9月27日-30日，中國將擇機發射天宮一號目標飛行器，隨後中國將發射神舟8號飛船與其開展太空交會對接試驗，從此邁出中國開展空間站建設的第一步。那麽天宮一號的主要目的是什麽？天宮一號又採用了那些技術？它對中國航太有什麽意義？

中國載人航太發展路線規劃



9月20日，“天宮一號”目標飛行器、長征二F運載火箭組合體已抵達發射架等待27-30日擇機發射。

中國載人航太計劃已進入第二步

在完成了神舟七號載人飛行任務之後，中國載人航太工程沈寂了將近3年。雖然2010年8月發佈天宮一號完成總裝的消息，2010年10月27日中國載人空間站工程正式啓動實施，但畢竟距離載人航太的實際發射和試驗還太遠。不過到了2011年6月底官方發佈《天宮一號目標飛行器通過出廠評審 運抵酒泉》的報道，明確提及第三季度和第四季度分別發射天宮一號目標飛行器和神舟八號無人飛船。儘管此後8月18日，長征二號丙火箭發射實踐十一號04衛星失利，導致天宮一號推遲了發射時間。不過經過一段時間的重新檢查，中國宣佈將在9月27日至30日擇機發射天宮一號。酒泉衛星發射中心921工位在沈寂已久後終於再次喧騰起來，中國第一次空間交會對接試驗也即將拉開序幕。

在完成了載人軌道飛行，實現載人航太第一步戰略目標後，中國2004年12月開始啓動載人航太第二步任務。載人航太第二步的任務重點是航天器交會對接和太空人空間活動，其中第一階段主要任務目標爲實施航天器交會對接任務和出艙活動，突破和掌握交會對接技術出艙活動技術。

2008年神舟七號任務期間提前進行了出艙活動任務，突破了出艙活動技術。爲了進行下一節階段的任務，中國載人航太工程決定成立空間實驗室系統，研製天宮系列航天器，用於實現中國載人航太第二步戰略目標。交會對接技術有技術複雜、工程難度大的特點，爲了突破掌握這一技術，中國載人航太工程專門研製了天宮一號目標飛行器，用於驗證、突破和掌握交會對接技術。天宮一號是神舟系列載人飛船進行交會對接的目標，目標飛行器這一名稱，十分確切的說明了它的主要用途。

天宮一號主要用於驗證空間對接技術



天宮一號的主要目的就是用於驗證太空交會對接技術。圖爲完成總裝的天宮一號目標飛行器。

天宮一號的基本情況

即將發射的天宮一號目標飛行器長度9米多，最大直徑3.35米，發射質量約8.5噸。天宮一號目標飛行器主要分爲兩個艙室，分別是實驗艙和資源艙。實驗艙前段框裝有上海航太據研製的對接裝置，用於和神舟在人飛船進行對接。實驗艙分爲前錐段、柱段和後錐段，其中前兩部份爲密封加壓環境，可支援3名太空人的工作和生活。實驗艙後錐段和資源艙是非密封環境，實驗艙後錐段安裝了再生式生命保證系統，資源藏安裝各種設備如電力系統、太陽翼和發動機，爲航天器提供在軌飛行和空間應用實驗支援。

天宮二號和天宮三號計劃

2010年中國載人航太工程辦公室主任王文寶在接受英文航太媒體採訪時透露了天宮系列航天器的細節，他指出天宮二號和三號空間實驗室與天宮一號目標飛行器類似，均爲質量約8.5噸直徑3.35米規格，都使用長征二號F火箭發射，將在高度400千米、傾角42到43度的軌道上飛行。根據計劃中國將首先發射天宮一號目標飛行器，隨後發射神舟八號飛船用於交會對接試驗。神舟八號飛船在配置上和載人飛船一致，但爲了降低交會對接試驗的人員風險將不載人。

在兩年的工作壽命內，中國還將發射神舟九號和神舟十號飛船繼續與天宮一號目標飛行器進行交會對接試驗，其中神舟十號將是載人飛船，神舟九號是否載人目前尚未確定，將根據神舟八號與天宮一號交會對接試驗的順利是否再做決定。不過這一階段天宮一號肯定要與一艘載人的神舟飛船進行交會對接，實際驗證載人交會對接能力、天宮一號的實驗艙的生保系統和實驗設備，進行短期有人駐留飛行，爲下一步太空實驗室中期有人駐留和開展空間科學實驗積累經驗。

對接技術是載人航太的重要難關

儘管存在其他目標，但天宮一號目標飛行器最主要的目的還是突破掌握交會對接技術。交會對接技術是載人航太技術的一個重要難關，無論美國還是蘇聯，在突破空間交會對接技術，進行實際空間交會對接操作上都經歷了多次失敗。

美國在雙子星8號與阿金納上面級成功完成首次交會對接之前，雙子星6號和7號飛船進行了首次人控交會，最近距離180米，更早的雙子星3、4、5號交會對接實驗都以失敗告終。蘇聯儘管成功進行了大量自控和人控交會對接實驗，但禮炮號空間站的實際使用中仍然頻頻出現對接失敗，即使到了和平號時代還出現了進步貨運飛船對接失敗撞傷和平號空間站的事故。

天宮一號對接設計思路和俄羅斯相近



1995年6月29日，美國的亞特蘭蒂斯號太空梭與“和平”號太空站進行對接。太空交會對接進行時雙方要不斷進行速度控制和姿態控制，難度也很大。



“聯盟”系列飛船逼近國際空間站，對準對接艙上“針-錐”式對接機構的“錐”，注意紅圈處。

天宮一號目標飛行器的交會對接系統在設計思路上與俄羅斯相近，首先使用無人飛船進行自控交會對接，再進行實際的載人交會對接操作。交會對接操作要求裝備高精度的微波或鐳射感測器進行相對位置測量並捕獲對接目標，雙方啓動軌控發動機交會並進入對接走廊，對接走廊內雙方相對速度約1~3米每秒。接近後利用高精度感測器精確測量雙方的距離、相對速度和姿態，啓動軌控和姿控發動機機動調整進行最後的接近，對接撞擊前軌控關閉發動機，此時相對速度降低到0.15~0.18米每秒並以此速度相撞，利用針-錐(Probe-Drogue)或是異體同構周邊(APAS)對接裝置進行硬連接。

各國使用的交會對接技術

交會對接系統使用的測量和控制系統各國各有特色，蘇聯/俄羅斯的交會對接測量系統使用S波段微波雷達爲主，近距離還有目視光學瞄準系統，默認爲自控交會對接，包含手動備份。美國早期使用L波段微波雷達和目視光學瞄準系統，阿波羅時代改用X波段雷達，太空梭時代進一步升級爲Ku波段脈衝多普勒雷達加目視光學瞄準器，並使用GPS定位導航技術輔助，但交會對接都使用手動完成。

歐洲的ATV和日本的HTV都使用自動交會對接技術，雖然都使用了雷射脈衝測量儀器，不過測量控制系統均爲本土技術。當前國際載人航太所使用的對接裝置主要包括俄羅斯研製的針-錐對接系統，異體同構周邊系統和美國研製的通用對接系統(CBM)。美國的CBM對接系統需要空間站機械臂的協助，雖然日本HTV貨運飛船和美國未來的Dragon和Cygnus貨運飛船都將使用這一系統，但中國無法參與國際空間站專案，無法通過交流合作掌握這一更複雜的對接系統。天宮一號和神舟八號試驗的對接裝置由中國自行研製，參照了俄羅斯異體同構周邊系統的規格。

俄羅斯目前使用針-錐機構對接裝置

俄羅斯目前自用的對接裝置爲針-錐機構，對接過程中主動端探針接觸被動端椎體內壁，通過漏斗形椎體引導飛船配合姿控系統調整姿態，將主動端探針移動到中央的插孔上，進行咬合併進行減震操作，最後撤回探針解鎖插孔，中心區域加壓兩扇門向後打開形成加壓的內部通道。針-錐系統結構相對簡單，因此得到了廣泛應用，直到今天仍是俄羅斯標準的對接裝置，歐空局的ATV貨運飛船也引進了俄羅斯的針-錐系統，不過ATV的自動尋的、交會迫近和對接操作的演算法則完全是歐空局自己的設計。

中國對對俄羅斯的仿效和超越



天宮一號實物圖片，從圖片中可以看出其對接裝置仿製的是俄羅斯APAS-89對接裝置(圖中小圖)。



天宮一號與神舟飛船的對接想像圖，請注意在對接中還使用了鐳射系統來進行對接校準和距離測量(圖中紅框處)。使用這種技術可以說是中國博彩衆家之長後的一技術進步。

中國對接裝置仿效異體同構周邊對接系統

雖然中國載人航太工程只能與俄羅斯進行相關的技術交流，但從各方面文字報道和視頻看，中國的對接裝置並沒有使用俄羅斯現成的針-錐系統，而是仿效了異體同構周邊對接系統的設計。異體同構周邊對接系統來自於20世紀70年代美蘇阿波羅-聯盟空間對接實驗，這一對接試驗展示了空間救援的前景。爲了在兩國的不同飛船之間任意對接，蘇聯研製了異體同構周邊對接系統，編號APAS-75。它克服了針-錐對接系統的缺陷，使用異體同構設計任何一套對接裝置都可以既做主動端也做被動端，這對對空間救援極爲重要，降低了系統的複雜性。由於對接系統是周邊式而不是針-錐系統的中央式，更容易在對接機構總直徑相同的條件下增加中央加壓通道的直徑。

異體同構周邊對接系統已有普遍使用

此後雖然蘇聯聯盟載人飛船、進步貨運飛船和禮炮空間站都使用傳統的針-錐對接裝置，但仍進一步改進異體同構周邊系統，準備在下一代載人航太系統中使用，蘇聯新一代的暴風雪號太空梭使用編號APAS-89系統，原始設計外部直徑2.03米，不過隨後直徑減少到1.55米，由於外部直徑的縮小，內部通道直徑也縮小到80釐米。和平號空間站主要指用針-錐方式對接的同時，量子實驗艙上還帶有一個APAS-89對介面，預備用於和暴風雪號太空梭的對接。蘇聯解體導致後繼的航太計劃成爲水中月，暴風雪號直接退役。

爲了籌備建設國際空間站，美國太空梭裝備了原定用於暴風雪號太空梭的異體同構周邊對接系統，生産商能源聯合體將其重新編號爲APAS-95。美國太空梭使用APAS-95與和平號進行了多次對接。國際空間站對接裝置同樣使用了APAS-95對接系統，俄羅斯製造的曙光號服務艙與美國團結號節點艙的連接使用了異體同構系統，義大利製造美國擁有的和諧號和寧靜號節點艙同樣各具有一個APAS-95系統用於對接太空梭。不過國際空間站上的異體同構周邊對接系統爲了防止大質量的太空梭帶來太大的震動，異體同構周邊對接機構爲永久性的被動端以進行適應性的修改，而太空梭的APAS-95仍然可以在主動端和被動端之間切換。

中國交會對接裝置設計博衆家之長

中國天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船的對接系統在設計上主要借鑒了俄羅斯的系統，但博采衆家之長根據自己的需求進行設計。從目前的資料看，中國的交會對接測量系統使用了遠端微波雷達、近距離雷射雷達的視頻導航感測器(VGS)外加光學瞄準器的組合配置，對接機構硬體規格和俄羅斯APAS-89一致，理論上具備和空間站和諧號與寧靜號節點艙上APAS-95介面對接的能力，當然由於來自美國的政治障礙，和空間站的對接是不可能的。雖然空間站上的APAS-95介面只能作爲被動端，但中國出於安全考慮，神州飛船和天宮飛行器的對接機構不太可能盲目跟進。可以預計天宮一號的對接裝置經過了檢驗後，將成爲中國載人航太標準的對接機構，這是天宮一號對中國航太事業最主要的貢獻。

天宮一號其他方面的歷史性技術突破



兩年的近地軌道維持將大大超越神州飛船6個月設計壽命的軌道艙，這也是對中國載人航太技術又一前所未有的考驗。

兩年的近地軌道維持技術突破

天宮一號雖然設計上主要用於突破掌握交會對接技術，但它本身作爲一個8.5噸的龐大空間平臺，自然會進行更多的應用。天宮一號和神舟八號都將進行一系列太空科學試驗，如中國載人航太領域的第一個國際合作專案，中德聯合進行的研究空間微重力生命科學實驗的SIMBOX就將由神舟八號帶上太空。天宮一號目標飛行器將在約400千米近地軌道進行2年時間的長期飛行，遠大於神州飛船6個月設計壽命的軌道艙，它開拓了中國航天器低軌道長壽命飛行的領域，2年的設計飛行壽命如果得以實現的話，將接近蘇聯禮炮4號空間站的數位。

潛力巨大的低軌道航太平臺

天宮一號還將成爲一個擁有巨大潛力的低軌道平臺，目前已經規劃攜帶上海計物所的60釐米口徑碳化矽紅外相機用於對地偵察，此外還裝備了超光譜離軸成像三反光學系統，在神州六號上的長春光機所實現了400千米高度0.5米解析度的性能後，上海計物所又會給我們帶來什麽樣的驚喜呢。天宮一號本身具有8.5噸的質量，根據前載人航太工程總設計師王永志文章中提到的資訊，天宮目標飛行器和空間實驗室的研製成果將成爲大型貨運飛船和未來空間站實驗艙的基礎。13噸的貨運飛船和天宮飛行器在外觀幾乎一致，20噸級的實驗艙圖片發佈後更是有人說是貨運飛船的放大版。放大爲13噸計貨運飛船和20噸級實驗艙的潛力，預示著天宮一號平臺在近地軌道偵察和天文觀測上的光明前景。

對比美國的同類産品，如果未來我們看到中國的鎖眼和哈勃，相信並不會讓人感到陌生。其實不論這些，天宮一號的研製爲貨運飛船和空間站實驗艙的研製積累了經驗並鋪平了道路，它的使用也爲後繼天宮二號和天宮三號太空實驗室的運行積累經驗，這已經物有所值。從已有的資料推測，天宮一號目標飛行器的三次對接飛行時間可能都在20天左右，由於神舟飛船設計飛行壽命只有7天，天宮一號的實驗將大大延長中國載人飛行時間，進行更久的低軌道長時間飛行，進行研究太空環境對人類的影響等太空生物醫學實驗。

結語

天宮一號實際上就是中國第一個試驗性的空間站，承擔著爲2020年前後建設大型、多艙段空間站進行技術積累的任務。 儘管總體性能尤其是體積質量不如蘇聯的禮炮一號更不要說美國的天空實驗室，但天宮一號部分性能和設計指標仍有自己的特色，這體現出了中國航太所做出的努力和技術進步。

作爲中國邁向太空的重要一步，天宮一號必將成爲中國航太的一個里程碑。