中國自主空間站：回顧、猜想與展望

廣林星云

從“曙光號”到“神舟十號”，中國的空間站建設雖曲折漫長，而且與美俄還有很大的距離，但中國始終堅持自主、理性、量力而又竭盡全力地實施載人航天工程，且并不排斥和國外的合作。當下，中國的載人航天工程戰(zhàn)略依然免不了會被各種有色眼鏡貼上政治的標簽，但我們寧愿相信，所有事關遠大夢想的工程，都是人性本初的崇高與智慧在驅使人類為挽救物種危亡，促使開拓者探索前人未至之境。

2013年6月26日9時41分許，神舟十號飛船載著聶海勝、張曉光和王亞平3位“天之驕子”從太空返回位于內蒙古四子王旗的主著陸場。

神舟十號任務結束后，按照原先規(guī)劃，處于設計壽命末期的天宮一號將會“光榮退休”，不再接待下一批航天員。那么，中國下一艘“神舟”飛船將往何處去？中國下一個空間實驗室，以及未來的大型空間站將會是什么樣子呢？

從“曙光”到“天宮”的漫漫長路

中華民族自古就有飛天之夢，這個五彩斑斕的夢幻化成古老敦煌壁畫中長袖善舞的“飛天”，美麗的月宮與嫦娥，以及英勇萬戶的舍身一躍。到了20世紀初，3位跨時代的英才——齊奧爾科夫斯基、戈達德與奧伯特通過計算與實驗，用火箭為全人類打開了天空之門。在隨后的二次大戰(zhàn)中，為納粹德國效力的馮·布勞恩發(fā)明出實用性的火箭——V2飛彈。二戰(zhàn)結束后，德國的火箭人才分別流落到美國和蘇聯(lián)，由此展開了東西方持續(xù)近半個世紀的太空競賽。第一顆人造衛(wèi)星、第一位宇航員、第一次太空出艙、第一次交會對接、第一個月球腳印、第一座太空堡壘……一連串的紀錄散落在歷史長河中，但卻遲遲未有中國人的身影。加加林上天對中國來說，是強烈的刺激。尤其是第一顆原子彈爆炸后，中國高層領導和科技專家高度重視中國空間技術發(fā)展的問題，《中國衛(wèi)星十年發(fā)展規(guī)劃》應運而生。

1965年8月，中央專門委員會批準了這一規(guī)劃。規(guī)劃里有這樣的內容，“1969年、1970年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，衛(wèi)星上天后10年要發(fā)射載人飛船”。1970年4月27日，深陷文革浩劫的中國發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星“東方紅”。之后不到3個月，毛澤東、林彪、周恩來和中央軍委辦事組批準了一項關于中國第一艘載人飛船“曙光一號”的重大計劃，毛澤東還在這封絕密文件上作了批示，“即著手載人飛船的研制工作，并開始選拔、訓練宇航員”。接著，中國人開始秘密培訓第一批航天員，利用生物探空火箭研究了失重狀態(tài)下的生理醫(yī)學問題。中國的最高層甚至要求技術人員在3年時間內把航天員送上天。由于航天工程幾乎涉及當今世界所有的基礎科學和理論技術，運載火箭的難題也還沒有完全解決，更重要的是，由于當年可以想見的政治混亂與經(jīng)濟困難，“曙光號”飛船的研制工作停滯下來，永遠停留在了圖紙和檔案館里，選拔出的航天員也壯志未酬。

20年后，中國人的飛天夢又一次被提上日程。1992年1月8日，中央專委會召開第5次會議，專門研究發(fā)展我國載人航天問題。這次會議認為“從政治、經(jīng)濟、科技、軍事等諸多方面考慮，立即發(fā)展我國載人航天是必要的。我國發(fā)展載人航天，要從載人飛船起步?！边@一天，距離1961年4月，前蘇聯(lián)尤里·加加林乘坐“東方1號”飛船上太空已經(jīng)31年；離1962年2月美國的約翰·格倫乘坐“友誼7號”飛上太空也已經(jīng)30年了。

1992年9月21日，前中共中央總書記、國家主席江澤民召開中央政治局常委會議，通過決策正式實施中國載人航天工程，并確立了中國載人航天工程“三步走”——從載人飛船到空間實驗室，再到空間站的發(fā)展戰(zhàn)略。與很多重大工程都有一個特定的代號一樣，我國的載人航天工程有了一個神秘而響亮的名稱：“921工程”。20年，中國航天人就打造出了自己的登天利器——長征二號F運載火箭和“神舟”系列宇宙飛船。

從1999年到2002年，四艘無人飛船神舟一號至神舟四號相繼發(fā)射升空并順利返回，系統(tǒng)地測試了飛船的各項性能。2003年，中國第一位航天員楊利偉搭乘神舟五號實現(xiàn)了中華民族的百年飛天夢。從此，繼俄國航天員“cosmonaut”與美國航天員“astronaut”之后，國際上出現(xiàn)了中國航天員的專用詞“taikonaut”（太空人）。2005年，神舟六號完成了雙人多天飛行，航天員費俊龍和聶海勝首次進入飛船軌道艙工作和生活。2008年，神舟七號搭載3名航天員實現(xiàn)了中國首次太空出艙活動。2011年，中國第一個空間實驗室天宮一號進入太空，并在兩年內依次與3艘飛船神舟八號、神舟九號和神舟十號對接。

天宮一號事實上是一個簡易的單體式空間站，前后分為直徑較大的增壓艙段——實驗艙，和直徑較小的儀器設備艙——資源艙。在實驗艙的前部設有與神舟飛船軌道艙對接用的“異體同構周邊”對接裝置。與飛船對接后，航天員從對接口進入天宮一號，在實驗艙內開展各項實驗，進行工作與生活。實驗艙內還設有兩個“臥室”，“臥室”用隔斷與其他部分隔開，可減少艙內的光線與噪音干擾，有助于航天員安然入夢。資源艙裝有發(fā)動機和電源裝置，負責在軌期間的軌道維持與姿控，外側附有一對太陽能電池板，為天宮一號提供能源供應。

天宮一號主要用于驗證交會對接技術，所承擔的空間實驗項目很少，因此并非真正意義上的“空間實驗室”，而僅稱為“目標飛行器”。有趣的是，最早設想用于交會對接的“目標飛行器”似乎是神舟飛船的軌道艙——神舟五號和神舟六號的軌道艙都曾具備獨立的太陽能電池板，具有留軌工作半年的能力，這在歷史上與美國用來與“雙子座”飛船對接的無人飛行器“阿金納”火箭異曲同工。與此相比，用天宮一號作為“目標飛行器”不僅可驗證對接技術，還能讓航天員穿艙進入其中工作與生活，初步驗證建設空間站的相關技術，當然是更優(yōu)的選擇。在未來的空間站運營階段，天宮系列飛行器將“化身”為貨運飛船，繼續(xù)服務我國的載人航天事業(yè)。

撲朔迷離的“天宮二號”

神舟十號任務結束后，目標飛行器天宮一號仍將返回長期運行軌道繼續(xù)留軌運行一段時間，但最終會在受控狀態(tài)下主動離軌，再入大氣層燒毀。中國下一艘飛船神舟十一往何處去，中國載人航天下一步的計劃如何進行，成了一個有趣而引人關注的話題。對此，我們不妨回顧歷史，看看美蘇兩個航天大國是如何發(fā)展自己的空間站建設的。

蘇聯(lián)于1971年發(fā)射了人類歷史上第一個空間站“禮炮1號”。到1976年，蘇聯(lián)共發(fā)射了7個空間站，其中5個以“禮炮”命名，另外2個發(fā)射失敗，沒有得到正式名稱。蘇聯(lián)早期的空間站任務多災多難，曾有過3次對接失敗和1次飛船發(fā)射失敗，另有3名航天員在飛船返回時因艙內失壓而殉難，每個空間站在軌停留的時間也都不長。美國在1973年也利用“阿波羅”登月計劃剩余的火箭和飛船發(fā)射了一個大型空間站“天空實驗室”，由“土星五號”火箭的第三級改造而成?！疤炜諏嶒炇摇痹诎l(fā)射入軌后出現(xiàn)嚴重故障，一側的太陽能帆板丟失，另一側被卡住。美國緊急派遣3位宇航員乘坐“阿波羅”飛船前去維修，終于化險為夷，并在后續(xù)任務中創(chuàng)下單次太空居留84天的紀錄。

美蘇早期的空間站都只有一個艙體和一個對接口，每次只能接待一艘飛船和一批宇航員，物質補給能力也極其有限。對此，蘇聯(lián)對“禮炮”系列空間站進行了改進，在尾部增設了一個對接口。這樣，空間站就可以同時接待2艘飛船，讓乘員在空間站內交接。不僅如此，空間站還可以同時對接一艘載人飛船和一艘貨運飛船，由此大大延長了宇航員在空間站內的工作時間。貨運飛船還能為空間站加注燃料和進行軌道維持，這使得空間站本身的在軌時間也大大延長。經(jīng)過改進的“禮炮6號”和“禮炮7號”共接待了26批來訪的宇航員，并將單次載人飛行的紀錄刷新為236天。

中國載人航天的發(fā)展方向實際與美蘇的先期探索一脈相承。根據(jù)規(guī)劃，“三步走”戰(zhàn)略的第二步是突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術，發(fā)射短期有人照料的空間實驗室，進行一定規(guī)模的空間應用。這一階段將掌握航天器交會對接技術，突破航天員中期駐留、航天器低軌道長期自主飛行、貨運飛船補給等關鍵技術，還將為未來的大型空間站驗證再生式生命保障系統(tǒng)的技術。這其中，交會對接技術的突破和驗證已由神舟八號、神舟九號和神舟十號飛船的3次飛行任務完成，接下來需要掌握貨運飛船補給、燃料在軌補加、再生生命保障等技術，并開展一定規(guī)模的空間技術實驗。而這些任務順理成章地留給了真正的空間實驗室——天宮二號。

在早先的規(guī)劃中，中國將發(fā)射兩個空間實驗室，分別是天宮二號與天宮三號，其中天宮二號似為天宮一號的備份，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。而天宮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。但在今年“兩會”期間，中國載人航天工程總設計師周建平澄清說，中國并沒有發(fā)射天宮三號的計劃，未來的空間實驗室僅有天宮二號一個，將于2016年前后發(fā)射，期間將用貨運飛船驗證燃料在軌補加技術。在天宮二號空間實驗室任務完成后，我國就將進入空間站的建設階段。

外界針對天宮二號的結構有多種猜想。其一，天宮二號可能僅是天宮一號的簡單修改版，但在艙體側面增加一個對接口。貨運飛船與主艙口對接時，神舟飛船可與側艙口對接；其二，天宮二號可能類似于蘇聯(lián)的“禮炮6號”和“禮炮7號”，前后各有一對接口，貨運飛船與尾部接口對接；其三，天宮二號可能連接有未來空間站核心艙的節(jié)點部分，這樣可能有多達6個對接口。隨著今年3月《載人航天》雜志上周建平總設計師《我國空間站工程總體構想》一文的刊出，最后一猜想被排除。今年6月25日神舟十號”進行的繞飛試驗似乎又增大了第二種猜想的可能。不管怎樣，天宮二號的結構仍是個迷，也許在2015年升空的那一刻，這個謎底才會真正揭開。讓我們拭目以待吧。

“煥然一新”的中國空間站

相比于撲朔迷離的天宮二號，中國未來大型空間站的樣貌則要明晰得多。不過，細心的人會發(fā)現(xiàn)，近年來中國空間站的構想圖也發(fā)生了“煥然一新”的變化。

最初，中國未來空間站由三個艙段組建而成：帶有節(jié)點艙的核心艙、與節(jié)點艙左側接口對接的I號實驗艙，以及與右側接口對接的II號實驗艙。節(jié)點艙正前方的接口用來對接“神舟”載人飛船，核心艙后部的接口用于對接貨運飛船。每個艙段都帶有自己獨立的太陽能帆板，空間站全重約60噸。這樣一種空間站結構類似于縮小版的蘇聯(lián)“和平號”空間站（“和平號”全重約為130噸），是典型的“積木式”架構，每個艙段都擁有獨立的能源和動力系統(tǒng)，分別由火箭發(fā)射升空，再經(jīng)交會對接組合。與國際空間站通過航天飛機構建所花費的巨額資金以及漫長的建設周期相比，此種空間站構型只需未來的“長征五號”大推力火箭發(fā)射3次即可建成，成本低，周期短，效率高。但這種構型也難免繼承“和平號”的缺點：各個艙段組成整體后功能嚴重冗余，很難進行電力的合理調配；不僅如此，不同艙段的太陽能電池還互相遮擋，由此造成可觀的電力損失。

相比“和平號”空間站的“積木式”架構，國際空間站則采用了“積木+桁架”的方式。最初的增壓艙段由火箭發(fā)射升空并組成“積木式”構型，部分艙段還帶有獨立的太陽能帆板；后期則由美國航天飛機將桁架組件和另一些增壓艙段攜帶升空并完成組裝，這些艙段精簡了能源和動力系統(tǒng)，功能更加緊湊，但也必須依賴航天飛機運送和組裝。桁架上則裝有統(tǒng)一的能源和散熱系統(tǒng)，包括8組巨大的太陽能帆板，以及一些外部實驗平臺。桁架式結構能更好地滿足空間站的電力供應和實驗平臺的掛載需求，還可對各個艙段的電力進行統(tǒng)一調配，這種能力在某一部分太陽帆板出現(xiàn)問題時顯得尤為重要。由于國際空間站是多國合作的產(chǎn)物，需要充分滿足各成員國的需求，因此空間站的結構也變得極端復雜，總重達到400噸，是人類有史以來組建的最龐大、耗資最巨的航天器。

由于種種原因，中國沒有參與國際空間站計劃，而是走上了自主建設空間站的發(fā)展道路。今年3月，周建平在《我國空間站工程總體構想》一文中，深入詳細地介紹了中國未來的空間站計劃。在此文中，未來空間站的結構相比先前發(fā)生了顯著的變化：空間站仍為三個艙段組成，但在兩個實驗艙的末端增設了由“局部桁架”結構支撐的大型柔性太陽能帆板，同時核心艙留有自帶的太陽能帆板。這樣的構型充分吸取了國際空間站的長處，徹底解決了原有空間站構型電力不足的問題，同時也避免了航天飛機的使用，兩段“局部桁架”上的大型太陽能帆板可利用二次展開技術來安裝?？臻g站基本構型為T字型，重約90噸，自2020年前后開始建設，并在軌運行10年以上。

不僅如此，這篇文章還透露了一些有關未來空間站的其他細節(jié)。未來空間站核心艙的節(jié)點艙對天方向的接口在最初階段用作出艙活動的出艙口，后期的專用氣閘艙設在I號實驗艙內，節(jié)點艙兼做備份氣閘艙。II號實驗艙則包含設有多波段巡天望遠鏡的非密封艙。在空間站的運營階段，還可能發(fā)射另一個帶有節(jié)點艙的核心艙進行前向對接，形成十字型的擴展構型。這個新的核心艙還可能對接另外兩個實驗艙，組成重約180噸的最大擴展構型。在最大擴展構型中，原有核心艙自帶的太陽能帆板將移至“局部桁架”的末端，空出的位置用于掛載外部實驗平臺?？臻g站將采用電推技術維持軌道，各艙段電源并網(wǎng)統(tǒng)一供電。

目前國際空間站的“壽數(shù)”尚未確定。國際空間站退役以后，中國空間站可能成為地球軌道上唯一的大型空間實驗平臺，這將為中國航天人帶來前所未有的合作機遇，也將為世界載人航天事業(yè)做出深遠貢獻。

天路迢迢 未有窮期

我們似乎有很多理由為中國未來的空間站計劃感到驕傲和振奮。不過，科學技術的發(fā)展是無止境的，載人航天事業(yè)也同樣如此。因此，我們需要持續(xù)關注國際航天領域的新動向，以及自身存在的不足之處。

載人航天領域一個顯著的新動向是商業(yè)化。美國航空航天局（NASA）在航天飛機退役以后，一方面繼續(xù)研發(fā)自己的MPCV載人飛船，另一方面以競標方式資助私人企業(yè)研發(fā)載人和貨運飛船。截至目前，獲得資助的企業(yè)有波音公司、太空探索技術公司和內華達山脈公司，它們正在分別研發(fā)名為CST-100、“龍”和“追夢者”的飛船，其中“追夢者”是小型升力體飛船。這些飛船都具有運送7人往返空間站的能力，其運載能力大大超過神舟飛船。目前，“龍”飛船的貨運型號已兩次與國際空間站對接并送去貨物，并已成為現(xiàn)階段僅有的能將貨物從空間站帶回地球的貨運飛船。軌道科學公司研發(fā)的“天鵝座”貨運飛船也將投入運營，準備從“龍”飛船那里分一杯羹。

在空間站領域也有私營公司躍躍欲試。畢格羅宇航公司已發(fā)射了兩個試驗用充氣艙段“創(chuàng)世”1號和2號，并將在2014年發(fā)射第一個商業(yè)運營空間站“阿爾法”，在2016年發(fā)射第二個空間站“歡呼”，它們都由畢格羅公司制造的充氣艙段BA-330組建而成。畢格羅公司還將在2015年把一個充氣艙段對接到國際空間站，用于實驗與評估。

另外，歐空局和日本都將在現(xiàn)有ATV和HTV兩種貨運飛船的基礎上研發(fā)載人飛船。歐空局已和NASA簽訂協(xié)議，將ATV的部分技術應用在未來的MPCV載人飛船上。俄羅斯也在研發(fā)“聯(lián)盟”之后的新一代飛船，同時打算在國際空間站退役以后將俄羅斯部分幾個較新的艙段分離出來，組建一個較小的空間站OPSEK，用于支持未來的深空載人航天任務。月球軌道站和拉格朗日點站等深空站的概念也已在論證之中。

與此同時，中國未來的載人航天工程計劃還面臨著諸多技術難題有待突破，可能會對工程進度造成影響，這無疑是令人心焦的事。但我們有理由相信，中國航天人終將迎難而上，讓這十年一路走來的飛天夢飛得更高，讓中國人在太空的腳步邁得更遠。

天路迢迢，未有窮期。