“载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器，在太空中从事各种探索、研究、试验等的往返飞行活动，其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力，把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空，更广泛和更深入地认识整个宇宙，并充分利用太空和载人航天器的特殊环境，进行各种研究和试验活动，开发太空极其丰富的资源。”

杨宏

　　近日，在中国电子学会主办的第十六届中国电子信息年会上，中国工程院院士、中国载人航天工程空间站系统总设计师杨宏介绍了中国载人航天技术发展情况，并对太空产业和太空经济发展方向、数字化技术在空间站的应用等作出了展望。

　　中国载人航天工程是中国科技重大专项之一，自立项之日起即确立了“三步走”的发展战略。第一步载人飞船工程实现中国人进入太空，第二步空间实验室工程实现中国人进驻太空，第三步空间站工程将实现中国人利用太空。到2022年 底，两年间共进行了11次发射，实现了3次飞船返回、2次舱段转位，有7次航天员出舱、4个乘组12名航天员接续在轨驻留，完成了我国空间站三舱的在轨组装建造，至此中国空间站全面建成。

　　新型举国体制实现“天地人和”

　　“中国人讲求‘天地人和’的智慧，将整个宇宙看作一个大系统，这种理念在空间站系统的总体设计中体现得淋漓尽致。通过在众多约束条件下创造最大价值的总体设计，让天、地、人三大要素融为相辅相成的有机整体。”杨宏介绍道，“我们从一开始就确定了要自立自强打破封锁，通过增强顶层设计、瞄准前沿系统谋划，提出适合我国国情的组装建造方案。”

　　为此，杨宏带领总体设计团队，秉持“1+N=1”的设计理念，以“规模适度、留有发展空间”为设计思路，创造性地提出“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”的方案。据杨宏介绍，在天上，组成空间站的各个舱段和来访飞船都是独立飞行器，交会对接后形成组合体，通过“最强大脑”进行统一管控，进而实现结构上的对接，组合体的信息、能源系统相互连接，动态并网、能力共享，像人体“神经”和“血液”一样畅通无阻，整体性能大幅超越各航天器功能的简单集合；在地面，航天科技集团五院建设了一个与“天宫”等比例的物理空间站，采用数字孪生技术创建数字空间站，形成“天—地—数字”三站协同的新型运行模式，用飞行数据实时驱动、开展在轨状态预测、趋势评估。

　　航天科技集团五院还抽调了骨干力量成立飞控队伍，用三班倒、连轴转的空间站作息模式24小时不停监控天上的状态，在实战中经受了各种复杂在轨构型和各类任务考验，为后续长期在轨运营任务提供了可靠支撑；人是空间站系统里具有决定性的要素，总体设计团队始终贯彻“以人为本”的理念，从空间站的设计到每次执行任务都与航天员充分进行沟通。杨宏说：“一是要确保航天员安全，充分考虑系统的安全性、可靠性；二是通过设计不断提升舒适性和便利性，打造一个让航天员身体健康、心情愉悦的太空之家；三是充分发挥航天员在轨优势，通过维修保养的方式提升空间站的可靠性、安全性，实现空间站的长寿命、长期在轨的稳定运行。”毋庸置疑，中国空间站系统工程是新时代发挥新型举国体制优势、集中力量办大事的生动范例。

　　具有完全自主知识产权的“中国方案”

　　遵循“以国家重大型号引领基础技术突破”的思路，杨宏带领技术团队驻扎元器件研制一线，一举突破550万个宇航用元器件的技术瓶颈，解决了核心元器件“卡脖子”问题。在天和核心舱与问天实验舱组合形成L形后，梦天实验舱的就位使三舱构成一个可靠的T字形组合体，成为空间站的基本部分，为后续扩展巡天光学舱等舱段奠定了坚实的基础。未来，中国空间站还能够在机械臂的辅助下继续组装，形成“十”字形、“干”字形等扩展构型。目前，中国空间站系统的核心元器件已全部实现国产化。

　　据了解，天宫一号与国外同类型航天器相比受重量、体积等资源强约束，突破了多项关键技术，为空间站的关键技术奠定了基础。我国在空间站研制过程中坚持系统谋划和顶层设计，独立自主地一体化设计空间站三舱，使多个舱段、多个航天器的系统可整合重构，大幅提升了整体可靠性，形成了具有中国特色的空间站方案，所突破的关键技术都具有完全自主知识产权。

　　一是利用我国北斗导航卫星和天链卫星，构建了自主可控、具有天地移动互联能力的网络体系；二是研发出了我国首个柔性可展开的太阳能电池翼，像折叠扇一样发射时收拢，在轨时展开。它体积轻、重量小、可展可收、可以在轨维修，且具有非常高的发电效率，为航天器提供了坚实的能源保障；三是利用昆虫的仿生原理设计的可爬行机械臂，头尾可以互变，能够在空间站外表面自如爬行，有效解决了空间站外表面机械臂的覆盖问题，能够帮助航天员出舱、照料科学实验设备、舱段转位等；四是再生生保技术。通过收集航天员的汗液、尿液形成冷凝水并处理为再生水、电解制氧，实现了密封舱内小环境情况下的资源再利用，大大降低了从地面向载人航天器进行补给的成本。

　　杨宏认为，空间站作为国家重大工程，拉动了芯片、新能源、新材料、数字化等一大批技术的发展。空间站要实现长期在轨稳定飞行，需要高可靠、高安全性且具有维修性的设计。“空间站的维修性是设计出来的，而不是想修就能修。在空间站设计之初，就要把可维修性的设计体现在系统设计中。这样可以通过航天员进行在轨维修维护，实现空间站的长期在轨稳定运行，为科学实验创造有利条件。”

　　数字孪生技术托举“天—地—数字”三站协同模式

　　空间站涉及能源、环境、控制、信息、推进等多学科、多系统，一个设计如果发生调整和变化，会给周边系统带来一系列影响，系统整体复杂性极高。由于统研制模式已经不能适应空间站的建设和发展需求，2012年在空间站工程的初样设计阶段就确立了用数据来为空间站研制历程建立档案的科学规划。

　　为确保“天宫”空间站在轨组装建造飞行任务的圆满成功及后续长期的安全稳定飞行，空间站系统采用了基于数字孪生技术的数字空间站建设与应用，开展了一条全生命周期、全模型化、全要素，基于数据同源的数字化研制路线。通过构造作为在轨真实空间站“数字镜像”的数字空间站，在遥测数据驱动下天地同步、虚实映射，为空间站飞行任务提供任务前的仿真预示、任务中的数字伴飞、任务后的状态评估等仿真计算支持，在保障在轨安全稳定运行、支持试验资源有效应用等方面发挥了重要作用。

　　“从前，如果按照图纸制造像空间站这样的大型密封舱结构，需要工艺和操作人员逐步理解、反复迭代；有了三维模型以后，产品更直观，复杂结构产品用图纸不好表现的，以三维模型的方式展现就一目了然，工艺准备、数控编程的效率大幅提高，研制效率提升了50%以上。同时，三维模型也统一了研制过程的数据来源，有助于控制好产品质量。”杨宏介绍道，“通过打通研制过程全周期、全三维的模型数字化流程，我们开辟了新型数字化研制模式，数字化技术提升了研制效率和质量，使中国空间站的研制周期缩短了30%。

　　如今，太空中实际运行的空间站、地面这个与“天宫”等比例的空间站、数字空间站一起形成了“天—地—数字”三站协同的新型运行模式，地面等比例空间站用于软件升级验证和在轨航天员复杂操作地面验证；数字空间站用于任务飞行方案的设计和验证，以及在轨状态的实时数据监控。通过数字空间站用飞行数据开展在轨状态预测、趋势评估，给太空中正在运行的空间站保驾护航。

　　近年来，欧美等航天大国正在加紧布局新太空格局，以航天科技为技术载体、以航天产业为重要依托的太空经济正受到世界主要航天国家的广泛关注。“太空经济活动包括探索、开发、利用太空的全部产业活动及其衍生产品和增值服务。太空经济的本质是航天科技水平和行业发展趋势的有效对接和模式创新。”杨宏总结道。

　　“我国载人航天工程注重发挥工程综合效益，将工程成果应用和服务于国家经济社会发展。中国空间站建成国家级太空实验室，开展大规模的科学实验和技术试验，涉及新能源、新材料、生物技术、生命科学、空间科学等多个学科技术可利用空间站在轨独特的太空环境开展实验或试验。”杨宏表示，空间站空间科学试验、太空育种、航天器在轨服务、太空能源开发利用、太空旅游等都是未来太空经济发展的典型应用场景，“我们希望与世界各国的科学家一起，在中国空间站这个平台上开展多项科学实验，共同开发空间资源，和平利用太空，共同为人类科技进步做出贡献。”

　　杨宏

　　1963年出生于吉林通化，毕业于西安电子科技大学，载人航天工程管理和电子信息技术专家，中国工程院院士。