每一步的技術(shù)驗(yàn)證目標(biāo)，需要恰當(dāng)?shù)膶?shí)施方案與之匹配。驗(yàn)證目標(biāo)直接影響驗(yàn)證方案，最終與工程成本、時(shí)間等約束條件一起決定工程任務(wù)方案的制定。

以突破并掌握交會(huì)對(duì)接技術(shù)的“第二步”為例。交會(huì)對(duì)接技術(shù)應(yīng)如何驗(yàn)證？采用何種方案？各國(guó)交會(huì)對(duì)接的驗(yàn)證方案不盡相同：美國(guó)以雙子座飛船與運(yùn)載火箭改造而來(lái)的“阿金納”目標(biāo)飛行器進(jìn)行交會(huì)對(duì)接；蘇聯(lián)兩艘飛船分別充當(dāng)追蹤和目標(biāo)飛行器；日本則用ETS-VII衛(wèi)星釋放一個(gè)小目標(biāo)飛行器之后再去追蹤和對(duì)接。

在神舟飛船成功飛行的基礎(chǔ)上，我國(guó)曾提出兩種驗(yàn)證途徑：一是基于成功應(yīng)用的飛船留軌艙技術(shù)，研制長(zhǎng)壽命的2噸級(jí)目標(biāo)飛行器；二是新研8噸級(jí)目標(biāo)飛行器。從驗(yàn)證交會(huì)飛行和對(duì)接這兩項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)來(lái)看，兩種方案初看都是可行的，也都具備工程研制能力。然而，在方案論證期間，我們的航天前輩、兩彈一星元?jiǎng)字坏耐跸＜鞠壬岢隽藛?wèn)題——“突破交會(huì)對(duì)接技術(shù)”的標(biāo)志是什么？

王希季先生的觀點(diǎn)是，突破的標(biāo)志取決于驗(yàn)證目標(biāo)：載人航天所需要突破的交會(huì)對(duì)接技術(shù)是為后續(xù)建造和運(yùn)行載人空間站服務(wù)的，那么交會(huì)對(duì)接的驗(yàn)證目標(biāo)就必須包含以下四個(gè)方面技術(shù)的驗(yàn)證和掌握：

（1）交會(huì)：空間站艙段和飛船能先后發(fā)射并在太空中會(huì)合；

（2）對(duì)接：艙段之間、空間站與來(lái)訪(fǎng)飛行器之間要能夠?qū)崿F(xiàn)剛性連接和任務(wù)后的分離；

（3）組合體控制權(quán)交接：空間站各個(gè)艙段獨(dú)立發(fā)射，在對(duì)接后要形成統(tǒng)一控制的多艙段組合體，各來(lái)訪(fǎng)飛行器要融入該組合體接受統(tǒng)一管理，并在任務(wù)結(jié)束后分離，恢復(fù)獨(dú)立飛行器狀態(tài)。組合體是動(dòng)態(tài)變化的，空間站和各飛行器間在運(yùn)動(dòng)控制、信息管理、供電及載人環(huán)境等方面都要在對(duì)接后實(shí)現(xiàn)1+1=1，分離時(shí)做到1-1=1；

（4）人員和物品轉(zhuǎn)移：空間站與飛船之間必須進(jìn)行人員和物品轉(zhuǎn)移。這一要求看似理所當(dāng)然，實(shí)際上直接決定了對(duì)接機(jī)構(gòu)的方案必須滿(mǎn)足對(duì)接后形成載人通道的要求，顯然日本ETS-VII衛(wèi)星的對(duì)接機(jī)構(gòu)是無(wú)法勝任載人任務(wù)的。

以上述四個(gè)方面作為驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，美、蘇、日的首次交會(huì)對(duì)接飛行都沒(méi)有完全驗(yàn)證載人任務(wù)所需技術(shù)。美蘇通過(guò)后續(xù)多次飛行遞進(jìn)式完成了全部功能的驗(yàn)證，日本直到HTV貨運(yùn)飛船與國(guó)際空間站對(duì)接才部分掌握了載人交會(huì)對(duì)接技術(shù)——其組合體控制能力完全掌握在空間站一端，對(duì)接機(jī)構(gòu)也配置的是美國(guó)艙段的通用端口CBM。

同樣，以這些標(biāo)準(zhǔn)來(lái)審視我們的交會(huì)對(duì)接驗(yàn)證方案，顯然只有8噸級(jí)目標(biāo)飛行器具備同時(shí)滿(mǎn)足四項(xiàng)驗(yàn)證目標(biāo)的能力。這就是天宮一號(hào)的由來(lái)，空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)階段的工程方案也據(jù)此形成。

回到空間站。關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別完成后，選取何種驗(yàn)證方案？作為突破與掌握技術(shù)的標(biāo)志，我們不僅要完成原理性驗(yàn)證，還要有工程產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能力的驗(yàn)證。比如，必須有空間站核心艙的體量，才可能對(duì)大型柔性太陽(yáng)帆板、整套再生生保系統(tǒng)、大型機(jī)械臂以及人員長(zhǎng)期駐留進(jìn)行1:1考核，達(dá)到驗(yàn)證目的。因此，在綜合考慮了地面驗(yàn)證基礎(chǔ)并統(tǒng)籌飛行任務(wù)規(guī)劃之后，整個(gè)空間站建造任務(wù)被分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證與建造兩個(gè)階段，以核心艙本身作為試驗(yàn)載體，在其單艙飛行期間進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。這一方案還同時(shí)兼顧了對(duì)核心艙自身性能及健康狀態(tài)的考核與評(píng)估，通過(guò)考核確認(rèn)可以在其基礎(chǔ)上對(duì)接后續(xù)艙段、建造空間站并開(kāi)始10年以上的運(yùn)行。

從航天器功能上看，核心艙是中國(guó)空間站的大腦與母港。從工程過(guò)程來(lái)看，核心艙是空間站技術(shù)驗(yàn)證的前鋒、建造組裝的基石。以天和探索“天時(shí)地利人和”，核心艙不負(fù)使命。

航天器飛行之前有嚴(yán)格的試驗(yàn)驗(yàn)證要求和規(guī)范。包括單機(jī)、子系統(tǒng)和飛行器整體在內(nèi)的新研產(chǎn)品需要進(jìn)行鑒定性試驗(yàn)，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)、制造的正確性及在預(yù)期工作環(huán)境下的功能性能是否達(dá)標(biāo)并有預(yù)期裕度。對(duì)于上天產(chǎn)品，還要進(jìn)行檢驗(yàn)性試驗(yàn)和驗(yàn)收測(cè)試，才能確保該產(chǎn)品是合格的，能夠經(jīng)歷火箭發(fā)射的考驗(yàn)并能在軌道環(huán)境中正常工作。

即便如此，必要的在軌驗(yàn)證仍然至關(guān)重要。在航天發(fā)展早期階段，由于研制者對(duì)火箭飛行和太空運(yùn)行的各種條件了解有限，這類(lèi)試驗(yàn)性的飛行非常普遍，即以真實(shí)環(huán)境下的實(shí)際飛行本身作為試驗(yàn)方法，對(duì)新設(shè)計(jì)的飛行器或其中若干技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。隨著人們對(duì)太空和航天器的了解越來(lái)越多、越來(lái)越深入，更多試驗(yàn)項(xiàng)目可以通過(guò)地面物理模擬或數(shù)值仿真獲得有效驗(yàn)證，在軌實(shí)飛驗(yàn)證的需求相對(duì)已經(jīng)減少了很多，地面試驗(yàn)/仿真設(shè)施與方法則大幅進(jìn)步和完善。

在這樣的背景下，幾個(gè)問(wèn)題值得探討。

1、航天任務(wù)是否允許嘗試和失??？

回答是肯定的。如上所述，飛行本身就是有效和必要的驗(yàn)證手段，有的飛行任務(wù)完全以驗(yàn)證為目的，比如神舟飛船的幾次無(wú)人試驗(yàn)飛行和SpaceX的星艦飛船原型機(jī)試飛。

但是，這個(gè)“允許”是有條件和前提的：

（1）充分有效的地面驗(yàn)證，是飛行試驗(yàn)的前提和基礎(chǔ)。

我們非常強(qiáng)調(diào)地面試驗(yàn)，允許甚至鼓勵(lì)通過(guò)嘗試、試驗(yàn)去暴露問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，必要時(shí)甚至?xí)?zhuān)門(mén)安排試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)問(wèn)題以求吃透本質(zhì)。我們不提倡的是：試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施不到位，未能全面和有效驗(yàn)證；發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，但因未吃透機(jī)理而解決不徹底，或者因其他各種原因不徹底解決；因?yàn)橛辛藝L試的機(jī)會(huì)就什么都靠試，實(shí)際是由于不明就里而讓任務(wù)變成了盲目試驗(yàn)。這些做法都會(huì)把本該地面解決的問(wèn)題帶到天上，徒增風(fēng)險(xiǎn)與成本。無(wú)論地面和天上，試驗(yàn)必須要有明確目的、針對(duì)性，要有驗(yàn)證有效的判據(jù)與明確結(jié)論，發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題要閉環(huán)。

早在1960年代，航天前輩們就對(duì)型號(hào)研制的復(fù)雜性綜合性和總體設(shè)計(jì)的重要性有了深刻認(rèn)識(shí)，錢(qián)學(xué)森先生總結(jié)提出了“一切通過(guò)總體、一切通過(guò)地面試驗(yàn)”的航天可靠性理念。這里的“總體”，是指以組織而不是個(gè)人來(lái)保證工程研制的全面性、有效性和系統(tǒng)協(xié)調(diào)性；“地面試驗(yàn)”，意味著凡是能經(jīng)地面試驗(yàn)或模擬試驗(yàn)證實(shí)的，就不要帶到飛行試驗(yàn)中去考驗(yàn)。換句話(huà)說(shuō)，不允許問(wèn)題出在天上。

關(guān)于是否允許嘗試和失敗，“兩個(gè)一切”是最好的回答。

我曾經(jīng)在介紹地面試驗(yàn)情況時(shí)被問(wèn)到“試驗(yàn)出現(xiàn)問(wèn)題是什么心情”。我當(dāng)時(shí)回答：我們不希望出現(xiàn)問(wèn)題，但問(wèn)題一旦發(fā)生了，我們又覺(jué)得是好事，因?yàn)楫吘顾鲈诘厣隙皇翘焐?。我相信這是航天器研制者們普遍的真實(shí)想法。

（2）有效數(shù)據(jù)的獲取，是判定飛行試驗(yàn)成敗的重要標(biāo)準(zhǔn)。

飛行試驗(yàn)的成功與否，取決于此次飛行的驗(yàn)證目的是否達(dá)到。如果有效數(shù)據(jù)全部拿到、實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證目標(biāo)，那么這次飛行就是成功的，即使出現(xiàn)損失也是值得的；否則，“成功”就要打折扣。

在實(shí)際飛行試驗(yàn)中，遙測(cè)幾乎是拿到相關(guān)數(shù)據(jù)的唯一手段，而遙測(cè)只能通過(guò)傳感器、視頻等獲取有限信息。而當(dāng)飛行試驗(yàn)發(fā)生大的故障或損失，即便是遙測(cè)數(shù)據(jù)也很難完整有效地獲取。這一點(diǎn)與地面試驗(yàn)完全不同。地面不僅可以設(shè)置比飛行遙測(cè)多得多的觀察測(cè)量手段，還可以通過(guò)產(chǎn)品拆解檢查等直觀方法拿到遙測(cè)無(wú)法反映的、全面得多的狀態(tài)信息，出問(wèn)題的產(chǎn)品同樣能獲得有價(jià)值的信息。從這個(gè)角度看，以飛行作為驗(yàn)證手段的難度和風(fēng)險(xiǎn)大于地面，不到不得已并非應(yīng)優(yōu)先選擇的方案。

同樣從技術(shù)驗(yàn)證出發(fā)，飛行產(chǎn)品的回收和重復(fù)使用除了經(jīng)濟(jì)上的意義，對(duì)于獲取驗(yàn)證結(jié)果來(lái)說(shuō)具有極大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)回收，到手的不僅是完整數(shù)據(jù)，還有產(chǎn)品本身。比如神舟飛船的返回艙，可以得到各個(gè)部位防熱材料的實(shí)際燒蝕形貌、工作后的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越遙測(cè)所能獲取的信息。在某種程度上，重復(fù)使用為SpaceX航天器的快速迭代提供了非常有價(jià)值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推動(dòng)其發(fā)展進(jìn)入良性循環(huán)。

2、在軌試驗(yàn)終究會(huì)被替代嗎？

回答是否定的。在充分地面驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，必要的在軌試驗(yàn)一定要有，試驗(yàn)性的航天器以及航天工程步步推進(jìn)的驗(yàn)證任務(wù)也會(huì)一直存在。

一方面，在軌試驗(yàn)越來(lái)越多地起到在真實(shí)環(huán)境下辨識(shí)和修正仿真模型的作用。前面提到的機(jī)械臂案例，對(duì)認(rèn)識(shí)空間環(huán)境及影響和提升地面設(shè)計(jì)、仿真及驗(yàn)證能力起到了很大作用。

另一方面，隨著任務(wù)要求和難度的提高，在軌試驗(yàn)的新需求會(huì)不斷涌現(xiàn)。究其根本，仿真建立在足夠的“已知”基礎(chǔ)上，通過(guò)物理試驗(yàn)的積累掌握了足夠準(zhǔn)確的模型，就可以用仿真模擬我們已知的領(lǐng)域，該領(lǐng)域內(nèi)各種不同工況可以不再重復(fù)物理試驗(yàn)。然而，隨著已知的增加和仿真能力的提高，我們總是會(huì)期望探索其他的“未知”新世界，比如從近地軌道走向月球、火星。航天飛行中更多的未知，需要以實(shí)際體驗(yàn)和物理知識(shí)結(jié)合，才能真正懂得。

科幻作家劉慈欣曾表達(dá)過(guò)一個(gè)觀點(diǎn)：元宇宙不能替代星際航行。這句話(huà)折射的不僅是情懷，更是人類(lèi)認(rèn)識(shí)與改造客觀世界的客觀規(guī)律。

3、空間站的在軌驗(yàn)證結(jié)束了嗎？

答案仍然是否定的?？臻g站進(jìn)入建造階段之前，核心艙完美履行了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的職責(zé)；空間站完成在軌建造的今天，更多驗(yàn)證仍在繼續(xù)。擁有長(zhǎng)期近地軌道和微重力環(huán)境的空間站能夠提供天文、物理、材料等空間科學(xué)研究，也是航天新技術(shù)在軌驗(yàn)證的理想場(chǎng)所。

與無(wú)人的試驗(yàn)衛(wèi)星相比，載人空間站優(yōu)勢(shì)突出：專(zhuān)業(yè)人員可以在太空現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)，直接、實(shí)時(shí)、全面了解試驗(yàn)情況并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，試驗(yàn)全程可控，出現(xiàn)問(wèn)題可處置，更換試驗(yàn)樣品和切換工況更是不在話(huà)下；航天員可以現(xiàn)場(chǎng)搭建試驗(yàn)設(shè)施——例如輔助大型機(jī)構(gòu)展開(kāi)，極大地提高設(shè)備工作的可靠性，還可以設(shè)置并充分利用各種測(cè)量設(shè)備獲取數(shù)據(jù)；利用天地通信手段，天上的數(shù)據(jù)、圖像可以傳到地面，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的航天員可以與地面專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)交流；航天員可以現(xiàn)場(chǎng)選取、包裝試驗(yàn)樣品，送樣品隨飛船返回地面供詳細(xì)分析。