举国铸重器，重器始乃成。
秉承中国航天事业奠基人钱学森提出的系统工程思想，历经30年载人航天之路、10余年空间站研制之旅，全国数千家单位、数万名科技工作者跨行业、跨学科的集智攻关，将“建造太空家园”的心中宏图绘成手中蓝图，成功托举“天宫”翱翔太空。中国空间站系统独具特色、浑然天成的总体设计，是我国航天器系统设计的又一创新跨越。
(资料图)
中国空间站进行地面三舱联试。 航天科技集团五院供图
交会对接从44小时到2小时
太空“搭积木”当然是件难事。在距离地面400公里的轨道上，要让两个正以每秒7.9千米的速度高速飞行的航天器安全、平稳地“相拥”，其难度堪比“万里穿针”。在这个过程中，空间站制导、导航与控制分系统功不可没，其能在各阶段的姿态、轨道、机动等控制任务中，实现多舱段资源的统一调用，保障空间站稳定运行。
我国的首次太空交会对接，是在2011年11月3日。历时44小时，天宫一号与神舟八号成功实施交会对接，中国成为世界上第三个独立完全掌握空间自动交会对接技术的国家。随后，这一时间纪录不断被刷新，特别是在载人飞行任务中，为了让航天员更舒适、迅速抵达空间站，神舟十二号首次验证了6.5小时快速交会对接技术，并使用至今。
在交会对接过程中，交会对接微波雷达是中、远距离测量的关键设备，为航天器提供精准距离、速度和角度，助力空间站“穿针引线”。中国航天科工二院25所自1999年起，就开始潜心研究空间交会对接测量技术，在国外相关产品资料无法获取、国内无可参考的产品的情况下，微波雷达总师孙武大胆将全新的伪码连续波测量体制应用在交会对接测量中，从一片空白中探索出正确的道路。从首次交会对接至今，微波雷达始终默默守护着一个个飞行器，令中国空间交会对接雷达技术跻身世界一流，并拥有100%自主知识产权。
当然，6.5小时绝不是极限。在最顶尖交会对接技术的保障下，天舟五号货运飞船化身“太空货运高铁”，仅用2小时便实现了与空间站天和核心舱后向对接口的顺利对接，让人类航天器交会对接用时进入2小时时代。随着交会对接模式更加多样化、功能更加丰富、适应能力更强，我国的空间交会对接技术更趋成熟。
近百吨组合体翱翔太空
中国空间站首个舱段——天和核心舱于2021年4月29日发射入轨，空间站在轨建设正式开启。作为空间站的“核心”，天和核心舱主要用于空间站的控制和管理，具备长期自主飞行能力，能支持航天员长期驻留，还能支持开展航天医学和空间科学实验。
2022年7月24日、10月31日，问天实验舱、梦天实验舱相继成功发射入轨，承担起空间科学与应用实验任务。两个实验舱的外部轮廓特征、尺寸基本一致，同为23吨级大型载荷。两个实验舱分别位于天和核心舱左右两侧，共同形成对称的“T”字构型，航天员活动空间超过100立方米。
三舱组合体建造完成后，不论是自身质量特性还是气动阻力均做到了左右对称，这对于姿态控制和轨道控制非常有利。在神舟十五号飞船飞抵空间站，天和核心舱对接口“满员”的状态下，空间站组合体总质量达到了近百吨。
航天科技集团五院空间站系统总指挥王翔表示，中国空间站不同舱段的功能各有侧重，既能相互补充，又具备适度冗余。顺次发射的三舱在平台功能上逐个减弱，而在载荷支持能力上越来越强。这体现了空间站建造的工程思路：在首先保证平台安全的同时逐步扩展载荷保障能力，边建造边运行。
空间站三舱互联互通，且具备跨航天器的系统重构能力，整体性能大幅超越了各航天器功能的简单集合，这在国际上尚无人做到。组成空间站的各个舱段和来访的飞船都是独立的飞行器，对接后形成组合体。以“最强大脑”对整个空间站进行统一控制和管理，保证各舱段和飞行器动作协调，资源统一优化使用。
除了在结构上完成交会对接，还要让信息系统和能源系统相互联接，确保动态并网、能力共享，“神经”和“血液”畅通无阻。此外，通过热控流体回路，热量也实现了跨舱传输、相互兼容。空间站各舱段真正实现了合而为一，能实现长期载人可靠飞行，并开展有人参与的多领域空间科学实验与技术试验。
“天宫”书写总体设计杰作
“结果源自开头，起点通往终点。”王翔认为，对于系统工程实践来说，科学思想先于工程实践。在空间站这样一个空前复杂的系统工程中，总体设计是“龙头”和“命脉”。
如何把多个大型航天器在轨合理、高效地组装起来？如何低成本、高效益地实现长期在轨稳定运行？如何自主创新突破关键技术？在“太空家园”筑梦之初，中国航天人面临着一连串空前的难题。
在分析借鉴国外空间站的设计理念及经验教训的基础上，“1+N=1”的空间站设计理念被提出，强调多舱段航天器的系统统一，按照三舱组合体进行一体化设计、统筹研制、集成验证，并利用舱段交会对接和转位机械臂进行平面转位、研制大型组合机械臂并与航天员协同进行舱外大型设施构建。王翔表示，这种创新实践使得中国空间站能够在适度规模条件下取得更高的研制效益，实现高效率资源利用和更强的系统冗余。
这一独具中国特色的总体设计方案，可以使我国在没有航天飞机等大型运输工具的情况下，完成“积木加桁架”混合构型的大型空间站在轨组装建造。整体统一的工程组织架构，使天和、问天、梦天三个舱段的通用化率达80%。
“必须独立自主，靠中国人自己的力量建成空间站！”早在空间站任务起步之初，航天科技集团五院空间站系统总设计师杨宏便意识到，关键核心元器件一定是制约空间站长期可持续发展的瓶颈。于是他带领团队展开攻关，一举突破了550万门宇航用元器件的技术瓶颈，实现了空间站系统核心元器件全部国产化。后续，科研团队还攻克了可爬行机械臂等一系列拥有自主知识产权的关键技术，在发供电、物资循环利用效能和运行经济性等关键性能指标上实现了超越。
空间站的维修也能在轨进行。面对系统可靠性的难题，在轨航天器安全性、可靠性、维修性“三性融合”的综合工作体系也被创立。这种不中断飞行、化繁为简的维修设计，在各种约束条件下，实现了整体系统优化和功能增强。
蓝图绘就，稳步铺展。未来，空间站还能够在机械臂的辅助下进行扩展舱段的组装，形成十字形、干字形等扩展构型。“然而，变化的过程和结果都来自设计，万变而不离其宗。”王翔说。
标题出自宋·苏轼《水调歌头·明月几时有》
