“天宮一號”：太空“中國家”的第一塊基石

□杭天春

“天宮一號”：太空“中國家”的第一塊基石

□杭天春

2011年9月29日21時16分，“天宮一號”成功發(fā)射，從此太空有了“中國家”……

人們對“天宮一號”的印象，最為深刻的是2009年的春節(jié)聯(lián)歡晚會上閃亮登場的“天宮一號”飛行器模型。從那時起，中國人就開始企盼我國首次空間交會對接的一天，盼望早日揭開我國空間站的神秘面紗。

這一天很快就來臨了。2011年6月29日，這個“天宮一號”目標飛行器及其裝載的各項科學實驗載荷已完成出廠前的各項綜合測試評審，轉運至酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，開展任務實施前最后階段的測試工作。然而，“天宮一號”的發(fā)射“好事多磨”。由于8月18日，長征二號丙運載火箭發(fā)射“實踐十一號04星”失利，工作人員連夜組織歸零?！疤鞂m一號”發(fā)射計劃隨即做了相應調整。最后“天宮一號”的發(fā)射窗口定在同年9月29日21時16分，接著在11月1日發(fā)射“神舟八號”飛船，實施我國首次空間交會對接任務。

那么，“天宮一號”到底是一個什么樣的航天器呢？

集空間實驗室與目標飛行器于一身

1992年，中國的載人航天事業(yè)還處于初步立項的階段，中國載人航天工程的戰(zhàn)略規(guī)劃已很明確要分“三步走”：第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；第二步，突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術，發(fā)射一個空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應用問題。

“神舟五號”、“神舟六號”飛船的相繼發(fā)射成功，已經圓滿和超額完成了“第一步”的任務?！吧衿摺钡亩嗳硕嗵焯诊w行和出艙行走，是“第二步”的第一階段。而“天宮一號”既是“第二步”的第二階段，也是為“第三步”做技術準備的。

“天宮一號”是作為目標飛行器設計的，重量為8噸，它實際上是空間實驗室的試驗版，主體為短粗的圓柱型，直徑比神舟飛船更大，前后各有一個對接口。“天宮一號”采用兩艙構型，分別為實驗艙和資源艙。實驗艙由密封的前錐段、柱段和后錐段組成，可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員的生存條件，用于航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的后錐段安裝再生生保等設備。實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用于支持與飛船實現(xiàn)交會對接。資源艙為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。

那么，“天宮一號”為什么又被稱作目標飛行器呢？這是因為它是首先被發(fā)射升空，作為對接的目標之一在天上運行的，地面的飛船發(fā)射上去之后跟它實現(xiàn)交會對接。從空間實驗室到空間站要解決很多問題，首先必須要突破交會對接這個難關，還得突破載人交會對接的技術難關。在這個過程里，“天宮一號”可以做大量的技術實驗。同時，因為它將在太空停留兩年，具有地球無法提供的重力資源、環(huán)境、輻射等等，所以也會在上面進行一些科學實驗，新材料、新技術也都可以在這里使用，所以我們也稱它為空間實驗室。

“天宮一號”里的配套設施一般必須包括氧氣呼吸裝置，廢氣吸收裝置，防止空間的輻射照射裝置以及航天員長期生活具備的各種條件。其中產生動力的推力艙、生活艙、接口等都是空間站上比較重要的裝置。若要在“天宮一號”里工作和生活，還要考慮應對各種緊急突發(fā)事件的發(fā)生。其中包括氧氣裝置故障或控制陀螺失靈，甚至連廁所無法正常使用都能稱為是大問題。所以在建造時需要考慮到各種緊急應急措施。此外，“天宮一號”在空間逗留兩年時間還要有防止空間碎片撞擊的相應措施，如同穿上了盔甲一樣，即使受外力的猛烈撞擊也撞不壞。

能“馱”空間站的火箭“力士”

“天宮一號”實現(xiàn)與“神九”、“神十”載人飛船的交會對接后，2015年前，將再陸續(xù)發(fā)射“天宮二號”、“天宮三號”兩個空間實驗室?！疤鞂m二號”將主要開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫(yī)學等領域的應用和試驗?！疤鞂m三號”將主要完成驗證再生生保關鍵技術試驗、航天員中期在軌駐留、貨運飛船在軌試驗等，還將開展部分空間科學和航天醫(yī)學試驗。

由于目前中國火箭的最大運載能力只有10噸，不僅無法將體積更大、重量更重的空間實驗室發(fā)射升空，而且也滿足不了空間實驗室在運行期間所需大量物資的運輸要求。因此，在后續(xù)的發(fā)射中，將采用新一代大推力火箭——“長征五號”。

“長征五號”的外形與現(xiàn)在的火箭沒有太大差別，但是直徑會由長征二號F火箭的3.35米提高到5米。除了大推力之外，與現(xiàn)有火箭相比，新一代大型火箭還有三大優(yōu)勢：一是采用液氧煤油或液氫液氧發(fā)動機，做到無毒無污染；二是模塊化設計，能滿足不同重量有效載荷的發(fā)射需要，增加了選擇性和發(fā)射的靈活性；三是提高可靠性，能大幅度提高火箭發(fā)射成功率。

過去的火箭用的是單發(fā)動機，未來的“長征五號”運載火箭將采用雙發(fā)動機技術。雙發(fā)動機分別用不同的推進劑，一種是燒液氫液氧，另一種是液氧煤油?，F(xiàn)在的火箭用的推進劑是有毒的四氧化二氮?！伴L征五號”火箭用的推進劑是環(huán)保材料——液氫液氧和液氧煤油，液氫液氧產生的化合物只有水，所以它是清潔、環(huán)保的能源。液氫液氧推進劑在我國火箭上早已開始應用了，技術上也很成熟；而液氧煤油只在小發(fā)動機上使用過，目前國外使用這樣的推進劑。因此，“長征五號”是無毒無污染的高性能運載火箭。

“長征五號”運載火箭身長59.5米，有4個助推器，起飛重量643噸，起飛推力833.8噸。與中國現(xiàn)有的運載火箭相比，它的運載能力系數(shù)達到0.0146，目前世界排名第二，其近地軌道的運載能力可以提高到25噸，地球同步轉移軌道的運載能力可以從現(xiàn)在的5.5噸提高到14噸；25噸的運載火箭可以發(fā)射在低軌道空間站，也可以服務在高軌道的月球探測等其他深空探測。

“長征五號”火箭使用最前沿的技術和最新研制的材料。在火箭制造技術上，“長征五號”火箭推進劑儲箱開始使用2219鋁合金，這是美國“土星五號”火箭直到航天飛機，以及前蘇聯(lián)能源火箭和歐日新一代運載火箭廣泛使用的材料。箭體加工上使用了先進的攪拌摩擦焊，這是1991年發(fā)明，1998年美國才在運載火箭上首次使用的焊接技術。攪拌摩擦焊和輕質鋁合金的使用減輕了結構質量，提高了運載能力。此外“長征五號”火箭還使用了電氣一體化設計與冗余，光纖通道火箭控制系統(tǒng)總線等先進技術，這些點點滴滴的進步奠定了新一代運載火箭高水平的基礎。

“長征五號”為我國太空站增添了“年青的臂力”。根據現(xiàn)在的進展，“長征五號”火箭將于2014年首飛?！伴L征五號”運載火箭研制成功以后，我國進入空間的能力將得到大幅度提升，火箭綜合性能達到國際一流水平。

向我們走來的中國空間站

“天宮一號”屬于短期有人照料、長期(兩年)在軌自主飛行的空間實驗室的前期研究，在交會對接的技術，尤其是載人交會對接技術突破以后，我們就要實施構建大型空間站的計劃。隨著技術的成熟，一艘又一艘飛船升空，然后利用這個交會對接技術進行組裝，像搭積木一樣將飛船或艙體連接起來，最后將形成長期有人值守、短期無人照料的大型空間站。

空間站就像是一座空間大廈，是在太空軌道上逐步組裝起來的。比如說，“天宮一號”與“神舟八號”飛船交會對接成功后，接著就是發(fā)射“神舟九號”、“神舟十號”，然后把這三艘飛船與“天宮一號”進行組裝對接，這就形成了一個小型空間站。當各種部件在地面上設計完成以后，借助大型的運輸工具，也就是能夠進行大運載的火箭把大的部件送入到太空。

我國首個空間站將是一個符合中國需要、適度規(guī)模的空間站，有核心艙、實驗艙、結點艙。結點艙為一個球形，有很多接口，在上面可以對接好幾個航天器，可以如核心艙那么大，也可以比它小。就像插座一樣，可以根據我們的需要隨意組合，使空間站得到擴展。

核心艙起碼要20噸重，需靠“長征五號”運載火箭送上太空。如我國目前正在研制的“天宮”空間實驗室采用兩艙結構，分別為實驗艙和資源艙。空間站大致包括一個核心艙、一架貨運飛船、一架載人飛船和兩個用于實驗等功能的其他艙，總重量在100噸以下。其中的核心艙需長期有人駐守，能與各種實驗艙、載人飛船和貨運飛船對接。此外，空間站在運行期間也需要大運載能力的貨運飛船來回運輸大量物資。這個空間站建成后，核心艙可不斷加艙。屆時，每年將往空間站發(fā)射若干個航天器。

大型空間站上面一般都有六七個宇航員，其實隨著太空技術的成熟，空間站內部的條件會越來越接近地面環(huán)境，所以對航天員身體和心理素質的要求也會逐漸降低，不僅女航天員可以上空間站，科學家上站自然也不是難題。甚至讓普通人去太空漫游也不是不可能的事情。

我國載人航天工程發(fā)言人曾宣稱：“我們爭取到2020年左右逐步建成有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間站。”