從8個“首次”解碼“神十三”（築夢“太空之家”——中國空間站建設記？）
中國空間站機械臂對天舟二號貨運飛船進行在軌轉位示意圖。
虎年春節到來之際，“神十三”飛行乘組在中國空間站天和核心艙通過中央電視臺向全球中華兒女拜年。
“神十三”飛行乘組在開展在軌遙操作對接試驗。
近日，世界科技領域最熱門的話題莫過於中國神舟十三號飛行乘組從太空歸來，國際主流媒體紛紛關注，形成了報道熱潮。
英國路透社網站刊文介紹說，“神十三”載人飛行是中國迄今為止在軌駐留時間最長的一次太空任務，該文還結合中國已成功實施的首次火星探測任務和實現人類首次登陸月球背面壯舉，指出中國正在向2030年躋身世界航太強國行列的宏偉目標挺進。美國《外交學者》雜誌網站的報道揭示了“神十三”任務的性質是“中國空間站關鍵技術驗證階段的最後一次飛行任務”，其圓滿成功標誌著“中國空間站建設將進入新階段”。美國太空網深入報道了“神十三”航太員乘組開展的出艙、科學實驗和太空授課等活動，認為此次任務的成功為後續建造空間站奠定了堅實基礎。
奮鬥創造輝煌，堅持創造卓越，被國際媒體持續熱議的“神十三”實現了中國航太的一個又一個“首次”，成為中國載人航太工程實施30年、大踏步邁向中國空間站時代的一座豐碑。
①首次執行應急救援發射待命任務
對於公眾來說，“神十三”成為關注的焦點始於2021年10月16日成功發射進入太空，然而，其使命早在2021年6月“神十二”發射之時就已開始，只不過她彼時的角色是應急救援的備份載人飛船，與長二F遙十三火箭攜手隨時做好執行應急救援任務的準備。
為了應對載人航太活動可能存在的風險，確保完成載人飛行任務並保障航太員生命安全，中國空間站任務階段首次建立了應急救援任務模式，採用“滾動待命”策略，即在前一發載人飛船發射時，後一發載人飛船和運載火箭在發射場待命，通過在軌停靠飛船和發射場待命飛船共同確保在軌航太員安全。為此，“神十三”與“神十二”同時出廠，同時在發射場完成總裝、測試等工作。與此相應，長二F火箭採取“發射1發、備份1發”的“滾動備份”發射模式，兩發火箭同時進場，相繼完成總裝測試，流程上交叉，型號隊伍並行作業。
經過緊張有序的準備工作，在“神十二”載人飛船執行發射任務時，“神十三”載人飛船和長二F遙十三火箭均已處在待命狀態。一旦需要開展緊急救援，可以啟動相關程式，“船”“箭”合璧，短時間內即可發射入軌，開展太空救援。
②首次開展飛船徑向對接實戰
順利發射升空後，“神十三”首要的任務就是完成與空間站天和核心艙空間交會對接，形成組合體。空間交會對接被形象地稱作“太空穿針引線”，是兩個航太器在空間軌道上會合併在結構上連成一個整體的技術。2011年11月，神舟八號飛船與天宮一號目標飛行器成功進行了中國航太史上首次空間交會對接。此後，該項技術在中國多次航太任務中得到進一步驗證和拓展，“神十三”與天和核心艙實施的飛船首次徑向交會對接就是其中重要拓展成果之一。
“神十三”採用的徑向對接和之前其他飛船採用的後向對接、前向對接不同，其要與天和核心艙保持90度夾角，從天和下方來接近並實現對接。要成功做到這一點，必須解決好徑向對接時兩個航太器運作軌道高度差帶來的速度控制、姿態控制等諸多難題。“神十三”經受住了考驗，在制導導航與控制系統指揮下，歷時6.5小時，智慧自主完成了此次徑向對接任務。這一成功在一定程度上要歸功於“神十二”進行的徑向對接試驗積累的經驗。2021年9月16日，即將結束飛行任務的“神十二”成功繞飛空間站組合體並與之進行了徑向交會對接試驗。
③首次進行在軌遙操作對接試驗
“神十三”飛行乘組除了開展飛船徑向對接實戰之外，還首次進行了在軌遙操作對接試驗並取得圓滿成功，為確保天舟貨運飛船穩穩停靠“天宮”提供了備份對接手段，為中國空間站的在軌建造和運營上了一道“安全鎖”。
手控遙操作是由航太員在軌利用手動技術對飛船進行遙控操作，控制貨運飛船與空間站進行交會對接，是專門為貨運飛船這類無人來訪飛行器配備的功能，此操作與神舟載人飛船的手控交會對接有一些類似的地方。航太員在空間站核心艙裏，通過遠端的方式“駕駛”貨運飛船與空間站對接。在此過程中，航太員仿佛坐在貨運飛船裏，用第一視角“看向”空間站，憑藉面前的儀錶系統，通過操作手柄等完成與空間站的對接。
今年1月8日，“神十三”飛行乘組在核心艙發出控制指令，讓天舟二號先與核心艙分離，然後航太員手動控制貨運飛船的位置和姿態，撤到前向的一定距離。他們在地面科技人員的密切協同下，在空間站核心艙內採取手控遙操作方式，圓滿完成了天舟二號貨運飛船與空間站組合體交會對接試驗，驗證了空間站與來訪飛行器手控遙作業系統的功能、性能以及天地間協同工作程式的合理性。
④首次實現了中國女航太員出艙
走出航太器，漫步太空，開展艙外作業是空間站建設和運營的必備能力之一。通過“神十三”任務，中國載人航太繼續在出艙和艙外作業能力方面取得新的突破，其中包括圓滿完成了首位女性航太員出艙和艙外作業任務。
2021年11月7日晚，“神十三”乘組成員王亞平身著新一代“飛天”艙外航太服，緊隨指令長翟志剛從“天和”節點艙成功出艙，由此成為中國首位進行出艙活動的女航太員，邁出了中國女性艙外太空行走第一步。之後，王亞平與翟志剛按照操作規程，根據地面指揮中心的指令，在艙內航太員葉光富配合支援下，開展了機械臂懸挂裝置與轉接件安裝、艙外典型動作測試等作業。
由於太空微重力環境下，艙外行走在很大程度上靠上肢在航太器外部攀爬來實現，艙外作業更是要憑藉上肢來完成，在身著艙外航太服的情況下，航太員上肢力量和耐力經受很大考驗。王亞平此次出艙和艙外作業的亮眼表現證明，在浩瀚太空裏，中國女航太員同樣能撐起“半邊天”。
⑤機械臂首次在軌轉位大型航太器
2022年1月6日淩晨，中國空間站機械臂成功捕獲天舟二號貨運飛船。6時12分轉位試驗開始，天舟二號貨運飛船與天和核心艙解鎖分離後，在機械臂拖動下以核心艙節點艙球心為圓心進行平面轉位；之後，反向操作，直至天舟二號貨運飛船與核心艙重新對接並完成鎖緊。
經過約47分鐘的跨系統密切協同，空間站機械臂轉位貨運飛船試驗取得圓滿成功，這是我國首次利用空間站機械臂操作大型在軌飛行器進行轉位試驗。為了保障此次轉位試驗取得成功，相關專家和技術團隊在地面進行了大量的倣真模擬，這次試驗是對地面倣真系統的一次成功驗證。
此次試驗的成功初步檢驗了利用機械臂操作空間站艙段轉位的可行性和有效性，驗證了空間站艙段轉位技術和機械臂大負載操控技術，也獲取了在軌失重環境下機械臂運動學模型參數，為今後機械臂轉位實驗艙、艙外大型載荷照料等任務奠定了堅實基礎，為空間站的後續建造與運營提供了一大保障。
⑥首次實現在軌駐留時間達到半年
相對於在空間技術上創下諸多“首次”而言，“神十三”乘組創下的中國航太員在軌183天的時間長度紀錄是很多人印象最為深刻的，一些媒體用“去時黃葉飛，歸來春滿園”來描述“神十三”乘組本次太空之旅。
隨著中國航太員乘組入駐“天宮”，太空中迎來了“北京時間”和以此為時間坐標的中華文化節日和重大國際盛會，於是，人們看到“神十三”乘組歡度了中國人的第一個“太空春節”“太空元宵節”。虎年新春佳節，他們手持“福”“春”和“中國結”，向全國人民和全球華僑華人送上新春祝福。他們通過“天地連線”現身央視元宵節晚會，航太員王亞平以一曲太空《茉莉花》撥動億萬國人的心弦，航太員翟志剛和葉光富分別以“白雲蓬蓬生足下”“懷抱寰宇懸浮立”為燈謎的謎面，指向同一個謎底“中國空間站”。北京冬奧會開幕前夕，九天之上的航太員乘組心繫北京冬奧會，在空間站核心艙展示微重力環境下懸浮空中的奧運五環標誌，喜迎北京冬奧會併為全球冬奧健兒加油、祝福。
從無人到載人，從單人20多小時到兩人4天多，從多人13天、多人15天到兩人1個月，從多人3個月到多人183天，中國航太員單次飛行任務太空駐留時間紀錄不斷刷新，空間再生生保系統性能持續優化提升，為航太員長時間駐留空間站提供了可靠保障。
⑦首次快速返回壓縮歸途時間
從“天宮”回到“家”需要多長時間？“神十三”給出的最新答案是約9個小時，這是中國神舟載人飛船返回艙脫離天和核心艙回歸地面的最短時間紀錄。
與之前的神舟載人飛船比如“神十二”相比，“神十三”在返回技術原理上是相同的，都是通過飛船再入大氣層和降落傘減速後著陸。具體來說，其返回的過程是，返回艙和推進艙組合體從“天和”分離後開始踏上歸途，之後返回艙在推進艙的助推下重返大氣層，進而在預定區域內著陸。與“神十二”回歸不同的是，“神十三”將以前需要在繞地飛行10多圈內完成的飛行事件壓縮到5圈完成，由此大幅減少返回時間，進一步提升了航太員返回體驗及任務實施效率。
快速返回模式對地面飛行控制工作和著陸場搜救力量提出了更高要求，據了解，為適應這種模式，有關方面新增了中繼衛星和地面雷達投入此項任務，提高了測控可靠性。
⑧首次啟用無人車參與飛船回收
安全著陸後，最重要的是做到“艙落機臨”，搜救隊員可以第一時間確認返回艙位置以及航太員乘組的狀態。據中國軍視網報道，在“神十三”返回艙搜救中，國防科技大學科技創新團隊研發的無人搜救車閃亮登場，這是我國首次利用無人車參與飛船回收。
飛船返回時由於受風力等不確定性因素影響，實際落點會與理論瞄準點有一定的偏差。因此從安全形度考慮，理論瞄準點附近一定區域內不允許人員和大型裝備進入，這就影響了搜救的時效性和觀測的精準性。針對此問題，國防科技大學科技創新團隊研發出自主能動性強的無人車，參與了“神十三”返回艙搜救實戰並表現出優良的性能。
據了解，該無人車的“駕駛員”由感測器和電腦系統所構成。通過對環境進行觀察、對車輛周圍的物體進行識別、理解，形成一條期望的虛擬路徑，並根據車輛所感知的資訊，實時變換前進方向以及加減速，實現車輛的靈活運動。之後，通過無線電臺，團隊將無人車與後方的指控中心進行數據連接，隨時對無人車的運作進行調整，做到人和機器的相互結合、精準調控。
本文圖片均來自中國載人航太工程辦公室網站
