“天宮”的征途:奔向載人空間站時代

近年來，中國航天大戲不斷上演，從“嫦娥奔月”到航天員太空漫步，載人航天實現(xiàn)了一個又一個大跨越。2011年9月29日，隨著“長征二號F”運(yùn)載火箭在甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的沖天而起，舉世矚目的“天宮一號”目標(biāo)飛行器被順利地送入太空軌道，這是中國航天事業(yè)取得的又一重大成就，標(biāo)志著中國向載人空間站時代邁出了歷史性的一大步。

“天宮一號”拉開中國載人空間站工程大幕

在眾多媒體的報道中，“天宮一號”被稱之為“空間實驗室”。其實，“天宮一號”還不是真正意義上的空間實驗室，它只是空間實驗室的雛形，是中國為建造首個載人空間實驗室和空間站做技術(shù)準(zhǔn)備而發(fā)射的“目標(biāo)飛行器”。

早在1992年9月21日，中國正式啟動了代號為“921工程”的載人航天工程。工程的發(fā)展戰(zhàn)略分三步走：第一步是把航天員送上天。第二步是實現(xiàn)多人多天飛行、航天員出艙，突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術(shù)，并在2016年以前發(fā)射空間實驗室，突破和掌握航天員中期的駐留等空間站的關(guān)鍵技術(shù)，然后進(jìn)行一定規(guī)模的空間應(yīng)用實驗。第三步是在2020年前后建造載人空間站，突破和掌握近地空間站組合體的建造和運(yùn)營技術(shù)、近地空間站長期載人飛行技術(shù)并開展較大規(guī)模的空間應(yīng)用。

2003年10月16日，隨著“神舟五號”航天員楊利偉的安全返回，中國載人航天工程的第一步目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)。2008年9月27日，“神舟七號”航天員在太空的出艙活動，則完成第二步目標(biāo)的前一部分。而在“天宮一號”發(fā)射成功之后，地面將把“神舟八號”飛船發(fā)射上去，用于和“天宮一號”交會對接。這是在完成第二步目標(biāo)的后續(xù)任務(wù)，并為完成第三步目標(biāo)，即建立中國載人空間站打下基礎(chǔ)。因此說，“天宮一號”的成功發(fā)射，對中國載人空間站的發(fā)展具有里程碑式的意義和影響。

“天宮一號”的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)

在太空中，“天宮一號”有兩個美麗的翅膀，太陽能帆板就附著在翅膀上。對太空中的“天宮一號”來說，每24個小時就有16個晝夜。大約每晝30分鐘，每夜60分鐘。30分鐘面對太陽的時間，就是“天宮一號”太陽能帆板發(fā)電的時候。帆板發(fā)電時，一部分電量直接供給“天宮一號”，一部分電量則儲存在鎳氫電池里，供黑夜時使用。

“天宮一號”采用兩艙構(gòu)型，由實驗艙和資源艙組成。資源艙為非密封環(huán)境，安裝有發(fā)動機(jī)、電源裝置并外接太陽能帆板，為飛行器提供軌道維持能力和電力供應(yīng)。實驗艙是密封艙，由密封的前錐段、柱段和后錐段組成，可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用于航天員駐留期間在軌工作和生活。在實驗艙的內(nèi)部，大約有15立方米的空間可供航天員活動。在實驗艙前端的前錐段，安裝有對接機(jī)構(gòu)以及交會對接測量和通信設(shè)備，用于支持與飛船實現(xiàn)交會對接。從外表上看，對接機(jī)構(gòu)類似于一扇圓形的門，內(nèi)部直徑約0.8米，航天員可以通過這扇門從飛船進(jìn)入“天宮一號”。

“天宮一號”將為后繼的空間實驗室和空間站進(jìn)行新技術(shù)驗證，采用了一系列新技術(shù)、新工藝，實現(xiàn)電子設(shè)備的小型化和多功能化，在技術(shù)上是一個很大的跨越。

“天宮一號”將有3次空間交會對接任務(wù)

在“天宮一號”目標(biāo)飛行器成功發(fā)射后之后，中國將相繼發(fā)射“神舟八號”、“神舟九號”和“神舟十號”三艘飛船，分別與“天宮一號”完成空間交會對接。交會對接是兩個步驟：交會是一個步驟，對接又是一個步驟。打個比方，“交會”是“太空約會”，“對接”是“太空之吻”。“天宮一號”與三艘飛船的空間交會對接，基本上要在兩年之內(nèi)完成，因為“天宮一號”的設(shè)計壽命只有兩年。

“神舟八號”與“天宮一號”的對接為無人對接，神舟十號與“天宮一號”的對接為有人對接。神舟九號與“天宮一號”的對接是否是有人對接，將根據(jù)“神舟八號”與“天宮一號”對接試驗的具體結(jié)果來確定。

“天宮二號”空間實驗室的發(fā)射時間在2013年前后，它將分別與其后發(fā)射的兩艘載人神舟飛船進(jìn)行交會對接。與“天宮一號”不同，“天宮二號”是正式的空間實驗室，科學(xué)家、航天員們將在里面展開各種工作和地球觀察、空間應(yīng)用技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)試驗。

2015年左右，將發(fā)射 “天宮三號”空間實驗室?！疤鞂m三號”主要驗證再生生保關(guān)鍵技術(shù)、航天員中期在軌駐留、飛行器長期在軌自主飛行和貨運(yùn)飛船在軌試驗等技術(shù)，還將開展部分空間科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)試驗?！疤鞂m三號”很可能具備兩個對接裝置，它在軌飛行期間總計與兩艘載人神舟飛船和一艘貨運(yùn)飛船對接。貨運(yùn)飛船將輸送補(bǔ)給，并為“天宮三號”提升軌道。

2016年前是空間實驗室的實施階段，2016年后才是中國載人空間站的建設(shè)階段?？臻g實驗室和空間站是既有聯(lián)系又有很大區(qū)別的兩個概念?？臻g實驗室的壽命不大于5年，空間站擁有5～10年的壽命，甚至更長?？臻g實驗室規(guī)模較小，對接口少，缺乏擴(kuò)展能力；空間站至少兩個對接口，能同時對接載人飛船和貨運(yùn)飛船、各艙段。航天員在空間實驗室短期逗留，最多幾十天；而航天員在空間站長期工作時間多在百天以上?？臻g實驗室補(bǔ)給物資一次攜帶，空間站定期利用貨運(yùn)飛船補(bǔ)給。空間實驗室攜帶的各種設(shè)備一般一次性使用到壽命，空間站可以多次更換設(shè)備和逐步增加設(shè)備。

突破空間交會對接技術(shù)瓶頸

“天宮一號”要想在兩年內(nèi)完成與三艘“神舟”飛船的交會對接任務(wù)，就必須先跨過交會對接這道國際航天界公認(rèn)的技術(shù)瓶頸。茫茫太空中，要讓兩個以第一宇宙速度（相當(dāng)于每小時28440公里）移動的飛行器交會對接絕非易事。一旦在交會對接過程中調(diào)控失誤，就可能發(fā)生相撞事故。

交會對接中，一個飛行器是被動的，稱為目標(biāo)飛行器；另一個是主動的，稱為追蹤飛行器。目標(biāo)飛行器一般是空間站、空間實驗室或其他的大型飛行器等，如“天宮一號”。追蹤飛行器一般是地面發(fā)射的宇宙飛船、航天飛機(jī)等，如“神舟八號”。在交會對接過程中，追蹤飛行器的飛行可以分為以下四個階段：

遠(yuǎn)程導(dǎo)引段：在地面測控的支持下，追蹤飛行器經(jīng)過若干次變軌機(jī)動，進(jìn)入到追蹤飛行器上的敏感器能捕獲目標(biāo)飛行器的范圍(一般為15～100公里)。

近程導(dǎo)引段：追蹤飛行器根據(jù)自身的微波和激光敏感器測得的與目標(biāo)飛行器的相對運(yùn)動參數(shù)，自動引導(dǎo)到目標(biāo)飛行器附近的初始瞄準(zhǔn)點(diǎn)(距目標(biāo)飛行器0.5～1公里)。

最終逼近段：追蹤飛行器首先捕獲目標(biāo)飛行器的對接軸，當(dāng)對接軸線不沿軌道飛行方向時，要求追蹤飛行器在軌道平面外進(jìn)行繞飛機(jī)動，以進(jìn)入對接走廊，此時兩個飛行器之間的距離約100米，相對速度約1～3米/秒。

對接?？慷危鹤粉欙w行器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統(tǒng)精確測量兩個飛行器的距離、相對速度和姿態(tài)，同時啟動小發(fā)動機(jī)進(jìn)行機(jī)動，使之沿對接走廊向目標(biāo)最后逼近。在對接前關(guān)閉發(fā)動機(jī)，以0.15～0.18米/秒的?？克俣扰c目標(biāo)相撞，最后利用栓-錐或異體同構(gòu)周邊對接裝置的抓手、緩沖器、傳力機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)，使兩個飛行器在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。

飛行器空間交會對接技術(shù)的實施，必須由高級控制系統(tǒng)來完成。根據(jù)航天員及地面站的參與程度，可將交會對接的控制方式歸結(jié)為人工控制方式和自動控制方式兩種。用人工控制來完成太空交會對接，可以提高交會對接的成功率。自動控制交會對接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問題。未來的發(fā)展趨勢是人工控制和自動控制相結(jié)合，以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。

中國首次交會對接技術(shù)無論是總體方案還是具體實施，全部為獨(dú)立自主研發(fā)。中國的交會對接技術(shù)與美國和前蘇聯(lián)的做法有所不同，美、蘇都采用了飛船與飛船對接，而中國則研制了一個“目標(biāo)飛行器”作為對接目標(biāo)，追蹤飛行器則采用“神舟”系列飛船。

“神舟”系列飛船從“神舟八號”開始有了許多技術(shù)改進(jìn)，成為一種嶄新的天地往返飛行器。其中，交會對接功能是其最主要的特色，航天員可以根據(jù)電視圖像操縱飛船，使其緊跟目標(biāo)飛行器。為了充分保證航天員的安全，“神舟八號”飛船與“天宮一號”主要采用無人自動對接的方式。

中國首個空間站2020年前后建成

到目前為止，人類一共發(fā)射或建造過11艘空間站。其中包括前蘇聯(lián)在1971～1986年間發(fā)射的“禮炮號”1號至7號共7艘空間站；美國于1973～1974年間發(fā)射的“天空實驗室”；前蘇聯(lián)/俄羅斯于1986～1999年間建造的“和平號”空間站，以及于2011年由美國、俄羅斯、歐洲航天局、日本等16國聯(lián)合建成、至今還在軌道上運(yùn)行的“國際空間站”。如今，自主建設(shè)空間站的只有美國和俄羅斯兩個國家。

2020年前后，中國將建成一個大型載人空間站?？臻g站軌道高度為400～450千米，設(shè)計壽命為10年，長期駐留3人，總質(zhì)量可達(dá)60噸。未來的空間站采用積木式構(gòu)型，由核心艙、實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ、載人飛船和貨運(yùn)飛船五個模塊組成。各飛行器既是獨(dú)立飛行器，具備獨(dú)立飛行能力，又可以與核心艙組合成多種形態(tài)的空間組合體，在核心艙統(tǒng)一調(diào)度下協(xié)同工作，完成空間站承擔(dān)的各種任務(wù)。

核心艙全長約18.1米，最大直徑約4.2米，發(fā)射質(zhì)量20～22噸。核心艙模塊分為節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙。主要任務(wù)包括為航天員提供居住環(huán)境，支持航天員的長期在軌駐留，支持飛船和擴(kuò)展模塊對接?？坎㈤_展少量的空間應(yīng)用實驗，是空間站的管理和控制中心。

實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ全長約14.4米，最大直徑約4.2米，發(fā)射質(zhì)量約20～22噸?？臻g站核心艙以組合體控制任務(wù)為主，實驗艙II以應(yīng)用實驗任務(wù)為主，實驗艙I兼有二者功能。實驗艙I、II先后發(fā)射，與核心艙對接后形成組合體，可開展長期在軌駐留的空間應(yīng)用和新技術(shù)試驗，并對核心艙平臺功能予以備份和增強(qiáng)。

中國載人空間站建成后，將會由貨運(yùn)飛船通過“上行下載”的方式，每年為空間站輸送補(bǔ)給物資，并從空間站帶回實驗樣品。中國目前正在研制的貨運(yùn)飛船最大直徑約3.35米，發(fā)射質(zhì)量不大于13噸。

中國載人空間站技術(shù)起點(diǎn)較高，技術(shù)含量可以與國際空間站比肩，但規(guī)模較小，無法與國際空間站10個艙室、419噸質(zhì)量、駐6～7人的規(guī)模相比。但中國的空間站是完全獨(dú)立完成的，而目前在軌的“國際空間站”則是由16國共同出資建造的。除了俄、美、法，其他參與方從中并未獲得多少自主的技術(shù)。

在漫長的航天之旅中，中國正在加速奔跑。我們相信，中國載人空間站建成后，將進(jìn)一步推動我國航天技術(shù)向更高水平發(fā)展，為推動國家科技進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展、提升綜合國力、提高民族威望做出重要貢獻(xiàn)。