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、飞行验证，这些词汇在航天领域中频繁出现。在中国空间站迈向新的应用和发展阶段时，这些验证过程显得尤为重要。从核心舱发射入轨，到两艘载人飞船和两艘货运飞船的配合，完成了一年时间的“关键技术验证阶段”，才进入建造阶段，这一步步走来，中国航天付出了数十年的艰辛努力。
2022年4月17日，载人航天工程办公室宣布关键技术验证阶段任务目标圆满完成，为接下来的空间站建造阶段奠定了坚实的基础。这些被验证的“关键技术”，关乎建造多舱段空间站，保证航天员在有限的地面支持下能够长期生活和有效工作。这些技术并非一蹴而就，而是中国航天工作者多年来的心血结晶，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验证，但在轨验证依然是不可或缺的环节。为什么还需要在飞行中对空间站核心舱进行验证？地面试验和仿真能否实现“等效”呢？验证是系统工程中一个生命周期的重要环节，也是获取新知识和开启下一个生命周期的基础。验证是实践环节，承载着系统构建中的科学理性，成就了中国空间站的今天，并铺展开国家太空实验室的未来画卷。
验证环节具有不可替代性。即便已经有了丰富的技术积累、成熟的系统预测与风险评估模型，仍需要进行在轨验证，以确认航天器物理特性、载人环境和活动的准确性、真实性与有效性。这是因为有些物理条件在地面是难以模拟的，例如微重力环境。短暂的微重力条件可以通过落塔、失重飞机等创造，但真正的长时间微重力现象却无法模拟，更难以进行大尺寸设备的验证。
地面环境下，液体的成形和流动受到重力和表面张力的影响，而在空间站上这两种效应会发生显著变化。中国航天员在空间站中进行的喝水实验和液体表面张力实验，充分展示了微重力环境中水气混合体的形态。在微重力环境中，液体流动失去重力的导向作用，气液混合体也不再自动分层，这给电解制氧、冷凝水的收集与处理带来了挑战。天地环境的差异使得许多装置在地面试验中无法真实反映其在轨运行状态，因此必须进行在轨验证。
除了微重力环境外，还有一些物理条件在地面可以有限模拟，但由于尺度效应已不适应天上情况。例如结构或机构动力学相关工况，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的验证，地面试验难以完全模拟太空中的真实情况。
核心舱与实验舱的太阳翼设计极为壮观，单翼长度越过十米大关，面积达近七十平米或更大。它们的翼展之大，结构之复杂，带来了诸多伸展机构关节的挑战。在地面试验中，由于其结构特点与庞大的伸展机构关节，难以通过悬挂或气浮方式完全消除其各部件的重力干扰。大幅面太阳翼在地面试验时还会受到空气阻力的影响，这无疑加大了天地差异造成的频率偏差。尽管如此，地面试验仍能够捕捉到太阳翼的动力学特征，并为其提供一定准确度的估值。要精确测量其在轨力学特性，仍需在太空环境中进行验证。
机械臂的设计也是一大亮点。空间站配置了大、小两个机械臂，长度分别达10米和5米，均具备七自由度。这些机械臂的运动在三维空间中进行规划，呈现出显著的几何非线性特征。若采用悬吊补偿自重的方式，需要有庞大的随动机构来承载总重约一吨的臂杆、关节及其工装。即便借助随动机构实现了整臂的三维运动，也无法完全模拟微重力条件下的各运动机构间隙和空程，因此无法精确获取其动力学和运动特性。可行的地面试验方法是以气浮平台支持大重量的臂和负载进行二维运动，而三维运动情况则更多依赖于数值仿真或半物理仿真。真实的机械臂动力学特性验证必须在轨进行。
对于庞大的多舱段组合体的控制，地面实测动力学特性几乎不可能实现。在轨运行时，大型柔性太阳翼的低频特性对组合体的姿态控制精度与稳定度产生直接影响。转位过程中，组合体的力学特性随着转位机构或机械臂的连接而动态变化。控制算法及参数必须与此相匹配，才能获得理想的控制效果。组合体的控制方案及实现情况需要在轨进行实测验证。
再转向载人航天器的核心设计，其根本目标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差异。由于无法借助重力固定身体和抵抗操作力，需要设计专门的装置进行肢体限位。航天员使用的工具也需要特别定制。出舱活动期间，除了微重力的影响，笨重的服装也会限制动作施展。所有无束缚的物体在微重力下都会自由漂移，使得大件物品的搬运和操作变得难以控制和固定，小件物品如螺母、垫片等则可能漂走或丢失。历史上，苏美空间站的航天员都曾出现过在出舱活动时失手将工具落在太空中的情况。
空间环境因素带来的操作问题在地面难以真实模拟。尽管可以通过悬吊方法模拟人体动作，但无论是施力、受力还是个人体验都与太空有所不同。出舱活动的验证和训练可以通过航天员穿轻质舱外服悬吊开展，更多的则是在中性浮力水槽中模拟天上的操作。水池与太空存在明显的差异——水有阻力，人和物品的运动都存在天地差异。在实际观测航天员出舱活动的影像中，线缆、安全绳的运动比在水中更加“灵活”且难以控制。为了解决物品漂移问题，需要设计不会分离的“松不脱”螺钉、工具安全绳等，并制定相应的使用要求。人机工效相关设计的合理性、有效性以及出舱活动的可行性、在轨操作规范及程序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，通过再生式生命保障系统和有限的地面补给来保障人员的长期驻留。在这个封闭的环境中，物质循环和生态将达到动态平衡。人的代谢是这一平衡过程中的重要变量，也是生保系统需要适应和保障的关键要素之一。微重力环境下的各种工况下的代谢指标是航天医学研究的重要内容。生保系统的性能参数需要与之匹配，并具备足够的调节范围以适应人体代谢的变化。这个封闭的人-机系统不仅需要经历足够长的时间（一至两个月）才能达到动态平衡，还需要全面覆盖主要工况，如人的不同运动强度。只有通过长期的在轨验证，才能获得真实有效的数据，了解有人存在的物质和生态环境的特点。
工具、机器、设备等物质要素和知识、经验、技能等智力要素的融合是推动人类技术进步的主要力量。航天器的在轨验证不仅是对系统设计的验证，更是对科学、技术和工程的推动。以机械臂为例，其在太空中的实际应用中不断地发现问题并得以升级换代，推动了技术的进步与创新。在国际太空探索的历程中，类似的案例不胜枚举。自上世纪六十年代起，太空探索逐渐成为了全球的焦点。其中，机械臂和出舱活动的应用成为了航天领域的重要组成部分。今天，我们将一起回顾机械臂技术的演进、出舱活动的挑战与进步以及再生生保技术的成熟完善。
在太空探索的早期阶段，机械臂的应用显得尤为重要。1981年，六自由度加拿大臂（Shuttle Remote Manipulator，SRMS）发射入轨，其长达15.24米的臂长以及由三组关节和两节臂杆组成的复杂结构，显示了其在航天飞机执行任务中的关键作用。实际操作中，由于振动的影响，机械臂的操作精度和效率受到了严重制约。为了解决这个问题，研究人员付出了巨大的努力。到了2002年，具有七个自由度的加拿大II臂（Space Station Remote Manipulator，SSRMS）被安装在国际空间站上，其性能相较于之前的加拿大臂有了显著的提升。但新的问题出现了：移动基座沿导轨移动时会激起导轨振动，进而影响机械臂的操作精度。幸运的是，NASA和SPAR公司针对这一问题制定了专门的控制方案。如今，SPAR公司已经能够通过仿真完成新机械臂的设计，无需复杂的物理试验。
与此出舱活动的能力也在不断地提升。无论是苏联的礼炮号时代还是美国的双子座飞船时代，出舱活动的目的和内容都在不断地丰富和发展。从最初的验证出舱活动可行性到后来的复杂操作，如人造重力试验、脚限位器试验和电动工具使用等，宇航员们面临着越来越多的挑战。在这一过程中，天上返回的宇航员开始在水槽中对实际活动进行模拟，逐渐完善模拟方法，使中性浮力水槽成为地面训练最重要的设施之一。到了国际空间站时期，美俄的舱外作业能力已经运用自如，甚至在空间站上实现了对设备的排故和修复。这些进步都是天上实践经验积累推动天地设施、地面验证和训练方法同步完善的结果。
再生生保技术的成熟完善也是太空技术发展的重要里程碑。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多舱积木式组合的演进。在这个过程中，生命保障系统也由非再生式发展到了再生式。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。如今，再生式生保系统已经能够在许多方面替代非再生设备，为太空探索提供了更为持久和可靠的保障。这些技术的不断进步与成熟为我们未来的太空探索提供了坚实的基础。
太空探索的每一步都离不开技术的支撑和创新。机械臂技术的改进、出舱活动的经验积累以及再生生保技术的完善都是太空领域发展的重要里程碑。我们期待着未来更多的技术突破和创新，推动人类太空探索事业不断向前发展。和平号的成功技术成果为国际空间站的生保系统奠定了坚实的基础。在国际空间站的运营历程中，俄罗斯舱电解制氧发生器曾经出现的故障以及随后的修复行动向我们展示了即便在二十一世纪，先进空间技术依旧需要面对的挑战和机遇。在先进空间技术的发展过程中，技术的挑战不断推动着人们探索未知领域，尤其是在水气分离技术和人体代谢相关的工程设计方面，仍然需要在真实环境中进一步检验和探索。国际空间站的技术发展不仅推动了航天技术的进步，也为人类长期在太空生存提供了重要的技术支撑。
与此中国空间站的进阶之路也在稳步前行。天和核心舱的单舱飞行成功完成了关键技术验证，标志着中国空间站的长期载人驻留能力得到进一步巩固和提升。该技术的验证不仅仅是在地面完成的，更多的是依靠太空环境中的实际操作来检验和优化技术。从再生式环境控制、大型柔性太阳电池翼的展开和驱动到机械臂的辅助操作，每一步的成功都代表着中国航天技术的不断突破和发展。航天员长期在轨驻留的保障能力得到了极大的提升，这得益于先进的环境控制和生命保障系统的建立与完善。
值得一提的是，中国空间站的技术验证过程中运用了反问题求解的典型应用方法。工程师们通过在天上的真实环境和真实工作条件下进行实际测试，反解出动力学参数，进而修正和完善了空间站的控制参数以及仿真模型。这一成功的实践不仅证明了反演思路在航天技术验证中的有效性，也为中国空间站的长期稳定运行提供了强有力的技术支持。这种在轨验证的方法不仅提高了地面研制能力，更让我们对天地差异有了量化的、更准确的认知。中国空间站还具备扩展性，为未来新的舱段和产品的研发提供了更加准确的模拟依据。
无论是国际空间站还是中国空间站的技术发展，都在不断推动人类深入探索太空领域，实现长期载人驻留太空的梦想。这些技术的发展和应用不仅为人类未来的太空探索提供了强有力的技术支持，也为我们在航天领域的科技创新提供了源源不断的动力。神舟十二号航天员成功开展了中国空间站的出舱活动，这一重大事件在媒体间引发了广泛的关注与讨论（图源新华网）。
在这宏大的航天工程中，载人航天技术无疑是最为引人瞩目的部分。其背后所涵盖的技术难度之大、技术跨越之广，都表明了这是一个需要数十年持续努力的巨大工程。而在这个工程中，对于技术的验证就成为了至关重要的一环。无论是苏联空间站的逐步进化，还是美国航天飞机的发展历程，以及国际空间站的合作模式，都向我们展示了技术验证的重要性。可以说，没有技术的逐步验证，就没有今天航天工程的辉煌。
对于中国的载人航天工程来说，“三步走”的战略规划是其成功的关键。通过载人飞船任务，我们成功地解决了天地往返技术，确保了航天员能够安全地进入太空并在轨工作。这是载人航天的基石和安全保障。
接着，我们进行了出舱活动，这是第二步的关键内容。保证航天员在舱外的工作能力，是建造和运行空间站的必备条件。在此基础上，我们掌握了交会对接技术，这使得舱段组装、人员轮换、物资补给等任务变得可行。而这一切的关键技术，都在前一阶段通过实际飞行得到了验证。
而在制定这些验证方案时，我们需要明确验证的目标。以交会对接技术为例，如何验证？采用什么方案？各国的验证方案都有其特色。在神舟飞船成功飞行的基础上，我们提出了两种验证途径。而在这个过程中，王希季先生的观点为我们指明了方向，他强调交会对接技术的验证必须包含四个方面的技术验证，这四个方面的验证标准对于后来的工程方案制定起到了决定性的作用。
最终，我们选择了8吨级目标飞行器的验证方案，从而实现了交会对接技术的全面验证。这也是天宫一号的由来，我们的空间实验室任务阶段的工程方案也据此形成。
回到空间站的建设，当我们完成了关键技术的识别后，如何选取合适的验证方案就成为了下一步的关键。我们需要的不仅是原理性的验证，更需要有工程产品的实现能力验证。只有这样，我们才能确保每一项技术都能够在实际应用中得到完美的展现，为中国的航天事业继续书写辉煌的一页。这是一个既需要勇气又需要智慧的过程，但我们有信心、有能力走好每一步，为中国的航天梦继续奋斗。在构建宏大的空间站项目中，核心舱的角色举足轻重。它不仅是中国空间站的“大脑”与“母港”，更是整个空间站技术验证与建造的核心基石。为了确保大型柔性太阳帆板、整套再生生保系统、大型机械臂以及长期人员驻留等关键技术的成功实施，我们需要一个体量庞大的空间站核心舱来进行1:1的考核，以达到验证的目的。考虑到地面验证基础的重要性，整个空间站的建造任务被划分为关键技术验证与建造两个阶段。以核心舱为试验载体，我们得以在其单舱飞行期间进行一系列关键技术验证，同时兼顾对核心舱自身性能及健康状态的考核与评估。
通过考核后，对接后续舱段、建造空间站并开始长达十年的运行将成为可能。天和的探索之旅正是对这一理念的完美诠释。在航天器功能层面，核心舱的地位无可替代，它如同一个枢纽，连接着各个系统，确保整体功能的正常运行。而从工程过程来看，核心舱更是空间站技术验证的前锋、建造组装的基石。
在谈论航天器的试验验证时，我们必须认识到其背后的严格要求和规范。无论是新研产品的鉴定性试验，还是上天产品的检验性试验和验收测试，都是为了确保产品的合格性及其在轨道环境中的正常工作。尽管地面试验和仿真设施已经大幅进步和完善，必要的在轨验证仍然至关重要。航天发展早期，由于人们对火箭飞行和太空运行条件了解有限，实飞验证非常普遍。如今，虽然地面试验和仿真可以模拟大部分环境，但真实环境下的飞行仍然是验证新技术的最有效手段。
关于航天任务是否允许尝试和失败的问题，答案是肯定的。飞行本身就是一种有效和必要的验证手段，尤其在以验证为目的的飞行任务中，如神舟飞船的无人试验飞行和SpaceX的星舰飞船原型机试飞。但这种“允许”是有条件和前提的。
充分的地面验证是飞行试验的前提和基础。我们强调通过地面试验暴露、发现问题，并通过尝试和试验去解决。钱学森先生提出的“一切通过总体、一切通过地面试验”的航天可靠性理念，强调了地面试验的重要性，确保将能经地面试验或模拟试验证实的部分不带到飞行试验中去考验。这意味着不允许问题出现在天上。
有效数据的获取是判定飞行试验成败的关键。飞行试验的成功与否取决于验证目的是否达到。如果成功获取了有效数据并实现了验证目标，即使发生损失也是值得的。遥测是获取相关数据的手段之一，但地面试验可以提供更多观察测量手段以及产品状态信息。飞行作为验证手段的难度和风险相对较大，除非必要否则不应优先考虑。
从另一个角度看，飞行产品的回收和重复使用除了具有经济意义外，对于获取验证结果也极为有利。回收的产品可以提供遥测无法获取的实际数据和信息。以神舟飞船的返回舱为例，我们可以通过它获得防热材料的实际烧蚀形貌、发动机状态等宝贵数据。在航天器研制过程中，我们需要平衡地面和飞行试验的优势和风险，确保每一项决策都是为了达到最佳验证效果而做出的。在某种程度上，重复使用为SpaceX航天器的快速迭代提供了极其宝贵的数据基础，推动了其发展的良性循环。
关于在轨试验是否会被替代的问题，答案显然是否定的。在坚实的地面验证基础上，必要的在轨试验具有无可替代的重要性，试验性的航天器以及逐步推进的航天工程验证任务也将一直存在。
在轨试验在真实环境下扮演着辨识和修正仿真模型的角色，其在航天领域的作用愈发凸显。例如，之前提到的机械臂案例，其在空间环境中的表现对认识空间环境、提升地面设计、仿真及验证能力等方面有着重大影响。随着任务要求和难度的提高，新的在轨试验需求将持续涌现。
科幻作家刘慈欣曾提到元宇宙无法替代星际航行，这既体现了他的情怀，也揭示了人类认识和改造客观世界的客观规律。这一观点强调了在实际太空飞行中积累知识和经验的重要性，因为真实的太空体验和物理知识结合才能更好地帮助我们了解和理解未知的宇宙。
空间站的在轨验证并未结束。尽管核心舱已经完成了关键技术验证的任务，但在空间站建造完成后，更多的验证工作仍在继续。空间站作为拥有长期近地轨道和微重力环境的独特平台，为天文、物理、材料等空间科学研究提供了宝贵的机会，同时也是航天新技术进行在轨验证的理想场所。
与无人的试验卫星相比，载人空间站的优势在于专业人员的直接参与。他们可以在太空现场开展试验，实时了解并调整试验情况，确保试验的全程可控。航天员还能够进行现场样品的选取、包装并随飞船返回地面进行进一步分析。人的参与不仅提升了空间站作为技术验证平台的能力，同时“人”相关的技术也是空间站验证工作的重要内容。
中国空间站的T字构型不仅是基本构型在轨建设的成果和未来延展的起点，更是中国载人航天工程完成“三步走”战略的重要成就。通过飞行验证观察载人航天工程，我们可以看到人类在实践中追求和发展真理的文明之光。这让我们更加坚定、勇敢，同时也更加睿智和理性。
（图源CMSA）
监制：唐心怡
编辑：杨柳
校对：崔祎璁