“神舟”最終任務(wù)

“神舟九號(hào)”最重要的任務(wù)，就是與去年9月29日發(fā)射升空的“天宮一號(hào)”會(huì)合，進(jìn)行中國(guó)首次載人空間交會(huì)對(duì)接。

作為本次空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)的目標(biāo)飛行器，“天宮一號(hào)”已于6月初降軌至對(duì)接軌道，在軌正常運(yùn)行，以等候“神舟九號(hào)”的來(lái)臨。從飛行、交會(huì)、對(duì)接，到最后“神舟九號(hào)”與“天宮一號(hào)”分離，其中軌道艙將會(huì)自然衰落后墜落大氣層，返回艙返回地球。

完成這全過(guò)程，“神舟九號(hào)”預(yù)計(jì)在軌飛行13天左右，將是目前中國(guó)載人航天在軌時(shí)間最長(zhǎng)的一次，此前的紀(jì)錄由“神舟六號(hào)”保持，時(shí)間為115小時(shí)32分鐘。

經(jīng)過(guò)載人交會(huì)對(duì)接的洗禮，“中國(guó)的飛般將成為真正的載人天地往返工具，能把人送到空間站或者空間實(shí)驗(yàn)室中去?！陛d人航天總工程師周建平向《財(cái)經(jīng)》記者表示。

交會(huì)對(duì)接難度大

在人類(lèi)的空間探索活動(dòng)中，交會(huì)對(duì)接技術(shù)不可或缺，而且還十分復(fù)雜。所謂交會(huì)對(duì)接，是指將兩個(gè)航天器在空間軌道上連成整體進(jìn)行軌道飛行。本次載人空間交會(huì)對(duì)接計(jì)劃分為四個(gè)過(guò)程：一是交會(huì)，“神舟九號(hào)”要跟上并對(duì)準(zhǔn)“天宮一號(hào)”；二是對(duì)接，兩個(gè)航天器通過(guò)對(duì)接機(jī)構(gòu)連接，并且完全密封；三是變成組合體在軌道上運(yùn)行，此時(shí)需要實(shí)現(xiàn)由一個(gè)航天器控制另外一個(gè)的技術(shù)；四是航天員從“神舟九號(hào)”進(jìn)入“天宮一號(hào)”，再回到“神舟九號(hào)”并返回地面。

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的作用巨大，其最廣泛的應(yīng)用就是為長(zhǎng)期運(yùn)行的空間站提供物資補(bǔ)給和人員運(yùn)輸服務(wù)。例如，除早期試驗(yàn)階段外，俄羅斯“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船和“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船的全部飛行任務(wù)，以及美國(guó)航天飛機(jī)與“和平”號(hào)空間站和國(guó)際空間站對(duì)接的主要任務(wù)，都屬于此列。而且，空間站本身的建造也離不開(kāi)交會(huì)對(duì)接技術(shù)。

空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)另一個(gè)重大潛在應(yīng)用領(lǐng)域是載人登月和深空探測(cè)任務(wù)。它可以通過(guò)在軌完成轉(zhuǎn)移飛行器的重新組裝，以降低對(duì)運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的需求。在美國(guó)“阿波羅”登月過(guò)程中，航天器在地球軌道和月球軌道要分別進(jìn)行一次交會(huì)對(duì)接。

在全球已有的300多次交會(huì)對(duì)接中，出現(xiàn)過(guò)十多次失誤，主要集中在人類(lèi)載人航天活動(dòng)的早期。但即使到了1997年，俄羅斯的兩個(gè)航天器還發(fā)生過(guò)一次重大的空間交會(huì)對(duì)接事故，“進(jìn)步M3-4”飛船與“和平”號(hào)空間站相撞，導(dǎo)致“和平”號(hào)空間站上的“光譜”號(hào)艙被迫關(guān)閉，部分氧氣泄漏，動(dòng)力系統(tǒng)也受到影響。

根據(jù)航天員及地面站的參與程度，交會(huì)對(duì)接技術(shù)可分為人工控制方式和自動(dòng)控制方式。美國(guó)較多應(yīng)用人工控制方式，而俄羅斯則主要采用自動(dòng)控制方式。

人控方式為飛船先由地面控制，接近空間站后，再由航天員控制完成太空交會(huì)，其對(duì)接優(yōu)點(diǎn)是：可以提高交會(huì)對(duì)接的成功率；能及時(shí)修正交會(huì)系統(tǒng)中的錯(cuò)誤和排除故障；節(jié)省燃料和時(shí)間。自控交會(huì)對(duì)接的優(yōu)點(diǎn)是：不需要復(fù)雜的生命保障系統(tǒng)，可靠性高，無(wú)須考慮人員的安全和救生問(wèn)題。

中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員龐之浩表示，人控交會(huì)對(duì)接對(duì)航天員本身有很高要求，如較高的空間位置判斷能力、手眼協(xié)調(diào)能力和精細(xì)操作能力，同時(shí)，航天員還要面臨燃料消耗和時(shí)間限制，必須在一定時(shí)間里完成對(duì)接，所以對(duì)航天員的心理素質(zhì)也要考核。

實(shí)際上，“自動(dòng)交會(huì)對(duì)接與手動(dòng)交會(huì)對(duì)接相結(jié)合，對(duì)接會(huì)更可靠。”北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新告訴《財(cái)經(jīng)》記者。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是人控和自控相結(jié)合，以提高交會(huì)對(duì)接的靈活性、可靠性和成功率。

2011年11月3日，“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”以自控方式完成了中國(guó)載人航天的首次空間交會(huì)對(duì)接，也使中國(guó)成為繼俄羅斯、美國(guó)之后，第三個(gè)自主完成交會(huì)對(duì)接的國(guó)家。在此基礎(chǔ)上，“神舟九號(hào)”的主要任務(wù)是使航天員掌握人控交會(huì)對(duì)接技術(shù)。

焦維新分析，“神舟九號(hào)”與“天宮一號(hào)”成功對(duì)接后，就可以認(rèn)為中國(guó)完全掌握了空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是載人航天第二步中技術(shù)難度最大的。

“神舟”的任務(wù)演進(jìn)

1992年9月21日，中國(guó)決定實(shí)施載人航天工程之初，就確定了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。

“三步走”的第一步，是發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；第二步是空間實(shí)驗(yàn)室階段，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題；第三步是空間站階段，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。

在載人航天工程前兩步中，“神舟”飛船針對(duì)不同階段的使命，在技術(shù)狀態(tài)上呈現(xiàn)數(shù)種變化。

航天飛船在太空中完成任務(wù)后，若整體返回，則飛船的重量和體積很大，技術(shù)難度增加。因此，飛船不是做成一個(gè)整體，而是分艙段，以減少飛船返回時(shí)的重量?！吧裰邸辈捎萌摻Y(jié)構(gòu)，由軌道艙、返回艙與推進(jìn)艙組成。軌道艙是航天員生活和工作的地方；返回艙是飛船的指揮控制中心，航天員乘坐其上天和返回地面；推進(jìn)艙則為飛船在軌飛行和返回時(shí)提供能源和動(dòng)力。

從“神一”到“神六”，中國(guó)解決了載人航天工程第一步的全部問(wèn)題?！吧裰邸憋w船首任總設(shè)計(jì)師、中國(guó)工程院院士戚發(fā)軔告訴《財(cái)經(jīng)》記者，在“神六”之前，“神舟”飛船的變化不大，軌道艙自帶太陽(yáng)電池翼，在飛船返回后實(shí)現(xiàn)留軌利用，可以成為一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室。

“神七”開(kāi)啟了中國(guó)載人航天工程的第二步。為解決航天員出艙操作，它既沒(méi)有自帶太陽(yáng)電池翼，也沒(méi)有進(jìn)行留軌利用。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，軌道艙在保留航天員生活艙功能的同時(shí)，又充當(dāng)出艙活動(dòng)需要的氣閘艙。在航天員出艙前，氣閘艙能夠快速泄出空氣，使艙內(nèi)壓力接近真空狀態(tài)下的零氣壓；航天員返回后，氣閘艙又能快速恢復(fù)壓力至一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氣閘艙內(nèi)還配置了支持航天員空間出艙活動(dòng)的相關(guān)設(shè)備設(shè)施。

“神八”到“神十”的目標(biāo)，是要突破載人飛船和空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，其軌道艙也不做留軌利用。戚發(fā)軔透露，原計(jì)劃“神八”和“神九”都不載人，但“神八”圓滿(mǎn)完成第一次交會(huì)對(duì)接，而且經(jīng)過(guò)9個(gè)月的監(jiān)測(cè)，“天宮一號(hào)”也具備了迎接航天員的條件，“神九”相應(yīng)調(diào)整為載人任務(wù)。

如果“神九”不負(fù)眾望，那么“神舟飛船的使命就完成了”。戚發(fā)軔表示，“現(xiàn)在‘神十’要做什么還沒(méi)有確定?！?/p>

由此可見(jiàn)，載人航天工程第二步的四大關(guān)鍵技術(shù)已解決其二，即出艙技術(shù)和交會(huì)對(duì)接技術(shù)，還剩下補(bǔ)給技術(shù)和再生式生命保障系統(tǒng)這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

補(bǔ)給技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要研制貨運(yùn)飛船，以滿(mǎn)足數(shù)以噸計(jì)的天地間物資運(yùn)輸需求。戚發(fā)軔透露，“現(xiàn)在（貨運(yùn)飛船的）相關(guān)工作正在進(jìn)行，但還沒(méi)有起名?！?/p>

不過(guò)，即便擁有了貨運(yùn)飛船，天地間的運(yùn)輸成本也非常高，根據(jù)中國(guó)載人航天工程網(wǎng)的資料顯示，1公斤物質(zhì)從地面發(fā)射到近地軌道的空間站約需2萬(wàn)美元。而且，一旦建成空間站，航天員的留駐時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，需要物資較多，進(jìn)一步拉高了輸送成本。

而再生式生命保障系統(tǒng)正是為了能夠就地解決補(bǔ)給。預(yù)計(jì)中國(guó)對(duì)補(bǔ)給技術(shù)和再生式生命保障系統(tǒng)的驗(yàn)證，需要依靠計(jì)劃于2015年前發(fā)射的“天宮二號(hào)”乃至“天宮三號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室來(lái)實(shí)現(xiàn)。

火箭瓶頸

當(dāng)空間站的關(guān)鍵技術(shù)都得到驗(yàn)證后，預(yù)計(jì)2020年前后，中國(guó)將實(shí)現(xiàn)載人航天工程的終極目標(biāo)——在軌組裝載人空間站，突破和掌握近地空間站組合體的建造和運(yùn)營(yíng)技術(shù)、近地空間長(zhǎng)期載人飛行技術(shù)并開(kāi)展較大規(guī)模的空間應(yīng)用。

中國(guó)載人航天工程新聞發(fā)言人武平分析稱(chēng)，由于國(guó)際空間站可能會(huì)在2020年前后退役，屆時(shí)，中國(guó)空間站就有可能成為太空中唯一的人類(lèi)空間站。中國(guó)自建空間站將由一個(gè)21噸核心艙和兩個(gè)20噸級(jí)實(shí)驗(yàn)艙組成，總發(fā)射重量超過(guò)60噸。此外，空間站的正常運(yùn)行，還應(yīng)包括一架貨運(yùn)飛船和一架載人飛船。

但目前最大的問(wèn)題是，中國(guó)制造不出運(yùn)載能力達(dá)20噸以上的火箭。發(fā)射“神舟”系列飛船和“天宮一號(hào)”的“長(zhǎng)征2F”火箭在近地軌道的運(yùn)載能力為8.5噸，已是中國(guó)運(yùn)載能力最大的火箭，運(yùn)載能力的缺口相當(dāng)顯著。

正在研制中的“長(zhǎng)征5號(hào)”火箭被賦予了突破瓶頸的使命，其設(shè)計(jì)的近地軌道運(yùn)載能力可達(dá)25噸。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究員、中國(guó)工程院院士龍樂(lè)豪告訴《財(cái)經(jīng)》記者，“長(zhǎng)征5號(hào)”與“長(zhǎng)征2F”最大的區(qū)別之一就是火箭推進(jìn)劑的改變：液體四氧化二氮和偏二甲肼是“長(zhǎng)征2F”火箭的推進(jìn)劑，其在單位時(shí)間、單位燃料消耗量下所產(chǎn)生的推力（即比推力）較小，而且具有一定毒性；“長(zhǎng)征5號(hào)”則以性能較高的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)或液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力。

此外，“長(zhǎng)征5號(hào)”火箭的芯級(jí)和助推器的直徑，都會(huì)比“長(zhǎng)征2F”火箭提高不少，相應(yīng)的推進(jìn)劑灌注量也大大提高。

不過(guò)，在龍樂(lè)豪看來(lái)，“長(zhǎng)征”運(yùn)載火箭的適用性能并不完善，仍屬于“家族式”系列，即每個(gè)運(yùn)載型號(hào)的發(fā)展都源于特定的需求，型號(hào)技術(shù)狀態(tài)差別較大，還存在運(yùn)載能力重疊的現(xiàn)象，并非真正意義上的“系列化”運(yùn)載火箭。

在“長(zhǎng)征5號(hào)”設(shè)計(jì)上，可以通過(guò)在基礎(chǔ)級(jí)火箭上面增加相對(duì)獨(dú)立的上面級(jí)，即“像擺渡一樣，到某個(gè)軌道再繼續(xù)爬升”，以提高火箭性能和任務(wù)適應(yīng)能力。一般而言，研制一個(gè)新火箭型號(hào)需六年左右時(shí)間。但“長(zhǎng)征5號(hào)”在2006年獲得批準(zhǔn)立項(xiàng)，預(yù)計(jì)到2015年才能研制成功并實(shí)現(xiàn)試飛。龍樂(lè)豪分析稱(chēng)，進(jìn)度拖后的根本原因在于“長(zhǎng)征5號(hào)”起點(diǎn)較高，加之新型火箭需要配套建設(shè)一批基礎(chǔ)設(shè)施，而國(guó)內(nèi)相關(guān)的工業(yè)基礎(chǔ)還比較薄弱。

無(wú)論從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)實(shí)力上，中國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)載人登月都是可行的，但是工程方面，很多事情要從頭做起。比如載人登月需要起飛重量在3000噸以上的重型運(yùn)載火箭，其直徑可達(dá)10米，正在研制中的“長(zhǎng)征5號(hào)”火箭直徑為5米，這就需要重新制作模具等配套設(shè)施。

“火箭研究最大的挑戰(zhàn)，是怎樣把火箭做得更可靠，更便宜，更簡(jiǎn)單，適應(yīng)性更高?！饼垬?lè)豪說(shuō)。