“万里穿针”耀太空——中国空间交会对接技术演进纪实

科技日报记者 付毅飞

2025年7月15日，天舟九号货运飞船在发射约3小时后，与中国空间站后向对接口精准完成交会对接，为航天员送达物资。这一交会对接模式，已成为天舟系列任务的常规操作模式。

空间交会对接技术是载人航天、深空探测等领域的关键技术，因空间距离跨度大、控制精度要求高，被形象地喻为“万里穿针”。长期以来，航天强国均对其核心技术实施严密封锁。

经过三十载艰苦攻关，中国航天科技集团五院502所空间交会对接自主控制创新团队将我国自主完成“万里穿针”的愿景变为现实，使中国交会对接技术跻身世界前列，保障了载人航天、月球探测等国家重大工程任务顺利实施。

从无到有，打破技术封锁

上世纪80年代，随着国家863计划为中国载人航天工程按下启动键，502所老一辈专家敏锐捕捉到空间交会对接技术的战略价值。

在毫无基础的情况下，我国自动化技术奠基者之一杨嘉墀院士在黑板上郑重写下“空间智能自主控制”几个大字，锚定攻关方向。我国著名控制理论与控制工程专家吴宏鑫院士则带领科研人员，用草纸和算盘逐行推导全系数自适应控制理论，在简陋的实验室里开展技术攻坚。

上世纪末，中国航天科技集团的解永春接过了攻关接力棒，理论与工程应用的衔接成为她和团队面临的首要挑战。

“难点不是不知如何解题，而是连问题都无法精准提出。”解永春回忆着研制初期的艰辛，“我们只能一步步踏踏实实做，核心目标就是两个字——创新！”

起初，团队也试图参考国外所用方程，发现其复杂难懂。“它的坐标系定义和咱们都不一样，看着就费劲。”解永春觉得，与其花大把时间去研究别人的成果，还不如从头弄一套自己的理论。

她带着团队从基本动力学方程开始推导，从圆轨道到椭圆轨道一点点算，又将老一辈专家的轨道动力学和相对运动动力学成果融合进去，成功解决了远距离导引的基础问题。为攻克光学敏感器测量精度难题，团队连续3个月驻守实验室，反复调试参数；为突破相对位置和姿态确定技术，他们绘制的工程图纸堆满整间办公室，累计推导公式超万条……

一次地面仿真试验中，飞船姿态控制突发振荡。此时，距离神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器首次自动交会对接任务实施仅剩3天。

关键时刻，解永春在老师吴宏鑫院士的鼓励下，将自己博士论文中的“黄金分割系数”理论应用到飞船控制参数设计上，带领团队连续72小时不间断验证优化，成功化解了危机。

2011年11月3日凌晨1时29分，神舟八号在发射升空后用时不到44小时，与天宫一号成功“牵手”，我国首次实现空间自动交会对接，技术上取得了从无到有的重大突破。

从慢到快，实现自我超越

谈及首次自动交会对接任务，中国航天科技集团胡海霞至今仍记忆犹新。在那次任务中，她的主要工作是在交会对接过程中根据飞行情况向航天器注入指令。“这是飞控全程最紧张的环节之一，不能出半点差错。”她说。

在随后的2年时间里，我国又相继发射神舟九号和神舟十号飞船，与天宫一号开展多次自动与手控交会对接，全面验证了空间交会对接技术。

但在同期，俄罗斯相继实现货运飞船、载人飞船与国际空间站6小时快速交会对接。

“我们不能止步于现有成果，必须持续创新突破！”面对国外技术的迅猛发展和我国的空间站建设需要，神舟十号交会对接任务圆满完成后，解永春在会上提出了新的想法。团队迅速投入到以全自主、快速为核心特征的新技术研究中。

传统技术途径中，实现交会对接必须依赖地面遥测遥控的复杂计算过程，这也是任务中最耗时的环节之一。团队从该环节着手，基于运载火箭入轨条件，提出兼具高适应性与强容错能力的创新技术方案。他们对算法进行反复迭代优化，并将计算过程迁移至飞船自主执行，实现远距离自主快速交会，大幅提升远距离导引效率。

着眼于空间站建设与运营阶段的高频交会对接任务需求，团队又对“初始全相位”技术发起攻关，以提高交会对接方案对发射窗口的适应性。

“我们开展了3000余次模拟试验，深入剖析200余种极端工况，让飞船入轨时无论与空间站相位相差多少，均能在规定时间精准完成对接，大幅提升了我国空间站任务执行的效率与灵活性。”解永春说。

2017年9月，天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室首次在轨验证我国6.5小时全自主快速交会对接技术，与此前相比大幅缩短了交会对接时间，实现了我国在空间交会对接技术上的又一超越。

从好到精，树起中国“标杆”

从天舟一号到天舟九号，快速交会对接技术攻关的艰辛，让中国航天科技集团陈长青感触颇深。

2020年10月，俄罗斯发射的联盟MS-17载人飞船仅用3小时3分与国际空间站成功对接，树立了快速交会对接新“标杆”。

当时，中国的6.5小时方案表现成熟稳定，有了这个底气，解永春认为，总跟着别人做没意思。她提出了一个大胆的想法：“现有工程条件下，理论上的极限是2小时，我们能不能实现它？”

“直接缩短至2小时，谈何容易？”陈长青介绍，此前设计方案中，火箭飞行约10分钟，远距离导引阶段大概1个半小时，近距离导引到完成对接大约1小时20分。团队分析论证了各种策略，最终决定，将近距离阶段中用于消除远距离导引偏差的“寻的”步骤去掉，仅此一项可节省40分钟左右。

“少了这个衔接过程，完成对接的难度一下就上去了。”陈长青说，新方案对火箭发射入轨精度、飞船相位角适应性、远距离导引精度等的要求，都远超原本的标准。

为此，团队开启了连续的“超长待机”工作模式，在此期间攻克技术难题近百项，对核心设计进行了127轮迭代优化，成功设计出2小时交会对接方案。

2022年11月，天舟五号飞船仅用1小时57分，就与中国空间站组合体完成交会对接，创造了新的世界纪录。

“我们尝试过一次后发现，2小时方案虽然快，‘性价比’却不高。”陈长青解释，该方案不仅对火箭的要求高，还会增加不少飞船的燃料消耗。

这一次，团队不再一味追求速度，而是选择在已有的6.5小时和2小时方案基础上，重新设计一个3小时方案。陈长青介绍，这个方案兼顾了效率与可靠性，在天舟七号、八号、九号任务中成功实施，并将在今后一段时期的天舟系列任务中持续沿用。

如今，我国已在地球轨道和月球轨道上实施的37次交会对接任务全部圆满成功，实现交会对接技术从无到有、从“地面支持”到“全自主”、从“单任务”到“多模式”的跨越式发展，树立起中国人自己的标杆。展望未来，解永春信心满怀：“我们将向载人登月、深空探测等更高目标迈进，不断推进高水平科技自立自强，为航天强国建设贡献力量！”