眾所周知，航天器在軌運(yùn)行期間，需要消耗推進(jìn)劑來(lái)維持軌道和姿態(tài)，也就說(shuō)常說(shuō)的太空漫游。但航天器發(fā)射時(shí)所攜帶的推進(jìn)劑的量是一定的，推進(jìn)劑消耗完畢，也就意味著航天器壽命的終結(jié)。沒(méi)油了，怎么辦呢？推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)則突破了這種局限。也就是說(shuō)，一旦宇宙空間站沒(méi)有能量了，在宇宙中懸浮了，動(dòng)不了了，就可以發(fā)射航天器到太空中給宇宙空間站輸送能量，使得宇宙空間站的壽命大大延長(zhǎng)。“天宮二號(hào)”是我國(guó)第一個(gè)具備太空補(bǔ)加功能的載人航天實(shí)驗(yàn)室，并將首次進(jìn)行推進(jìn)劑太空補(bǔ)加技術(shù)試驗(yàn)，為以后空間站任務(wù)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

火箭發(fā)射

天空實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

推進(jìn)劑補(bǔ)加，原理貌似簡(jiǎn)單，就如同給汽車(chē)加油一樣，但要在太空中實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，是世界范圍內(nèi)的難題。推進(jìn)劑不同于汽油、柴油，它具有高毒性和強(qiáng)腐蝕性，即便在地面進(jìn)行加注，也需要二十幾個(gè)人小心翼翼地操作一周左右。在太空失重的環(huán)境下，完全通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的在軌補(bǔ)加，難度可想而知！

“目前我們已掌握的交會(huì)對(duì)接技術(shù)只是空間站關(guān)鍵技術(shù)之一，能實(shí)現(xiàn)向空間站送人運(yùn)貨?！?br/>
航天科技集團(tuán)六院質(zhì)量技術(shù)部副部長(zhǎng)譚松林說(shuō)，目前國(guó)際上只有俄羅斯完全掌握了空間站補(bǔ)加技術(shù)，國(guó)際空間站這部分功能主要由俄羅斯完成。美國(guó)雖然開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有建成實(shí)用性系統(tǒng)。歐空局、日本也有飛船能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑補(bǔ)加，但不能說(shuō)完全掌握。

補(bǔ)加過(guò)程是幾十個(gè)串聯(lián)步驟的復(fù)雜流程，稍有操作不當(dāng)就可能全盤(pán)失敗，補(bǔ)加流程該怎樣設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的一步，用什么方案，是保證后續(xù)設(shè)計(jì)制造的根本。

“因?yàn)閲?guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)資料可供參考，所以只能通過(guò)仿真計(jì)算得到理論的補(bǔ)加參數(shù)，再根據(jù)系統(tǒng)原理圖推演貨運(yùn)飛船和空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接后的工作模式，初步確定出可行的補(bǔ)加流程方案，再通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。”負(fù)責(zé)此次項(xiàng)目的航天科技集團(tuán)六院801所副主任設(shè)計(jì)師顧帥華說(shuō)。

為確定不同方案的優(yōu)劣，尋求最為優(yōu)化的補(bǔ)加流程，為此，航天工作者還做了兩次真空吹除試驗(yàn)，確定了最為優(yōu)化的吹除口型面和吹除程序。這也是國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行的推進(jìn)劑吹除試驗(yàn)。

“天宮二號(hào)”上進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)啟動(dòng)于2011年天宮一號(hào)與神舟八號(hào)完成交會(huì)對(duì)接之后。當(dāng)時(shí)，天宮二號(hào)的總裝、供電、控制和信息流業(yè)已定型，要在原有的推進(jìn)系統(tǒng)中嵌入補(bǔ)加功能，就要從設(shè)計(jì)余量中找到資源提供給新增的補(bǔ)加系統(tǒng)，而且要對(duì)天宮二號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)方案的改裝。對(duì)正樣產(chǎn)品進(jìn)行如此大的改裝，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次，不僅毫無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循，而且要求補(bǔ)加系統(tǒng)增加的單機(jī)，不能多，不能重，不能大，不能影響原來(lái)已經(jīng)安裝的設(shè)備，不能超出控制通道數(shù)量，遙測(cè)參數(shù)不能破上限，即便是指令條數(shù)也有嚴(yán)格限制。五年，困難重重，限制重重。

要在天宮二號(hào)上增裝補(bǔ)加系統(tǒng)，因?yàn)槭歉难b方案，所以首先要解決的就是系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。一沒(méi)有實(shí)物，二沒(méi)有技術(shù)參數(shù)，航天六院801所展開(kāi)了頭腦風(fēng)暴，只有先確定了機(jī)電熱的邊界條件。

邊界條件說(shuō)通俗一點(diǎn)就是考慮模擬宇宙的所有溫度、失重等各種極端條件，然后針對(duì)這些排列組合出若干種方案，選擇材料，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，用計(jì)算機(jī)模擬得出各種參數(shù)，不斷加以修改和參照。

要實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加功能，核心單機(jī)便是壓氣機(jī)，這也是研制難度最大的單機(jī)，目前空間站用的小型壓氣機(jī)技術(shù)只掌握在極少數(shù)航天強(qiáng)國(guó)手中，花費(fèi)在數(shù)千萬(wàn)美元，而且由于技術(shù)保護(hù)等原因根本無(wú)法購(gòu)得。甚至連航天大國(guó)美國(guó)也沒(méi)有掌握這一絕密技術(shù)，宇宙空間站也是用俄羅斯的航天器進(jìn)行燃料補(bǔ)燃。而國(guó)內(nèi)地面的兩級(jí)增壓壓氣機(jī)重量不能適應(yīng)空間微重力環(huán)境，無(wú)法直接應(yīng)用。

為什么補(bǔ)燃的核心技術(shù)是壓氣機(jī)？眾所周知，宇宙中是沒(méi)有氣體的，液體在宇宙中失重的條件下是懸浮的，空間站和航天器之中的燃料都是濃縮的液體形態(tài)，沒(méi)有壓力，液體是無(wú)法流動(dòng)，而壓氣機(jī)的原理就是利用高壓氣體使得液體進(jìn)行流動(dòng)，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是利用壓差原理，進(jìn)行補(bǔ)燃。那么問(wèn)題來(lái)了，壓氣機(jī)要想實(shí)現(xiàn)液體間的流動(dòng)，壓氣機(jī)中的氣從哪里來(lái)？

“我們?cè)趯?duì)國(guó)內(nèi)外壓氣機(jī)技術(shù)廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，首先確定了壓氣機(jī)的選型和原理性方案，設(shè)計(jì)了一種抽氣和壓氣一體的氣壓機(jī)，簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是航天器在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)因?yàn)槿紵a(chǎn)生氣體，這些氣體都是有害的，在航天器中有專(zhuān)門(mén)的氣體回收設(shè)備，對(duì)這些氣體先進(jìn)行回收儲(chǔ)存，壓氣機(jī)再進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接后，壓氣機(jī)把空間站燃料室里的回收設(shè)備和燃料室中的氣體先進(jìn)行抽取，使得燃料室中出現(xiàn)真空狀態(tài)，并把新的燃料利用抽取的氣體強(qiáng)大的壓差，注入空間站燃料室?！焙教炜萍技瘓F(tuán)六院801所副主任設(shè)計(jì)師顧帥華說(shuō)。

經(jīng)過(guò)一年多的努力，團(tuán)隊(duì)完成了首臺(tái)壓氣機(jī)原理樣機(jī)的技術(shù)攻關(guān)，解決了液壓油管理、液壓油供應(yīng)、潤(rùn)滑和基本性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。同年完成了工程樣機(jī)的總裝，并開(kāi)始著手工程樣機(jī)的測(cè)試。殼體成型、失重環(huán)境下的液壓油管理、慣性輪制動(dòng)、部件發(fā)熱量指標(biāo)控制、對(duì)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)載保護(hù)、流體動(dòng)密封……五年時(shí)間，航天六院先后完成了壓氣機(jī)原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、初樣和正樣的研制與生產(chǎn)任務(wù)，攻克了20余項(xiàng)技術(shù)難題，多項(xiàng)技術(shù)申報(bào)并獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，為我國(guó)推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)的實(shí)現(xiàn)攻破了最為關(guān)鍵的一環(huán)。

“這項(xiàng)技術(shù)的掌握具有廣泛應(yīng)用前景，可用于延長(zhǎng)衛(wèi)星等飛行器的壽命，延長(zhǎng)飛行器使用的時(shí)間，非常有意義。”航天科技集團(tuán)六院質(zhì)量技術(shù)部副部長(zhǎng)譚松林說(shuō)。

譚松林同時(shí)介紹，該項(xiàng)任務(wù)還將致力于突破和掌握航天員中期駐留、再生式生命保障等空間站關(guān)鍵技術(shù)。隨著我國(guó)載人航天工程的推進(jìn)，航天員的飛行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，從楊利偉飛行一天，到神舟十號(hào)乘組飛行十多天，中國(guó)宇宙空間站一旦建立，后續(xù)任務(wù)的飛行時(shí)間還會(huì)更長(zhǎng)。再生式生命保障技術(shù)，我國(guó)也一直在開(kāi)展研究，但同樣需要時(shí)間的積累。此外，任務(wù)中還將開(kāi)展一定規(guī)模的空間應(yīng)用和大量空間實(shí)驗(yàn)。

按照計(jì)劃，我國(guó)將于2018年前后發(fā)射試驗(yàn)性核心艙。核心艙是空間站的核心部分，具備提供能源、變軌、姿態(tài)控制等能力，能支持空間站的基本運(yùn)行。其入軌飛行后，才能發(fā)射其他艙段與之對(duì)接。

我國(guó)將在2022年前后研制并發(fā)射基本模塊為20噸級(jí)艙段組合的空間站，突破和掌握近地空間站組合體的建造和運(yùn)營(yíng)技術(shù)、近地空間站長(zhǎng)期載人飛行技術(shù)，開(kāi)展較大規(guī)模的空間應(yīng)用。

“目前各項(xiàng)研制建設(shè)工作正按預(yù)訂計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)：天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室、天舟貨運(yùn)飛船、長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭、神舟十一號(hào)飛船和長(zhǎng)征二號(hào)F遙十一火箭等主要飛行產(chǎn)品，已進(jìn)入研制生產(chǎn)的關(guān)鍵階段；航天員和有關(guān)地面設(shè)備設(shè)施進(jìn)入飛行任務(wù)準(zhǔn)備階段，空間站核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙也將全面轉(zhuǎn)入飛行產(chǎn)品的研制試驗(yàn)階段?！弊T松林說(shuō)。

（編輯：陳佳雯）