近日，航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔做客新華網思客，介紹了中國空間站在軌驗證的必要性和重要性，講述了中國載人航天工程通過在軌驗證逐步攻克關鍵技術的發(fā)展之路。
技術驗證、系統(tǒng)驗證、飛行驗證……“驗證”這個詞常常出現(xiàn)在航天語境中。今天，“T”字成型的中國空間站已邁上應用與發(fā)展的新臺階，而它此前的在軌建造同樣經歷了長時間的驗證——核心艙發(fā)射入軌后，在兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船配合下以一年時間完成“關鍵技術驗證階段”，之后才進入“建造階段”。2022年4月17日，在兩個實驗艙升空之前，載人航天工程辦公室宣布：關鍵技術驗證階段的任務目標圓滿完成，為空間站建造階段任務實施奠定了堅實基礎。這些“關鍵”技術，可以理解為建造多艙段空間站、并且保證航天員在有限的地面支持下能夠長期生活和有效工作所需的基礎技術。這些技術皆非一日之功，而是由中國航天數(shù)十年的艱辛探索積累而來，空間站自身研制也歷時十余年。那么，既然很多技術在經年的地面研制以及載人飛船和空間實驗室實踐中已經得到驗證，為什么還得用空間站核心艙在飛行中再次驗證？包括仿真在內的地面等效試驗無法實現(xiàn)“等效”嗎？在軌驗證是必需的，還是可以跨越的？驗證的成敗對工程有什么影響？ 作為空間站工程師，在軌驗證是我們極為關注的環(huán)節(jié)。行之愈篤，知之愈明；格物致知，跬步千里。驗證是系統(tǒng)工程一個生命周期尋求滿意解的“最后一公里”，驗證也是獲取新知識、開辟又一個生命周期的基礎。驗證是辯證唯物主義認識論中的實踐環(huán)節(jié)，它承載了系統(tǒng)建構中的科學理性，成就了今天的空間站，正在徐徐展開國家太空實驗室的未來畫卷。驗證，是通過客觀證據證實規(guī)定要求已經實現(xiàn)的方法和過程。地面試驗和仿真很難做到百分百的“真”，數(shù)字孿生未必能實現(xiàn)1：1的“孿生”?？臻g站工程即便已經有了豐厚的載人航天器技術積累、充分的地面驗證和成熟的系統(tǒng)預測與風險評估模型，以下三類情況仍須進行在軌驗證，以確認航天器物理特性、載人環(huán)境和載人活動設計的準確性、真實性與有效性，才能提供載人空間站滿足人在太空需求的“客觀證據”。地面試驗最難以實現(xiàn)的物理條件之一為持續(xù)的微重力。短暫的微重力條件可以依靠落塔、失重飛機等創(chuàng)造，但這類試驗只能獲得數(shù)秒至數(shù)分鐘量級的微重力，通常用于原理驗證或人員體驗。真正具有時間效應的現(xiàn)象是無法模擬的，更難以開展大尺寸設備的驗證。（1）地面無法模擬和復現(xiàn)天上真實的物理效應。最典型的是與液體物性相關的驗證，在再生式環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)中普遍存在。以水的管理和利用為例：采用冷凝方式收集空氣中的水分是有效控制空氣濕度并間接控制溫度的手段；電解制氧需要用水作為原料進行傳輸和處理，以制備氧氣；為提高運行效率減少補給，需對冷凝水/尿液進行收集和再生，從而實現(xiàn)循環(huán)利用。地面條件下，液體的成形和流動同時受重力與表面張力影響。由于水的比重較大，重力的影響是非常顯著的，在宏觀上遠大于表面張力；同樣由于重力影響，水中的氣泡也會自然向上漂浮、聚集。而在空間站上，這兩種效應都會發(fā)生顯著變化。中外航天員都喜歡展示的喝水場景和中國“太空教師”王亞平在“天宮課堂”上演示的若干液體表面張力實驗——尤其是水中注入氣泡和泡騰實驗，充分體現(xiàn)了水氣混合體在微重力環(huán)境中的形態(tài)。微重力環(huán)境中，液體流動時失去了重力的“導向”作用。少量液體不會自然流走或匯集，必須靠強制風吹以及在流道結構設計上充分利用表面張力效應等措施起到導流的效果；大量的液體不會形成自然對流，在混有氣體時氣液兩相流體也不再自動分層，氣泡會分布在液體的各個部分。因此，電解制氧、冷凝水和尿液的在軌收集與處理過程中必須進行水氣分離，即流動的全程需要持續(xù)處理氣液混合體。天地環(huán)境的差異，導致根據微重力條件分析并設計的裝置在地面試驗中反映不出在軌運行狀態(tài)，地面表現(xiàn)出的工作性能也不能體現(xiàn)天上的性能。這就要求液體收集管理及水氣分離技術和裝置必須在天上進行真實工況的驗證。（2）地面可有限模擬，但由于尺度效應已不適應天上情況。
結構或機構動力學相關工況，是這一類情況的代表。在地面試驗時，我們通常采用懸吊、氣浮平臺等方法補償結構或機構部件的自重。這類方法對于尺寸重量不大或者運動自由度有限的機構是有效的，對小角度動作也可以線性近似，但對于大質量、大尺寸柔性設備或多自由度復雜三維運動機構就難以奏效了。比如太陽翼。大尺寸柔性翼頻率低，其基頻是空間站姿態(tài)控制系統(tǒng)非常重要的設計條件。核心艙太陽翼單翼十多米長，面積近70平米；實驗艙太陽翼單翼近30米長，面積近140平米。限于其結構形式和眾多的伸展機構關節(jié)，地面難以通過懸掛或氣浮方式消除其各部件的重力并排除工裝干擾。大幅面太陽翼在地面試驗時還會受到空氣阻力影響，進一步加大天地差異造成的頻率偏差。地面試驗可以獲得太陽翼的動力學特征和有一定準確度的估值，但無法精確測量在軌力學特性。再如機械臂?？臻g站配置大（10米）?。?米）兩個七自由度機械臂，并可組合使用。臂的運動在三維空間中規(guī)劃，大角度運動時呈現(xiàn)顯著的幾何非線性特征，如果要通過懸吊補償自重，須有龐大的隨動機構承載總重約1噸的臂桿、關節(jié)及其上的工裝。即便不惜代價以隨動機構實現(xiàn)了整臂三維運動，也無法模擬微重力條件下各運動機構的間隙和空程，因而無法獲得臂準確的動力學和運動特性?？尚械牡孛嬖囼灧椒ㄊ且詺飧∑脚_支持大重量的臂和負載進行二維運動，三維運動情況則需要以數(shù)值仿真或半物理仿真進行。機械臂的三維動力學特性需在軌進行真實動作驗證。龐大的多艙段組合體的控制更不可能在地面實測動力學特性，也無法一一呈現(xiàn)空間站建造過程中各艙段及來訪飛行器對接的過程及帶來的數(shù)十種結構構型。同時，在軌運行時，大型柔性太陽翼的低頻特性直接影響組合體的姿態(tài)控制精度與穩(wěn)定度；轉位過程中，組合體的力學特性隨轉位機構或機械臂連接而動態(tài)變化?？刂扑惴皡?shù)必須與這些情況匹配，才能獲得期望的控制效果。因此，組合體控制方案及實現(xiàn)情況需要在軌實測驗證。載人航天器核心的設計指向，就是要保證人在太空安全地生活和工作。人的工作狀態(tài)和能力有顯著的天地差異：受微重力影響，人無法像在地面一樣借助重力固定身體并抵抗操作力，需要設計專門的裝置進行肢體限位，航天員使用的工具也要有專門設計；航天員艙外活動期間，除了微重力，笨重的服裝也會影響其動作施展；微重力下所有無束縛的物體都會自由漂移，大件物品在人工搬運和操作時會有難以控制、固定的問題，小件物品如螺母、墊片等則會漂走丟失甚至在不該出現(xiàn)的地方形成多余物。蘇美空間站還都出現(xiàn)過航天員出艙活動時失手將工具落在太空中的情況。空間環(huán)境因素帶來的這些操作問題都難以真實模擬。在地面，人體動作通常以懸吊方法模擬，但無論施力/受力還是人自身體驗都與天上不盡相同。出艙活動的驗證和訓練可以由航天員穿輕質艙外服懸吊開展，更多的則是在中性浮力水槽中穿著配重與浮力平衡的艙外服模擬天上的操作。水池與天上較為明顯的差別在于水有阻力，人和物品的運動都因此存在天地差異。結合生活常識看航天員出艙活動的影像，線纜、安全繩的運動遠比在水中更“靈活”并因此不好控制。物品漂移問題則要通過專門設計并結合操作規(guī)范進行控制，如連接在設備上不會分離的“松不脫”螺釘、工具安全繩及其使用要求等。人機工效相關設計的合理性有效性、著艙外服出艙活動的可行性及效率、在軌操作規(guī)范及程序的正確性、航天員的操作能力及體驗等等，都需要在軌進行實際驗證并積累經驗。第三類：有人存在的物質和生態(tài)環(huán)境空間站在密封艙內構建并維持了一個近乎封閉的載人環(huán)境，再生式生命保障系統(tǒng)和有限的地面補給共同保障站上人員持續(xù)不間斷駐留。由于環(huán)境的封閉性，其內部的物質循環(huán)和生態(tài)將會達到動態(tài)平衡。（也只有達到物質和生態(tài)平衡，封閉的載人環(huán)境才能長期維持。）在這個平衡過程中，人的代謝是重要變量，也是生保系統(tǒng)要隨之調節(jié)適應并保障的要素之一。人體代謝存在顯著的天地差異，微重力空間環(huán)境各種工況下的代謝指標本身就是航天醫(yī)學研究的重點內容之一。這要求生保系統(tǒng)的性能參數(shù)與之匹配，并且有足夠的調節(jié)范圍能夠適應人體代謝變化。這個封閉環(huán)境內的人-機系統(tǒng)既受到在軌環(huán)境的影響，又需要經歷足夠長的時間（一至兩個月）才能達到動態(tài)平衡并全面覆蓋主要工況——比如人的不同運動強度。有人存在的物質和生態(tài)環(huán)境只能在軌實測并持續(xù)足夠長時間，才能獲得真實有效的數(shù)據。
工具、機器、設備等物質要素和知識、經驗、技能等智力要素，是推動人類技術進步的主要力量。融合了這兩類要素的航天器在軌驗證不僅是對系統(tǒng)設計的“蓋章”，也將進一步推動科學、技術和工程的前行。上一章所闡述的三類必要驗證，在國際同行的太空探索中都有典型案例。（1）機械臂在發(fā)現(xiàn)問題中升級換代。空間機械臂最具代表性的是加拿大SPAR公司的產品。1981年，六自由度加拿大臂（Shuttle Remote Manipulator，SRMS）首次發(fā)射入軌。該臂長15.24米，由3組關節(jié)和2節(jié)臂桿組成，質量410公斤，隨航天飛機多次執(zhí)行任務，輔助完成過衛(wèi)星釋放和在軌故障衛(wèi)星的維修及回收。但有文獻顯示，實際應用中的每個動作結束后，航天飛機上的操作員要等20~40秒等待臂穩(wěn)定下來，才可以進行下一個動作。由于振動對臂的操作精度和效率產生非常不利的影響，加拿大臂工作時間的三分之一被用于等待振動衰減?？紤]到航天飛機平均每分鐘高達2萬美元的運行費用，振動增加的成本也是極高的。2002年，具有7個自由度的加拿大II臂（Space Station Remote Manipulator，SSRMS）被安裝上國際空間站。該臂長17.6米，包含3組關節(jié)和2節(jié)臂桿，質量1800公斤，承載116噸，性能較航天飛機上的加拿大臂有了大幅提升。加拿大II臂解決了固定基座運動控制穩(wěn)定性問題，進一步提升了能力，不僅可以通過兩個末端執(zhí)行器依次抓住安裝在空間站上的適配器爬行，還可以抓住移動基座（MBS）、通過移動基座沿空間站桁架導軌移動，擴大了工作范圍。但使用者又發(fā)現(xiàn)，移動基座沿導軌移動時會激起導軌振動，基座和臂桿間的耦合效應進而導致機械臂末端軌跡發(fā)生偏差。NASA和SPAR根據基座表現(xiàn)出的彈性振動特性制定了專門的控制方案，情況得以好轉。經歷了兩套機械臂在軌飛行后，SPAR公司宣稱，現(xiàn)在已經具備只通過仿真而無需復雜物理試驗即可完成新機械臂設計的能力。蘇美的首次出艙都遇到了地面未驗證和估計到的險情。所有關于1965年3月世界第一次出艙活動的文獻都會提到蘇聯(lián)宇航員列昂諾夫（Alexei Leonov）因艙外服膨脹差點無法回到飛船，其實1965年6月的世界第二次（美國第一次）出艙活動也遇到同等危險的情況——宇航員懷特（Edward White）花了5分鐘才關上艙門，他的代謝消耗已經超出通風系統(tǒng)的冷卻能力，頭盔面罩內起霧，汗水流進了眼睛。由于這個意外，任務取消了后續(xù)再次打開艙門的計劃。到禮炮號時代，蘇聯(lián)已經積累了近20年的地面訓練和出艙活動實踐經驗，開始進行較為復雜的艙外操作，但充分的地面試驗和準備仍替代不了天上的實際經驗。1983年11月，禮炮7號宇航員利亞霍夫（Vladimir Lyakhov）和亞歷山德羅夫（Alexander Alexandrov） 在3天內進行了兩次時長分別為2小時50分鐘和2小時55分鐘的出艙，完成了一套太陽電池陣列的擴展升級。下一組宇航員汲取他們在軌操作的經驗教訓，在地面的中性浮力水槽開展訓練。1984年5月，奇茲米（Leonid Kizim）和索洛維耶夫（Vladimir Soloviyov）僅以一次3小時零3分鐘的出艙活動，即完成了操作內容相似的第二套太陽電池陣列升級工作，效率提高近一倍。美國的出艙活動也是不斷完善的過程。雙子座飛船時代，出艙的目的和內容從驗證出艙活動可行性逐步發(fā)展到試驗艙外機動裝置、艙外拍攝、兩航天器之間爬行、取回艙外設備等簡單操作。直到1966年9月，美國的第5次出艙才開展了系繩輔助的人造重力試驗、腳限位器試驗和電動工具使用等“復雜”活動。這次任務之后，宇航員戈登（Richard Gordon）說：“我在地面訓練中做過多次、最多用30秒鐘完成的一個很小且非常簡單的作業(yè)，在太空中竟然花了大約30分鐘……我也知道在太空中作業(yè)比地面更難，但在此以前我并不知道難到什么程度?！币彩菑倪@個時期開始，天上返回的宇航員開始在水槽中對實際活動進行模擬并不斷完善模擬方法，最終使中性浮力水槽成為地面訓練最重要的設施之一。到了國際空間站時期，特別是有了機械臂的協(xié)助，美俄的艙外作業(yè)能力已經運用自如。美國已經可以對未作專門維修性設計的阿爾法磁譜儀（Alpha Magnetic Spectrometer，AMS）流體回路熱控系統(tǒng)的管路設備進行排故和修復，俄羅斯則在聯(lián)盟飛船出現(xiàn)泄漏孔洞后馬上組織出艙查看和拍攝。這些進步都是天上實踐經驗的積累推動天地設施、地面驗證和訓練方法同步完善的結果。（3）再生生保技術在系統(tǒng)迭代中成熟完善。蘇聯(lián)/俄羅斯的近地載人技術發(fā)展保持了連續(xù)性。空間站經歷了“單艙單對接口”（禮炮1~5號）到“單艙雙對接口”（禮炮6~7號）直至“多艙積木式組合”（和平號）的演進。在這個過程中，生命保障系統(tǒng)由禮炮系列的非再生式發(fā)展到和平號使用的再生式，而再生生保各模塊的逐步成熟也是隨著和平號的艙段分階段上天實現(xiàn)的。在和平號運行前期，不完整的再生式生保系統(tǒng)還需要非再生設備作為補充。和平號的成功技術成為后來國際空間站生保系統(tǒng)的重要基礎。2002年，國際空間站俄羅斯艙電解制氧發(fā)生器出現(xiàn)故障，據公開報道是由于氣泡阻斷了輸送過程。這很有可能就是在水氣分離環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題。2010年，美國艙的水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生堵塞，分析認為是航天員尿液中高濃度的鈣導致，而尿液含鈣高又是因為太空微重力環(huán)境下航天員骨骼中的鈣流失超出了預期。由此可見，即使到了國際空間站持續(xù)載人飛行的二十一世紀，水氣分離技術和裝置以及人體代謝相關的工程設計仍需要在真實環(huán)境中進一步檢驗和探索。中國空間站利用天和核心艙單艙飛行進行關鍵技術驗證。根據工程辦公室的新聞發(fā)布會和公開報道，各關鍵技術的驗證情況如下——航天員長期在軌駐留生活和工作保障：天和核心艙相當于一個單艙空間站，其功能和生活、工作設施已經具備長期載人的保障能力。兩個神舟乘組先三個月、再六個月分步驗證了半年輪換周期的駐留情況。考慮到航天器初始狀態(tài)設置工作量大等因素，首個乘組駐留時間稍短。再生式環(huán)境控制和生命保障：天和艙配置了一整套再生生保系統(tǒng)，結合航天員的駐留對水、氣資源的再生處理、載人環(huán)境控制與調節(jié)、生保設備維護、物化反應耗材更換等進行了驗證，覆蓋了長期飛行的工作情況，并對乘組各種工作與生活狀態(tài)下的代謝情況及載人環(huán)境物質平衡進行了實際測試。大型柔性太陽電池翼和驅動機構：核心艙太陽翼完成了在軌展開、太陽跟蹤和動力學特性辨識。實驗艙太陽翼與之采用同類機構，可以借鑒驗證數(shù)據。機械臂輔助艙段轉位：大機械臂結合空載運行進行了動力學特性辨識，結合出艙活動輔助航天員運動進行了小載荷運動性能測試，結合天舟二號貨運飛船進行了轉位動作的在軌試驗，驗證了臂的重載運行及組合體轉位的動力學過程。航天員遙操作交會對接：天舟二號貨運飛船撤離前，神舟十三號乘組在空間站上對其進行了遙操作交會試驗。出艙活動：神舟十二、十三兩個乘組各進行了兩次出艙活動，工作項目由簡到繁，對艙外爬行、艙外工具使用及設備安裝、機械臂輔助運動、艙內外協(xié)同操作、天地協(xié)同程序等均進行了驗證。人與氣閘艙配合也完成了出艙/回艙全流程驗證，考核了大氣成分控制及艙外服的功能性能及人-服裝-艙接口。大型組合體控制：通過神舟飛船與天舟飛船的來訪與分離，對變構型組合體的控制方案、控制參數(shù)選擇、控制模式切換等均進行了驗證，也驗證了機械臂、太陽翼與艙體控制間的相互影響。通過核心艙近一年的飛行驗證，空間站建造和穩(wěn)定運行的關鍵技術已經確認掌握，空間站的系統(tǒng)方案和包括兩實驗艙在內的設計狀態(tài)可以保證航天員在軌長期安全、健康生活，有效開展艙內外工作；載人環(huán)境的控制及物資補給符合預期，可以長期穩(wěn)定運行；大型柔性太陽翼的可靠性及性能得到驗證；機械臂可以投入輔助出艙、艙段轉位等任務執(zhí)行；組合體各構型及轉位過程均可穩(wěn)定控制；建造過程中若出現(xiàn)實驗艙交會對接和轉位故障，工程具備一定的應對能力（如手控遙操作交會和航天員出艙排故等手段）。在關鍵技術全面有效驗證的基礎上，空間站開始建造是穩(wěn)妥可行的，工程據此轉入建造階段。值得一提的是，所有的在軌驗證完成后，工程師們都根據天上的情況修正了地面研制相關的模型。特別是針對微重力環(huán)境下的大型機構動力學特性，核心艙專門配置了測量和辨識系統(tǒng)，并設計了太陽翼和機械臂的特定動作，對它們的動力學特性進行了辨識，結合機械臂轉位貨運飛船的試驗對組合體動力學特性做了辨識。這是反問題求解的典型應用。通常的正向設計是已知結構的力學特性求導其響應，并據此設計其功能性能。這里則用了反演思路，將地面無法測準的響應狀態(tài)在天上真實環(huán)境和真實工作條件下進行測量，反解其頻率、模態(tài)、阻尼等動力學參數(shù)，再根據辨識獲得的參數(shù)對控制算法及參數(shù)進行評估，視情修改。實踐表明這一驗證方法是成功的，不僅修正完善了空間站自身的控制參數(shù)，而且對機械臂、太陽翼及艙段組合體的仿真模型也進行了修正。通過特性辨識和參數(shù)修正，后續(xù)兩個實驗艙進行轉位時，動力學仿真預測與實際在軌動作的偏差已經小于3%。中國空間站是具備擴展性的?；谠谲壉孀R獲得的高價值參考數(shù)據，未來新的艙段、新的產品可以使用更加準確的模型去模擬天上的工作情況。這是在軌驗證對提高地面研制能力的貢獻，是設計與驗證構成的良性循環(huán)，其本質則是通過在軌飛行讓我們對天地差異有了量化的、更準確的認知。載人航天這樣技術難度大、技術跨越大且持續(xù)數(shù)十年的航天工程中，相關的技術和產品驗證本身就是工程規(guī)劃的一部分。各項技術目標被分解并逐步實現(xiàn)，這既是規(guī)劃的結果，也是工程能夠分階段實施的必要條件。其中，在軌驗證為不可或缺的環(huán)節(jié)。
蘇聯(lián)的空間站經歷了從單艙到多艙、從單對接口到多對接口的發(fā)展歷程，推進劑補給、再生生保等功能都是在歷代空間站上逐步增加、或是在和平號上分艙段上天逐步實現(xiàn)的。美國在其單艙空間站天空實驗室之后轉向航天飛機，近地空間站技術中斷了。國際空間站選擇與俄羅斯合作，以俄羅斯核心艙作為整個空間站的核心艙實現(xiàn)了后續(xù)建造任務。應該說，假以時日，美國是有能力建設核心艙并直接突破長期載人技術的，但通過合作方式更快地建成了空間站，之后又在空間站上開展了長期載人等技術驗證。
各國空間站技術皆循序漸進，我國也不例外。
1、“三步走”逐步驗證關鍵技術
以大的視野看，中國載人航天“三步走”就是核心關鍵技術逐一驗證并逐步遞進的過程：首先，以載人飛船任務突破天地往返技術，保證人可以安全地被送入軌道、在軌生存工作并返回地面。這是載人航天的安全保證和基礎技術。第二步，先開展出艙活動，保證人能夠在艙外工作；再經空間實驗室任務掌握交會對接技術，使艙段組裝、人員輪換、物資補給等具備了可行性。這是建造和運行空間站的必要條件。可以說，每一步任務所需的關鍵技術都在前一階段通過實際飛行完成了驗證，并對掌握情況進行了確認。每一步的技術驗證目標，需要恰當?shù)膶嵤┓桨概c之匹配。驗證目標直接影響驗證方案，最終與工程成本、時間等約束條件一起決定工程任務方案的制定。
以突破并掌握交會對接技術的“第二步”為例。交會對接技術應如何驗證？采用何種方案？各國交會對接的驗證方案不盡相同：美國以雙子座飛船與運載火箭改造而來的“阿金納”目標飛行器進行交會對接；蘇聯(lián)兩艘飛船分別充當追蹤和目標飛行器；日本則用ETS-VII衛(wèi)星釋放一個小目標飛行器之后再去追蹤和對接。
在神舟飛船成功飛行的基礎上，我國曾提出兩種驗證途徑：一是基于成功應用的飛船留軌艙技術，研制長壽命的2噸級目標飛行器；二是新研8噸級目標飛行器。從驗證交會飛行和對接這兩項技術的目標來看，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、兩彈一星元勛之一的王希季先生提出了問題——“突破交會對接技術”的標志是什么？
王希季先生的觀點是，突破的標志取決于驗證目標：載人航天所需要突破的交會對接技術是為后續(xù)建造和運行載人空間站服務的，那么交會對接的驗證目標就必須包含以下四個方面技術的驗證和掌握：
（1）交會：空間站艙段和飛船能先后發(fā)射并在太空中會合；
（2）對接：艙段之間、空間站與來訪飛行器之間要能夠實現(xiàn)剛性連接和任務后的分離；
（3）組合體控制權交接：空間站各個艙段獨立發(fā)射，在對接后要形成統(tǒng)一控制的多艙段組合體，各來訪飛行器要融入該組合體接受統(tǒng)一管理，并在任務結束后分離，恢復獨立飛行器狀態(tài)。組合體是動態(tài)變化的，空間站和各飛行器間在運動控制、信息管理、供電及載人環(huán)境等方面都要在對接后實現(xiàn)1+1=1，分離時做到1-1=1；
（4）人員和物品轉移：空間站與飛船之間必須進行人員和物品轉移。這一要求看似理所當然，實際上直接決定了對接機構的方案必須滿足對接后形成載人通道的要求，顯然日本ETS-VII衛(wèi)星的對接機構是無法勝任載人任務的。
以上述四個方面作為驗證標準，美、蘇、日的首次交會對接飛行都沒有完全驗證載人任務所需技術。美蘇通過后續(xù)多次飛行遞進式完成了全部功能的驗證，日本直到HTV貨運飛船與國際空間站對接才部分掌握了載人交會對接技術——其組合體控制能力完全掌握在空間站一端，對接機構也配置的是美國艙段的通用端口CBM。
同樣，以這些標準來審視我們的交會對接驗證方案，顯然只有8噸級目標飛行器具備同時滿足四項驗證目標的能力。這就是天宮一號的由來，空間實驗室任務階段的工程方案也據此形成。
回到空間站。關鍵技術識別完成后，選取何種驗證方案？作為突破與掌握技術的標志，我們不僅要完成原理性驗證，還要有工程產品實現(xiàn)能力的驗證。比如，必須有空間站核心艙的體量，才可能對大型柔性太陽帆板、整套再生生保系統(tǒng)、大型機械臂以及人員長期駐留進行1:1考核，達到驗證目的。因此，在綜合考慮了地面驗證基礎并統(tǒng)籌飛行任務規(guī)劃之后，整個空間站建造任務被分為關鍵技術驗證與建造兩個階段，以核心艙本身作為試驗載體，在其單艙飛行期間進行關鍵技術驗證。這一方案還同時兼顧了對核心艙自身性能及健康狀態(tài)的考核與評估，通過考核確認可以在其基礎上對接后續(xù)艙段、建造空間站并開始10年以上的運行。
從航天器功能上看，核心艙是中國空間站的大腦與母港。從工程過程來看，核心艙是空間站技術驗證的前鋒、建造組裝的基石。以天和探索“天時地利人和”，核心艙不負使命。
航天器飛行之前有嚴格的試驗驗證要求和規(guī)范。包括單機、子系統(tǒng)和飛行器整體在內的新研產品需要進行鑒定性試驗，以驗證其設計、制造的正確性及在預期工作環(huán)境下的功能性能是否達標并有預期裕度。對于上天產品，還要進行檢驗性試驗和驗收測試，才能確保該產品是合格的，能夠經歷火箭發(fā)射的考驗并能在軌道環(huán)境中正常工作。
即便如此，必要的在軌驗證仍然至關重要。在航天發(fā)展早期階段，由于研制者對火箭飛行和太空運行的各種條件了解有限，這類試驗性的飛行非常普遍，即以真實環(huán)境下的實際飛行本身作為試驗方法，對新設計的飛行器或其中若干技術進行驗證。隨著人們對太空和航天器的了解越來越多、越來越深入，更多試驗項目可以通過地面物理模擬或數(shù)值仿真獲得有效驗證，在軌實飛驗證的需求相對已經減少了很多，地面試驗/仿真設施與方法則大幅進步和完善。
在這樣的背景下，幾個問題值得探討。
1、航天任務是否允許嘗試和失敗？
回答是肯定的。如上所述，飛行本身就是有效和必要的驗證手段，有的飛行任務完全以驗證為目的，比如神舟飛船的幾次無人試驗飛行和SpaceX的星艦飛船原型機試飛。
但是，這個“允許”是有條件和前提的：
（1）充分有效的地面驗證，是飛行試驗的前提和基礎。
我們非常強調地面試驗，允許甚至鼓勵通過嘗試、試驗去暴露問題、發(fā)現(xiàn)問題，必要時甚至會專門安排試驗復現(xiàn)問題以求吃透本質。我們不提倡的是：試驗設計和實施不到位，未能全面和有效驗證；發(fā)現(xiàn)了問題，但因未吃透機理而解決不徹底，或者因其他各種原因不徹底解決；因為有了嘗試的機會就什么都靠試，實際是由于不明就里而讓任務變成了盲目試驗。這些做法都會把本該地面解決的問題帶到天上，徒增風險與成本。無論地面和天上，試驗必須要有明確目的、針對性，要有驗證有效的判據與明確結論，發(fā)現(xiàn)的問題要閉環(huán)。
早在1960年代，航天前輩們就對型號研制的復雜性綜合性和總體設計的重要性有了深刻認識，錢學森先生總結提出了“一切通過總體、一切通過地面試驗”的航天可靠性理念。這里的“總體”，是指以組織而不是個人來保證工程研制的全面性、有效性和系統(tǒng)協(xié)調性；“地面試驗”，意味著凡是能經地面試驗或模擬試驗證實的，就不要帶到飛行試驗中去考驗。換句話說，不允許問題出在天上。
關于是否允許嘗試和失敗，“兩個一切”是最好的回答。
我曾經在介紹地面試驗情況時被問到“試驗出現(xiàn)問題是什么心情”。我當時回答：我們不希望出現(xiàn)問題，但問題一旦發(fā)生了，我們又覺得是好事，因為畢竟它出在地上而不是天上。我相信這是航天器研制者們普遍的真實想法。
（2）有效數(shù)據的獲取，是判定飛行試驗成敗的重要標準。
飛行試驗的成功與否，取決于此次飛行的驗證目的是否達到。如果有效數(shù)據全部拿到、實現(xiàn)驗證目標，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。
在實際飛行試驗中，遙測幾乎是拿到相關數(shù)據的唯一手段，而遙測只能通過傳感器、視頻等獲取有限信息。而當飛行試驗發(fā)生大的故障或損失，即便是遙測數(shù)據也很難完整有效地獲取。這一點與地面試驗完全不同。地面不僅可以設置比飛行遙測多得多的觀察測量手段，還可以通過產品拆解檢查等直觀方法拿到遙測無法反映的、全面得多的狀態(tài)信息，出問題的產品同樣能獲得有價值的信息。從這個角度看，以飛行作為驗證手段的難度和風險大于地面，不到不得已并非應優(yōu)先選擇的方案。
同樣從技術驗證出發(fā)，飛行產品的回收和重復使用除了經濟上的意義，對于獲取驗證結果來說具有極大優(yōu)勢。通過回收，到手的不僅是完整數(shù)據，還有產品本身。比如神舟飛船的返回艙，可以得到各個部位防熱材料的實際燒蝕形貌、工作后的發(fā)動機狀態(tài)等等，遠遠超越遙測所能獲取的信息。在某種程度上，重復使用為SpaceX航天器的快速迭代提供了非常有價值的基礎數(shù)據，推動其發(fā)展進入良性循環(huán)。
2、在軌試驗終究會被替代嗎？
回答是否定的。在充分地面驗證的基礎上，必要的在軌試驗一定要有，試驗性的航天器以及航天工程步步推進的驗證任務也會一直存在。
一方面，在軌試驗越來越多地起到在真實環(huán)境下辨識和修正仿真模型的作用。前面提到的機械臂案例，對認識空間環(huán)境及影響和提升地面設計、仿真及驗證能力起到了很大作用。
另一方面，隨著任務要求和難度的提高，在軌試驗的新需求會不斷涌現(xiàn)。究其根本，仿真建立在足夠的“已知”基礎上，通過物理試驗的積累掌握了足夠準確的模型，就可以用仿真模擬我們已知的領域，該領域內各種不同工況可以不再重復物理試驗。然而，隨著已知的增加和仿真能力的提高，我們總是會期望探索其他的“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，需要以實際體驗和物理知識結合，才能真正懂得。
科幻作家劉慈欣曾表達過一個觀點：元宇宙不能替代星際航行。這句話折射的不僅是情懷，更是人類認識與改造客觀世界的客觀規(guī)律。
3、空間站的在軌驗證結束了嗎？
答案仍然是否定的?？臻g站進入建造階段之前，核心艙完美履行了關鍵技術驗證的職責；空間站完成在軌建造的今天，更多驗證仍在繼續(xù)。擁有長期近地軌道和微重力環(huán)境的空間站能夠提供天文、物理、材料等空間科學研究，也是航天新技術在軌驗證的理想場所。
與無人的試驗衛(wèi)星相比，載人空間站優(yōu)勢突出：專業(yè)人員可以在太空現(xiàn)場開展試驗，直接、實時、全面了解試驗情況并進行現(xiàn)場調整，試驗全程可控，出現(xiàn)問題可處置，更換試驗樣品和切換工況更是不在話下；航天員可以現(xiàn)場搭建試驗設施——例如輔助大型機構展開，極大地提高設備工作的可靠性，還可以設置并充分利用各種測量設備獲取數(shù)據；利用天地通信手段，天上的數(shù)據、圖像可以傳到地面，試驗現(xiàn)場的航天員可以與地面專家團隊交流；航天員可以現(xiàn)場選取、包裝試驗樣品，送樣品隨飛船返回地面供詳細分析。
人的參與提升了空間站作為技術驗證平臺的能力，而“人”相關的技術也是空間站驗證工作的重要內容：開展人體醫(yī)學研究；進行新一代生保系統(tǒng)的研究，特別是可利用擴展艙段進行受控生態(tài)技術的驗證；以充氣式密封艙為基礎，開展空間環(huán)境對生物影響及防護措施的驗證；結合艙內外活動，開展微重力環(huán)境下的應用工具驗證及效果評價；研制智能機器人，輔助航天員開展艙內外工作，研究人工智能作為航天員伙伴在軌長期飛行的生活和工作模式……蒼穹之上的T字是中國空間站基本構型在軌建設的結果，也是未來延展的起點；是中國載人航天工程完成“三步走”的成就，也是國家太空實驗室開發(fā)利用空間資源的新篇。以飛行驗證觀察載人航天工程，閃爍于時空之間的是人類在實踐中追求和發(fā)展真理的文明之光，它讓我們勇敢而堅韌，睿智而理性。
