中国空间站的“天宫基因”

7月19日晚，天宫二号空间实验室在轨飞行1036天后返回地球。

担负并完成中国载人航天“三步走”发展战略第二步第二阶段重要任务的天宫二号，是我国第一个真正意义上的空间实验室。中国载人航天工程总设计师说，天宫二号在载人航天任务中起到了“承上启下”的作用，意义深远。

说起“承上启下”，那么天宫二号的大量试验自然是为将来完成空间站任务作准备的，隐约可见中国空间站的影子。

据悉，目前我国空间站研制建设稳步推进,并已为其冠名“天宫”。今天，就让我们通过天宫二号一探究竟。

舒适宜居：航天员“太空之家”

空间站时代，航天员在外太空驻留，主要是在空间站内工作和生活。那么如何高效维护航天员在轨驻留期间的身体健康、方便其太空生活和工作，就成为摆在科研人员面前的一项重大课题。

依据国际惯例，在外太空驻留30天以上就可称作中期驻留。航天员景海鹏和陈冬在轨33天，完成了中期在轨驻留任务。天宫二号通过验证航天员驻留能力，为中国空间站航天员长期在轨驻留奠定了基础。

天宫二号空间实验室总设计师朱枞鹏介绍，为成功实现航天员中期驻留，天宫二号研制团队从提高生活质量、降低工作负荷、改善睡眠环境和娱乐条件等方面，对实验舱进行全新设计。这也是我国载人航天史上首次系统开展载人宜居环境设计。

“宜居技术主要分为内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等几个方面。这些创新设计的目的，就是为航天员提供人性化的空间家居环境。”天宫二号系统总体设计人员张雅彬说。

在内部装饰方面，研制团队结合航天员的建议和对国外飞行器的调研，用地板取代了地毯，让地面变得更受力。白色地板上还布有些许灰色的点，以防止航天员产生视觉疲劳。

在舱内活动空间规划方面，天宫二号将实验舱空间分为睡眠区和工作区，并安装了多功能平台，航天员可在这个平台上吃饭、看书、工作。睡眠区还采取了降噪技术，以提高航天员睡眠质量。

在视觉环境与照明方面，舱内灯光采用米黄色的色调，亮度可以手动调节，并为每个航天员安装了床前灯。

身处外太空，失重环境会给航天员工作和生活带来很多不便。为此，在天宫二号上进行了诸多针对性设计：增加硬质扶手，方便航天员在舱内借力活动；配置腰部扎带，扎带两头设有固定环，只要两边固定住，航天员四肢均可解放；设计无线头戴，以实现无线通话等。

天宫二号的天地通信能力也得到了优化。以前天宫一号只能通过电子邮件接收简单的文本信息，如今天宫二号的航天员不仅可以接收图片和视频，还能观看地面上的电视节目、电影等。

2016年10月24日，在天宫二号里已工作生活6天的航天员景海鹏、陈冬，就收到了一份珍贵礼物——来自祖国东南西北的哨兵录制的视频，向他们送上浓浓的祝福。得知那一天是景海鹏50岁生日，广大官兵及读者纷纷通过本报表达对景海鹏的生日祝福。

可以畅想，在冷寂的太空，未来的中国空间站将是一个令人神往的“温暖之家”。

能量补给：货运船“空中加油”

空间站要长期运行，运转所需的推进剂以及人员相应的工作生活物资必不可少。这就需要有一个专门的运输工具，负责运输货物补给并为空间站“加油”。

据了解，中国空间站在轨运行期间，将由“神舟”载人飞船提供乘员运输，由天舟货运飞船提供补给支持。因此，天舟一号货运飞船的推进剂在轨补加技术，将是中国空间站的另一个“天宫基因”。

推进剂加注是个“慢工出细活”的过程。在地面加注推进剂尚且困难而又危险，试想在茫茫太空进行无人操作的推进剂补加该是一件多难的事情。为突破在轨补加技术，天宫二号研制团队进行了为期3年的刻苦攻关。

北京航天飞行控制中心飞控总体主任设计师姜萍介绍，在太空实施推进剂补加，涉及到氧化剂、燃烧剂两种推进剂，对设计的安全性、可靠性提出了更严更高的要求：需要考虑两个目标、上百个阀门、几百米长的管路，以及对几十种关键设备、软件的控制。此外，整个补加流程包含几十个步骤，每个步骤又包含很多分支及指令，这些步骤和指令层层约束、环环相扣，不可有任何闪失。

为了解决这些难题，天宫二号研制团队创造性地设计出推进剂补加协同控制流程，解决了推进剂补加过程的强耦合问题，实现了补加过程的快速重新规划，以及正常和应急情况下各类分支的快速重构与切换。

管路吹除是“太空加油”的一个关键环节，既要根据实际吹除时间动态调整控制序列，又要严格按照时序对目标进行协同控制。任务中，阀门打开顺序、时间间隔都必须分毫不差，否则就可能造成推进剂冻结，堵塞补加管路。

“我们的推进剂补加流程动态规划技术很好地解决了这个问题，确保了补加过程顺利进行。”姜萍说，中心已经突破了动态规划、推进剂补加可视化、多目标协同控制和故障实时诊断等多项飞行控制关键技术，未来中国空间站的在轨补加将更加安全可靠。

故障维修：机械臂灵活自如

外太空环境复杂，空间站在长期运行过程中难免要进行设备的维修。与地面维修相比，在轨维修难度大、要求高，除了具备设备维修需要的技术和动手能力外，航天员还需要克服空间狭小和微重力环境等障碍。

为提前验证在轨维修技术，为空间站建设打下坚实基础，天宫二号承担了一系列在轨维修技术试验任务，包括液路维修、整机带电维修、板卡维修等试验项目。

空间站在轨运行的时候需要进行热交换，即把舱里的热量带到舱外区，这个过程由热管理系统完成。热管理系统需要定期维护，零部件出现问题要及时更换。

“更换维修是在线状态下进行的，验证试验无法在正样产品上进行，因此航天员将在天宫二号携带的独立系统上进行验证操作。”张雅彬说。

空间站上的电子设备众多，如果出现故障，需要进行电子单机的维修。电子单机在轨维修的一大特点是带电维修，即在设备运行状态下进行维修。因为空间站运行阶段，无法让设备停止运行以后再进行维修。这也是在轨维修的技术难点之一。

2016年10月23日，天宫二号上的另一个“小伙伴”——由中国科学院研制的天宫二号伴随卫星成功释放。这颗47公斤重、相当于一台打印机大小的伴随卫星，充当的是“小护士”一样的角色，可从外部对飞行器进行故障检测，还可完成其他地面指令。

在天宫二号执行任务中，人机协同在轨维修技术也得到了验证。通过交互软件和数据手套，航天员对机械臂操作终端系统进行控制。也就是说，航天员戴数据手套做动作，机械臂也会做出同样动作。这项试验获得了大量珍贵数据资料，对未来空间站的长期维护至关重要。

在天宫二号里，机械臂完成了使用操作工具的精细维修动作，并完整拆换了一台单机。

在完成机械臂拓展试验后，航天员景海鹏与机械臂握手，并向地面报告：“神舟十一号报告，握手感觉良好！祝贺机械臂！祝贺天宫！”

与其说这是一次握手，不如说是一次接力。天宫二号执行任务中的创新和拼搏，将会以“天宫基因”的方式在中国空间站上继续大放异彩。