交會對接，全面驗證了空間交會對接技術。

但在同期，俄羅斯相繼實現(xiàn)貨運飛船、載人飛船與國際空間站6小時快速交會對接。

“我們不能止步于現(xiàn)有成果，必須持續(xù)創(chuàng)新突破！”面對國外技術的迅猛發(fā)展和我國的空間站建設需要，神舟十號交會對接任務圓滿完成后，解永春在會上提出了新的想法。團隊迅速投入到以全自主、快速為核心特征的新技術研究中。

傳統(tǒng)技術途徑中，實現(xiàn)交會對接必須依賴地面遙測遙控的復雜計算過程，這也是任務中最耗時的環(huán)節(jié)之一。團隊從該環(huán)節(jié)著手，基于運載火箭入軌條件，提出兼具高適應性與強容錯能力的創(chuàng)新技術方案。他們對算法進行反復迭代優(yōu)化，并將計算過程遷移至飛船自主執(zhí)行，實現(xiàn)遠距離自主快速交會，大幅提升遠距離導引效率。

著眼于空間站建設與運營階段的高頻交會對接任務需求，團隊又對“初始全相位”技術發(fā)起攻關，以提高交會對接方案對發(fā)射窗口的適應性。

“我們開展了3000余次模擬試驗，深入剖析200余種極端工況，讓飛船入軌時無論與空間站相位相差多少，均能在規(guī)定時間精準完成對接，大幅提升了我國空間站任務執(zhí)行的效率與靈活性。”解永春說。

2017年9月，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室首次在軌驗證我國6.5小時全自主快速交會對接技術，與此前相比大幅縮短了交會對接時間，實現(xiàn)了我國在空間交會對接技術上的又一超越。

從好到精，樹起中國“標桿”

從天舟一號到天舟九號，快速交會對接技術攻關的艱辛，讓中國航天科技集團陳長青感觸頗深。

2020年10月，俄羅斯發(fā)射的聯(lián)盟MS-17載人飛船僅用3小時3分與國際空間站成功對接，樹立了快速交會對接新“標桿”。

當時，中國的6.5小時方案表現(xiàn)成熟穩(wěn)定，有了這個底氣，解永春認為，總跟著別人做沒意思。她提出了一個大膽的想法：“現(xiàn)有工程條件下，理論上的極限是2小時，我們能不能實現(xiàn)它？”

“直接縮短至2小時，談何容易？”陳長青介紹，此前設計方案中，火箭飛行約10分鐘，遠距離導引階段大概1個半小時，近距離導引到完成對接大約1小時20分。團隊分析論證了各種策略，最終決定，將近距離階段中用于消除遠距離導引偏差的“尋的”步驟去掉，僅此一項可節(jié)省40分鐘左右。

“少了這個銜接過程，完成對接的難度一下就上去了。”陳長青說，新方案對火箭發(fā)射入軌精度、飛船相位角適應性、遠距離導引精度等的要求，都遠超原本的標準。

為此，團隊開啟了連續(xù)的“超長待機”工作模式，在此期間攻克技術難題近百項，對核心設計進行了127輪迭代優(yōu)化，成功設計出2小時交會對接方案。

2022年11月，天舟五號飛船僅用1小時57分，就與中國空間站組合體完成交會對接，創(chuàng)造了新的世界紀錄。

“我們嘗試過一次后發(fā)現(xiàn)，2小時方案雖然快，‘性價比’卻不高。”陳長青解釋，該方案不僅對火箭的要求高，還會增加不少飛船的燃料消耗。

這一次，團隊不再一味追求速度，而是選擇在已有的6.5小時和2小時方案基礎上，重新設計一個3小時方案。陳長青介紹，這個方案兼顧了效率與可靠性，在天舟七號、八號、九號任務中成功實施，并將在今后一段時期的天舟系列任務中持續(xù)沿用。

如今，我國已在地球軌道和月球軌道上實施的37次交會對接任務全部圓滿成功，實現(xiàn)交會對接技術從無到有、從“地面支持”到“全自主”、從“單任務”到“多模式”的跨越式發(fā)展，樹立起中國人自己的標桿。展望未來，解永春信心滿懷：“我們將向載人登月、深空探測等更高目標邁進，不斷推進高水平科技自立自強，為航天強國建設貢獻力量！”