中国之最导向图(格物致知：为什么需要空间站在
技术验证、系统验证与飞行验证——航天领域不可或缺的环节。在中国空间站迈向应用与发展的新时代之际，回顾其建造过程中的种种验证，我们深感其重要性。从核心舱的成功发射，到两艘载人飞船与两艘货运飞船的协同合作，完成了一年时间的“关键技术验证阶段”，为建造阶段奠定了坚实基础。这一切都离不开对技术的深入验证。
2022年4月17日，随着两个实验舱的升空，载人航天工程办公室宣布关键技术验证阶段任务目标的圆满完成。这些“关键”技术，指的是建造多舱段空间站、保证航天员长期在轨生活的技术。这些技术并非一蹴而就，而是中国航天科技人员数十年的艰辛探索与积累的结晶，空间站自身的研制也历经了十余年。
尽管许多技术在地面研制、载人飞船和空间实验室的实践中已经得到了验证，但为何还需要在飞行中进行验证呢？这是因为地面试验和仿真无法做到百分之百的“真实”。即便数字孪生技术日益成熟，也无法完全实现100%的“孪生”。对于空间站工程来说，以下三类情况必须进行在轨验证，以确认航天器设计的准确性、真实性与有效性。
首先是那些难以在地面模拟的物理条件。持续的微重力环境是其中之一。虽然落塔、失重飞机等可以创造短暂的微重力条件，但这些试验只能获得数秒至数分钟量级的微重力，用于原理验证或人员体验。真正的长时间微重力环境下的现象是无法在地面模拟的，更难以进行大尺寸设备的验证。
特别是与液体物性相关的验证，在空间站的再生式环境控制和生命保障系统中至关重要。水的收集、传输、处理等环节都会受到微重力的影响。地面条件下，液体的成形和流动受重力和表面张力的双重影响，而微重力环境中液体的特性会发生显著变化。必须在地外环境中进行真实工况的验证。
结构或机构动力学相关工况也是地面模拟难以完全替代的。对于大质量、大尺寸柔性设备或多自由度复杂三维运动机构来说，地面试验时采用悬吊、气浮平台等方法补偿结构或机构部件的自重效果有限。例如太阳翼等大型部件的频率设计至关重要，其基频是空间站姿态控制系统的重要设计条件，必须在真实的太空环境中进行验证。
验证是系统工程中的一个重要环节，是获取新知识、开辟新生命周期的基础。对于中国的空间站工程来说，在轨验证是不可或缺的。只有通过真实的太空环境验证，我们才能确保航天器的物理特性、载人环境和活动的准确性、真实性与有效性，为未来的太空探索奠定坚实基础。在宏大的宇宙背景下，空间站的核心舱太阳翼与实验舱太阳翼，如同展翅的巨鸟，捕捉着每一缕阳光。太阳翼的单翼长度超过十米，面积近七十平米，它们伸展的巨大翼翅在地面试验中面临着空气阻力的挑战。由于其复杂的结构形式和众多的伸展机构关节，地面难以完全模拟其在轨状态，天地差异造成的频率偏差难以完全消除。尽管如此，地面试验仍然能够捕捉到太阳翼的动力学特征，为我们提供一定准确度的估值。
空间站配置的机械臂，无论是大型的十米机械臂还是小巧的五米机械臂，都是精密的工程杰作。它们在三维空间中的运动规划展示出显著的几何非线性特征。尝试通过悬吊补偿自重的方法承载这些机械臂，需要庞大的随动机构，即便如此，也无法完全模拟微重力条件下的运动特性。地面试验只能以气浮平台支持机械臂进行二维运动，真正的验证还需要依赖在轨的三维动力学特性测试。
对于庞大的多舱段组合体，其控制之复杂远超我们的想象。太阳翼的低频特性直接影响组合体的姿态控制精度与稳定度。转位过程中，随着机械臂的连接，组合体的力学特性动态变化。要想获得理想的控制效果，控制算法及参数必须与之相匹配。而这些方案的实现与效果，都需要在轨实测验证。
载人航天器的设计核心在于保证人在太空中的安全生活与工作。在微重力环境下，人的工作状态和能力与地面存在显著的差异。航天员需要专门的装置进行肢体限位，其使用的工具也需要特别设计。空间环境因素带来的操作问题在地面难以真实模拟。虽然可以通过悬吊方法模拟人体动作，但无论施力还是受力，都与在轨状态有所差异。航天员出舱活动的验证和训练更多地依赖于中性浮力水槽中的模拟。水池与太空的差异仍然明显，尤其是物品在空中的漂移问题需要通过专门的设计和操作规范进行控制。人机工效相关设计的合理性、航天员的操作能力及体验等都需要在轨进行实际验证并积累经验。
空间站在密封舱内构建了一个近乎封闭的载人环境，再生式生命保障系统和有限的地面补给共同保障人员的长期驻留。在这个平衡过程中，人的代谢是重要变量，也是生保系统需要适应和保障的关键要素之一。人的代谢在微重力环境下存在显著的天地差异，这要求生保系统的性能参数与之匹配，并具备足够的调节范围以适应人体代谢的变化。这个复杂的人-机系统只有在轨实测并持续足够长时间，才能获得真实有效的数据。
在1981年，加拿大臂（Shuttle Remote Manipulator，SRMS）被发射入轨，开始了它的太空之旅。这款机械臂长达15.24米，由三组关节和两节臂杆组成，重量为410公斤。它随着航天飞机多次执行任务，协助完成了卫星释放和在轨故障卫星的维修及回收。实际应用中，操作员在完成每个动作后需要等待20至40秒，让机械臂稳定下来才能进行下一个动作。因为振动对机械臂的操作精度和效率造成了严重影响，使得加拿大臂工作时间的三分之一都被用于等待振动衰减。考虑到航天飞机的高昂运行费用，这种振动无疑增加了巨大的成本。
到了2002年，一个拥有七个自由度的先进机械臂——加拿大II臂（Space Station Remote Manipulator，SSRMS）被安装在国际空间站上。这款机械臂长达17.6米，包含三组关节和两节臂杆，质量达到1800公斤，承载能力高达116吨。相较于航天飞机上的加拿大臂，其性能有了显著的提升。加拿大II臂解决了固定基座运动控制的稳定性问题，不仅能通过两个末端执行器抓住适配器爬行，还能通过移动基座沿空间站桁架导轨移动，大大扩大了工作范围。新的问题也出现了——移动基座沿导轨移动时产生的振动以及基座与臂杆之间的耦合效应导致机械臂末端轨迹发生偏差。针对这一问题，NASA和SPAR公司制定了专门的控制方案，以应对基座表现出的弹性振动特性。
经历了两套机械臂在轨飞行的实践经验后，SPAR公司自信地宣称他们已经拥有了仅通过仿真而非复杂的物理试验即可完成新机械臂设计的能力。
出舱活动能力也在经验和教训中不断前进。苏联和美国的出舱活动都曾经遭遇过地面未验证和估计到的险情。比如，苏联宇航员列昂诺夫在1965年的第一次出舱活动中，因舱外服膨胀而差点无法返回飞船。而在美国第一次出舱活动中，宇航员怀特也花费了五分钟才关上舱门，他的代谢消耗超出了通风系统的冷却能力，头盔内起雾，汗水流入眼中。尽管发生了这样的意外，但在礼炮号时代，苏联积累了近二十年的地面训练和出舱活动实践经验后，开始执行更为复杂的舱外操作。与此美国的出舱活动也在不断完善中前进。到了国际空间站时期，特别是有了机械臂的协助后，美俄的舱外作业能力已经能够自如运用。这些进步的取得都是基于天上实践经验的积累推动天地设施、地面验证和训练方法的同步完善的结果。
再生生保技术的成熟完善同样是在系统迭代过程中实现的。苏联/俄罗斯的近地载人技术发展的连续性使得空间站经历了从单舱单对接口到单舱双对接口再到多舱积木式组合的演进过程。在这个过程中，生命保障系统由非再生式逐步发展到和平号使用的再生式。再生生保各模块的逐步成熟随着和平号的舱段分阶段上天实现。在和平号运行前期还需要非再生设备作为补充的再生式生保系统如今已经日趋完善。在国际空间站技术不断进步的浪潮中，俄罗斯舱电解制氧发生器的一次故障成为了研究水气分离技术的契机。据公开报道，这一故障源于气泡阻碍了输送过程，很可能是水气分离环节出现了问题。随后，美国舱的水循环系统也出现了堵塞问题，其背后的原因被揭示为航天员体液中高浓度的钙导致。这些实例提醒我们，即使在空间站持续载人飞行的二十一世纪，与人体代谢相关的工程设计仍然需要在真实环境中进行进一步检验和探索。以国际空间站二代加拿大臂的性能飞跃为例，展现了航天技术的进步不断突破旧有的界限。
与此中国的空间站技术也在不断进步。天和核心舱的单舱飞行对关键技术进行了验证，展示了中国在这一领域的坚实实力。从公开报道中得知，其验证包括航天员长期在轨驻留的生活和工作保障能力、再生式环境控制以及生命保障系统的验证等。大型柔性太阳电池翼和驱动机构、机械臂辅助舱段转位、航天员遥操作交会对接等技术也获得了成功验证。每一个技术的突破都是中国航天工程师们智慧与努力的结晶。
值得一提的是，所有的在轨验证完成后，工程师们利用天上的真实环境和真实工作条件进行反问题求解的典型应用。他们利用测量和辨识系统对大型机构的动力学特性进行辨识，结合机械臂转位货运飞船的试验对组合体的动力学特性进行了进一步的辨识和修正。这一验证方法的成功不仅修正和完善了空间站自身的控制参数，而且为未来的新舱段和新产品提供了更加准确的模拟依据。这是中国空间站扩展性的体现，也是设计与验证形成的良性循环。这一良性循环的本质在于通过在轨飞行，我们得以对天地差异有了量化的、更准确的认知。这种深入的理解和不断的创新使得中国空间站技术不断向前发展，为未来的航天探索奠定了坚实的基础。神舟十二号航天员开展中国空间站出舱活动，介绍航天工程验证之路（图源新华网）
在辽阔无垠的宇宙中，神舟十二号航天员正在进行一场激动人心的中国空间站出舱活动。这不仅是一次勇敢的太空探险，更是对整个航天工程技术的深入验证。载人航天工程，一个涵盖难度大、技术跨越广的航天项目，其背后是无数技术目标和产品验证的累积与实现。
苏联空间站的进化历程，从单舱到多舱、从单一接口到多接口的发展，推进剂补给、再生生保等功能的逐步完善，都是历代空间站逐步成长的见证。美国曾转向航天飞机，导致近地空间站技术中断，但通过与国际合作，实现了长期载人技术的验证。各国空间站技术的发展，都是循序渐进、逐步验证的过程，中国也不例外。
中国的载人航天工程遵循着“三步走”的战略。通过载人飞船任务，验证天地往返技术，确保人员安全进入太空并返回。这是载人航天的基石和安全保障。接下来，开展出舱活动，掌握交会对接技术，为空间站的建造和运行打下基础。每一步的关键技术，都在前一阶段得到了实际验证和效果的确认。
技术的验证不仅依赖于目标的设定，更需要合适的实施方案。以交会对接技术为例，各国采取了不同的验证方案。我国在此技术的验证过程中，曾考虑两种途径。王希季先生，我国航天界的元老，为我们指明了突破交会对接技术的关键——必须包含四个方面的技术验证。这四项验证标准成为我们制定工程任务方案的重要指导。
当我们审视空间站的验证之路，会发现它不仅仅是技术的累积和突破，更是勇气与智慧的结晶。从原理性验证到工程产品实现能力的验证，每一步都凝聚着航天人的汗水与智慧。神舟十二号航天员的出舱活动，不仅是对自身极限的挑战，更是对整个航天工程技术的完美展示和验证。他们的每一步，都牵动着国人的心，也向世界展示着中国航天的实力与决心。
未来，随着更多的航天任务和活动的展开，我们有望见证更多激动人心的时刻，也期待着中国航天工程继续迈向更高的目标，为人类的太空探索写下新的篇章。在构建宏大的空间站项目中，核心舱作为大脑与母港，其重要性不言而喻。它不仅承载着关键技术的验证使命，更在单舱飞行期间担当试验载体，以实践为舞台进行技术与性能的展示。从航天器的功能到工程过程的进展，核心舱无疑是空间站建造中的先锋与基石。
这一核心任务规划的背后，是深思熟虑的策略考量。考虑到航天器研制的复杂性与综合性，航天前辈们早已强调“一切通过总体、一切通过地面试验”的航天可靠性理念。在充分有效的地面验证基础上，飞行试验方能发挥其独特作用。这是因为，即便技术进步再显著，地面模拟和数值仿真也无法完全替代真实环境下的飞行验证。必要的在轨验证仍是确保航天器性能的关键环节。
飞行试验并非毫无风险的尝试。它需要有明确的目的和针对性的验证标准，确保每一次飞行都能达到预期的验证目标。在飞行过程中，遥测是获取数据的主要手段，但其局限性不容忽视。地面试验的优势在于可以运用多种观察测量手段，更全面地获取产品状态信息。飞行验证虽然必要，但并非首选方案，只有在地面验证无法完全满足需求时方被采纳。值得一提的是，飞行产品的回收和重复使用不仅在经济上具有优势，更能为验证结果提供更为详尽的数据信息。如神舟飞船的返回舱返回后所带来的实际数据与信息远超遥测所能获取的内容。
在这一背景下，关于航天任务是否允许尝试和失败的问题，答案显然是肯定的。但这一“允许”并非盲目冒险，而是在充分有效的地面验证基础上的尝试。钱学森先生的理念在这里得到了最好的诠释：通过总体设计和地面试验的全面性、有效性来确保飞行的成功率和降低风险。当飞行试验出现问题时，航天器研制者们应以坦然的心态面对，因为问题出在地上总比天上要好解决得多。“一切通过总体、一切通过地面试验”，是我们在面对是否允许尝试和失败问题时的最佳答案。在持续不断的迭代中，SpaceX航天器的快速进步得益于大量珍贵的在轨试验数据，这些数据为其发展提供了坚实的基石，并推动了良性循环。那么，在轨试验是否终将被替代呢？答案是否定的。随着技术的进步和对太空认知的深化，虽然仿真技术取得了长足的进步，但在真实环境下的在轨试验依然扮演着无可替代的角色。它们在辨识和修正仿真模型方面发挥着关键作用，特别是在面对未知的空间环境和复杂多变的工况时。这一点在机械臂案例中得到了充分证明，它们不仅帮助我们更好地认识空间环境，还极大地提升了地面设计、仿真及验证能力。
科幻作家刘慈欣所表达的元宇宙无法取代星际航行的观点，同样揭示了真实体验与物理知识的结合对于探索未知世界的重要性。对于空间站来说，尽管其建造阶段的技术验证已经取得了显著的成果，但验证的脚步并未停止。空间站作为一个拥有长期近地轨道和微重力环境的科研平台，仍在进行更多领域的空间科学研究和新技术的在轨验证。与试验卫星相比，载人空间站的优势在于航天员的现场参与。他们的直接操作和实时反馈大大提高了试验的效率和效果，同时天地通信手段使得数据实时传输和专家团队的实时指导成为可能。航天员还可在现场选取样品进行医学研究、验证受控生态技术和空间环境对生物的影响等。智能机器人的应用更是辅助航天员高效完成舱内外工作的重要工具。
中国空间站的T字构型不仅是太空技术发展的里程碑，更是未来探索的起点。作为中国载人航天工程的重要成就和国家太空实验室的新篇章，它闪烁着人类在实践中追求真理的文明之光。在这里，飞行验证不仅是技术的验证，更是对人类智慧和勇气的考验。无论是面对在轨试验的挑战还是空间站的持续验证工作，人类始终保持着对太空的好奇和探索的热情，不断向前迈进。
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