飛天圓夢 | 創(chuàng)新+匠心，中國空間站將總體設(shè)計(jì)之杰作寫入太空！
2022年11月1日4時(shí)27分，隨著夢天實(shí)驗(yàn)艙與天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙在太空緊緊相擁，中國空間站在軌建造階段的最后一個(gè)艙段，配齊！中國空間站將雄闊壯美且匠心獨(dú)具的總體設(shè)計(jì)杰作繪就于無垠的太空中，書寫下載人航天三十載崢嶸歲月中又一濃墨重彩之筆。航天人牢記習(xí)近平總書記給空間站建造青年團(tuán)隊(duì)回信囑托，再一次用成功向祖國報(bào)告！
秉承中國航天事業(yè)奠基人、五院首任院長錢學(xué)森提出的系統(tǒng)工程思想，歷經(jīng)30年載人航天之路、十余年空間站研制之旅，航天人將“建造太空家園”的心中宏圖，繪成手中藍(lán)圖，終用智慧和汗水鑄成重器，彪炳史冊。重器背后，是中國空間站系統(tǒng)獨(dú)具特色、渾然天成的總體設(shè)計(jì)，是對我國航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一創(chuàng)新跨越，閃耀著中國智慧，昭顯著匠心之美。其中，航天科技集團(tuán)五院作為我國空間技術(shù)的總體院、空間站系統(tǒng)的抓總設(shè)計(jì)研制單位，發(fā)揮著無可替代的作用。
奇思妙想繪未來源自總體設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略觀
“結(jié)果源自開頭，起點(diǎn)通往終點(diǎn)”，五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔認(rèn)為，對于系統(tǒng)工程實(shí)踐來說，科學(xué)思想先于工程實(shí)踐，而這正反映了我國建設(shè)空間站立足當(dāng)下、著眼長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略觀。在空間站這樣一個(gè)空前復(fù)雜的系統(tǒng)工程中，總體設(shè)計(jì)是“龍頭”和“命脈”，一切工作皆肇始于此，歸結(jié)于此。
回到夢開始的地方。“建造太空家園”筑夢之初，我國空間技術(shù)經(jīng)過數(shù)十載的工程實(shí)踐，形成了一整套系統(tǒng)工程方法，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但卻被國際空間站拒之門外，面臨技術(shù)封鎖、關(guān)鍵器部件禁運(yùn)等嚴(yán)峻形勢和多重約束。如何把多個(gè)大型航天器在軌合理、高效地組裝起來？如何低成本、高效益地實(shí)現(xiàn)長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行？如何打破國外封鎖、自主創(chuàng)新地突破關(guān)鍵技術(shù)？……一連串空前的難題擺在五院總體設(shè)計(jì)人員面前。
“必須獨(dú)立自主，靠中國人自己的力量建成空間站！”五院空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊宏堅(jiān)定地認(rèn)為，“要依靠自立自強(qiáng)打破封鎖，通過增強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，瞄準(zhǔn)前沿系統(tǒng)謀劃，提出適合我國國情的組裝建造方案。”他帶領(lǐng)五院總體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，秉持“1＋N＝1”的設(shè)計(jì)理念，以“規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”為設(shè)計(jì)思路，踏上了巧思釋放、活力涌流的設(shè)計(jì)之旅。最終，他們創(chuàng)造性地提出“利用艙段交會(huì)對接和轉(zhuǎn)位機(jī)械臂進(jìn)行平面轉(zhuǎn)位、研制大型組合機(jī)械臂并與航天員協(xié)同進(jìn)行艙外大型設(shè)施構(gòu)建”方案。這一獨(dú)具中國特色的總體設(shè)計(jì)方案，可以使我國在沒有航天飛機(jī)等大型運(yùn)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。
從理想走向現(xiàn)實(shí)，需要以科學(xué)、統(tǒng)一的技術(shù)體制來有力地組織。于是，“一個(gè)系統(tǒng)總體、三個(gè)艙段總體加上一套專業(yè)分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)”的工程組織架構(gòu)如宏偉的建筑拔地而起，撐起了“整體統(tǒng)一”的管理，使天和、問天、夢天三個(gè)艙段的通用化率達(dá)80％，促進(jìn)了系統(tǒng)方案優(yōu)化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程管理深度融合，相得益彰。
藍(lán)圖繪就，穩(wěn)步鋪展。在天和與問天組合形成“L”字形后，夢天的就位，使三艙構(gòu)成一個(gè)可靠的“T”字形“核心組合體”，成為空間站的基本部分，將為巡天光學(xué)艙等后續(xù)擴(kuò)展艙段奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。未來，還能夠在機(jī)械臂的輔助下進(jìn)行擴(kuò)展艙段的組裝，形成“十”字形、 “干”字形等擴(kuò)展構(gòu)型，可謂千變?nèi)f化。“然而，變化的過程和結(jié)果都來自設(shè)計(jì)，萬變而不離其宗。”王翔總指揮說。
天地人和融為一源自總體設(shè)計(jì)的整體觀
天地人并生，萬物合為一。古人講求“天地人和”，把整個(gè)宇宙看做一個(gè)大系統(tǒng)。這樣穿越時(shí)空的智慧，在空間站系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中體現(xiàn)得淋漓盡致。從全局謀劃一域，以一域服務(wù)全局——通過在眾多約束條件下創(chuàng)造最大價(jià)值的總體設(shè)計(jì)，天、地、人三大要素交相輝映，融為相互聯(lián)系、相輔相成的有機(jī)整體。
先看天上。組成空間站的各個(gè)艙段和來訪的飛船都是獨(dú)立的飛行器，對接后形成組合體，以“最強(qiáng)大腦”對整個(gè)空間站進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理，保證各艙段和飛行器動(dòng)作協(xié)調(diào)，資源統(tǒng)一優(yōu)化使用。為了真正合而為一，除了在結(jié)構(gòu)上完成交會(huì)對接，還要讓信息系統(tǒng)和能源系統(tǒng)相互聯(lián)接，確保動(dòng)態(tài)并網(wǎng)、能力共享，“神經(jīng)”和“血液”暢通無阻。此外，通過熱控流體回路，熱量也實(shí)現(xiàn)了跨艙傳輸、相互兼容。三艙互聯(lián)互通，且具備跨航天器的系統(tǒng)重構(gòu)能力，整體性能大幅超越了各航天器功能的簡單集合，這在國際上尚無人做到。而這也刻印著總體設(shè)計(jì)人員仰望蒼穹、匠心閃爍、接續(xù)奮斗的身影。
在地面，五院建設(shè)了一個(gè)與“天宮”等比例的物理空間站，并采用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建了數(shù)字空間站，共同形成了“天－地－數(shù)字”三站協(xié)同的新型運(yùn)行模式，用飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)并開展在軌狀態(tài)預(yù)測、趨勢評估，以扎實(shí)的基礎(chǔ)能力做到一路護(hù)航。五院還抽調(diào)骨干成立了一支飛控隊(duì)伍，從天和核心艙發(fā)射前夕開始，他們就一直堅(jiān)持三班倒、連軸轉(zhuǎn)的“空間站作息”，24小時(shí)不停地監(jiān)控天上的狀態(tài)，一絲不茍、默默守護(hù)。一年多來，這支隊(duì)伍經(jīng)受住了各種復(fù)雜在軌構(gòu)型和各類任務(wù)的重重考驗(yàn)，已身經(jīng)百戰(zhàn)，具備了過硬的本領(lǐng)，將為后續(xù)長期在軌運(yùn)營任務(wù)提供可靠支撐。
人，是空間站系統(tǒng)里具有決定性的要素。不論是最開始設(shè)計(jì)空間站，還是每次任務(wù)全過程，五院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都會(huì)和航天員進(jìn)行充分的溝通，將以人為本的理念貫徹到底。一方面，從航天員的需求出發(fā)，通過設(shè)計(jì)不斷提升舒適性和便利性，打造一個(gè)讓航天員身體健康、心情愉悅的太空之家。干凈整潔的艙內(nèi)環(huán)境、掃碼識別的物資管理系統(tǒng)、天地雙向視頻、智能廚房等等，都蘊(yùn)藏著設(shè)計(jì)師們的精巧構(gòu)思和大量心血。另一方面，確保航天員的安全是首要任務(wù)，在設(shè)計(jì)之初就要系統(tǒng)地將安全性、可靠性考慮充分。航天英雄楊利偉在首次飛天前對總體設(shè)計(jì)人員說“我信任你們”，這句話在五院人看來既是最棒的肯定，也是最重的責(zé)任。“人為天地客”，在中國空間站工程中，天地人實(shí)現(xiàn)了和諧共處、相互成就。
敏銳洞見解難題源自總體設(shè)計(jì)的辯證觀
空間站系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，既有胸懷宇宙萬象、馳騁天地間的酣暢淋漓，也曾屢遭“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。而這一切，都被總體設(shè)計(jì)人員以發(fā)展的眼光和辯證的思維及早洞見并巧妙化解了。
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(diǎn)，他帶領(lǐng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了對進(jìn)口元器件的全部替代，打破了封鎖壁壘，而且迫使某國際元器件巨頭公司主動(dòng)遵從我們的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品。目前空間站系統(tǒng)核心元器件已實(shí)現(xiàn)全部國產(chǎn)化，真正將主動(dòng)權(quán)掌握在自己手中。
“創(chuàng)新建站、科技建站”，五院堅(jiān)定地走科技自立自強(qiáng)之路，于數(shù)年前提早布局，打造了宇航智造工程空間站示范項(xiàng)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％。團(tuán)隊(duì)執(zhí)著地追求卓越、集智攻關(guān)，攻克了可爬行機(jī)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了超越，使一個(gè)又一個(gè)中國奇跡炫舞太空，散發(fā)著耀眼的創(chuàng)新光芒。
面對系統(tǒng)可靠性的難題，五院人致力于以高質(zhì)量、高效率、高效益全面發(fā)展的方式開展總體設(shè)計(jì)，潛心鉆研、匠心獨(dú)運(yùn)，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(jì)，在各種約束條件下，實(shí)現(xiàn)了整體系統(tǒng)優(yōu)化和功能增強(qiáng)。
空間站建造工程是發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢的典型案例。在以習(xí)近平同志為核心的黨中央堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，我國航天事業(yè)健全完善全國大協(xié)作、大攻關(guān)的系統(tǒng)工程體系，空間站研制團(tuán)隊(duì)得以科學(xué)地組織跨行業(yè)、跨學(xué)科的集智攻關(guān)，聯(lián)合全國數(shù)千家單位、數(shù)萬名科技工作者大力協(xié)同。舉國鑄重器，重器始乃成。中國空間站建造無疑是新時(shí)代集中力量辦大事的生動(dòng)范例。
習(xí)近平總書記在黨的二十大報(bào)告中指出，“加快實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略”、“加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)”、“加快建設(shè)航天強(qiáng)國”。面向新征程，五院人將牢記習(xí)近平總書記給空間站建造青年團(tuán)隊(duì)回信囑托，將更多壯美的杰作書寫在太空中，為實(shí)現(xiàn)我國航天科技高水平自立自強(qiáng)再立新功。我們相信，以“創(chuàng)新＋匠心”的總體設(shè)計(jì)賦能美好太空家園的圖景，將在更多的空間技術(shù)領(lǐng)域得到充分的演繹和生動(dòng)的展現(xiàn)。
