天宮二號(hào)：中國(guó)邁向空間站的門檻

王珊

天宮二號(hào)在太空的“門牌號(hào)”和將來(lái)的空間站基本相同，它是通往空間站征途上的關(guān)鍵一戰(zhàn)，標(biāo)志著中國(guó)載人航天正在向空間站時(shí)代闊步前進(jìn)

柏林厚將天宮二號(hào)稱為“自己的孩子”，這是所有參與研制的科研人員對(duì)天宮二號(hào)的昵稱。

作為中國(guó)航天科技集團(tuán)五院天宮二號(hào)系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師、發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)隊(duì)技術(shù)組長(zhǎng)，兩個(gè)月前，柏林厚就進(jìn)駐了發(fā)射場(chǎng)，倒數(shù)他與“孩子”即將分別的日期。

2016年9月15日22時(shí)04分，在長(zhǎng)征二號(hào)F T2運(yùn)載火箭的托舉下，天宮二號(hào)奔赴太空。這意味著，柏林厚和他的同事們過(guò)去5年的努力終于可以畫上一個(gè)句號(hào)。目睹著這一瞬間，他有些舍不得。

天宮二號(hào)的一個(gè)重要任務(wù)就是對(duì)空間站技術(shù)進(jìn)行提前驗(yàn)證和技術(shù)積累。天宮二號(hào)的發(fā)射，意味著中國(guó)距離空間站建設(shè)的夢(mèng)想又近了一步。

2016年10月，天宮二號(hào)要先后接受神舟十一號(hào)載人飛船、天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船的訪問(wèn)。將會(huì)有兩名航天員入駐“天宮”，并在那里工作和生活30天，以驗(yàn)證航天員中期在軌駐留等關(guān)鍵技術(shù)，包括如何長(zhǎng)時(shí)間提供適合人生活的環(huán)境、物資供給等。這將是目前為止中國(guó)載人飛行時(shí)間最長(zhǎng)的一次任務(wù)。

中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平說(shuō)，天宮二號(hào)搭載的空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)將在2017年上半年全部完成，隨后進(jìn)入空間站建設(shè)階段。在他眼中，天宮二號(hào)是“通往空間站征途上的關(guān)鍵一戰(zhàn)，標(biāo)志著中國(guó)載人航天正在向空間站時(shí)代闊步前進(jìn)”。

“備胎”升級(jí)

全長(zhǎng)10.4米，最大直徑3.35米，重量約8.6噸。如果僅從體積和外形來(lái)看，天宮二號(hào)和5年前升空的天宮一號(hào)并沒(méi)有太明顯的區(qū)別。

2011年，柏林厚就已經(jīng)參與了天宮一號(hào)的研制工作。當(dāng)時(shí)，出于安全等因素的考慮，他們同時(shí)設(shè)計(jì)了天宮一號(hào)的備份產(chǎn)品。天宮一號(hào)發(fā)射成功之后，備份產(chǎn)品解除了原有的使命。

工程師們決定在其基礎(chǔ)上研制生產(chǎn)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室。柏林厚說(shuō)，研制團(tuán)隊(duì)首先從設(shè)備延壽開始做起?！霸O(shè)備產(chǎn)品就跟人一樣，也有壽命，時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)受損?！?/p>

要想延長(zhǎng)設(shè)備產(chǎn)品的壽命，首先要定位影響每一臺(tái)設(shè)備壽命的“敏感元素”。研制團(tuán)隊(duì)對(duì)天宮二號(hào)上近300臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了壽命影響因素分析，通過(guò)分門別類地做試驗(yàn)、調(diào)研，制定具有針對(duì)性的延壽方案。同時(shí)，他們還開展大量驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)于驗(yàn)證結(jié)果不合格或評(píng)估無(wú)法延壽的產(chǎn)品，果斷選擇再投產(chǎn)，確保天宮二號(hào)不帶一點(diǎn)問(wèn)題上天。

在這個(gè)過(guò)程中，很多重要的器件同樣進(jìn)行了備份生產(chǎn)?！斑@既是規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的措施，也是預(yù)案?！卑亓趾窀嬖V《中國(guó)新聞周刊》。

在此基礎(chǔ)上，他們還對(duì)天宮二號(hào)進(jìn)行了全面改裝和升級(jí)。比如，天宮一號(hào)上天需要攜帶大量的推進(jìn)劑，而天宮二號(hào)憑借新的在軌補(bǔ)加系統(tǒng)，它可以一邊飛行一邊“加油”，這將極大地提高它在軌運(yùn)行時(shí)間。

每一個(gè)航天器在太空都有屬于自己的飛行軌道，這好比它們?cè)谔盏募彝プ≈?。天宮一號(hào)的軌道高度為343公里，天宮二號(hào)的軌道高度則上升了50公里左右，達(dá)到了中國(guó)未來(lái)空間站的軌道高度。這意味著，“天宮二號(hào)在太空的‘門牌號(hào)和將來(lái)的空間站基本相同，中國(guó)載人航天一只腳已經(jīng)邁進(jìn)了空間站的‘門檻”，北京飛控中心副主任李劍曾如此表示。

空間站的建設(shè)是探索太空的重要手段，也是一個(gè)國(guó)家國(guó)力的體現(xiàn)。早在20世紀(jì)70年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局就曾公開發(fā)表《為什么要探索宇宙》一文。文中寫道：太空探索不僅給人類提供一面審視自己的鏡子，它還能給我們帶來(lái)全新的技術(shù)、全新的挑戰(zhàn)和進(jìn)取精神，以及面對(duì)嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)依然樂(lè)觀、自信的心態(tài)。

自此以后，關(guān)于太空的探索熱一直未曾消寂。從1971 年蘇聯(lián)成功發(fā)射世界第一座空間站“禮炮”1號(hào)起，至今人類已把 10 座空間站送上太空，其中包括正在軌道運(yùn)行的國(guó)際空間站。

國(guó)際空間站的設(shè)想于上世紀(jì)80年代提出，并于上世紀(jì)90年代中期開始實(shí)施。其建立以美國(guó)、俄羅斯為首，包括加拿大、日本、巴西和歐洲空間局等6個(gè)太空機(jī)構(gòu)共16個(gè)國(guó)家參與。參與國(guó)際合作，不僅可以獲得更為先進(jìn)的太空探索技術(shù)，還可以降低太空探索的成本。盡管做了諸多努力，中國(guó)從一開始便因各種因素而未獲得國(guó)際空間站的門票。

也因此，在1992年，中國(guó)政府提出實(shí)施載人航天工程三步走計(jì)劃，即第一步發(fā)展載人飛船，突破并掌握載人天地往返技術(shù);第二步建立具有一定應(yīng)用規(guī)模的短期有人照料、長(zhǎng)期在軌自主飛行的空間實(shí)驗(yàn)室;第三步則是建立長(zhǎng)期有人照料的空間站，開展較大規(guī)模的空間科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)和應(yīng)用。

載人航天工程啟動(dòng)以來(lái)，中國(guó)已成功完成了5次無(wú)人飛船飛行和5次載人飛行，突破和掌握了載人天地往返技術(shù)、航天員出艙活動(dòng)技術(shù)和空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，為空間站建設(shè)打下基礎(chǔ)。2010年9月，中國(guó)政府批準(zhǔn)啟動(dòng)載人空間站工程，工程分空間實(shí)驗(yàn)室和空間站兩個(gè)階段實(shí)施。作為中國(guó)載人航天工程戰(zhàn)略的第三步，空間站計(jì)劃于2020年左右建成，2022年全面運(yùn)行。

“如果天宮二號(hào)狀態(tài)良好，延期服役，太空上或?qū)⑹状纬霈F(xiàn)空間實(shí)驗(yàn)室與空間站交相輝映的畫面?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)公司天宮二號(hào)總設(shè)計(jì)師朱樅鵬如此對(duì)媒體表示。

在太空中看球賽

從“體型”上來(lái)說(shuō)，天宮二號(hào)只能算是一個(gè)迷你版的空間站。它由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙兩艙構(gòu)成。在艙內(nèi)，航天員活動(dòng)的范圍約為16到18立方米，按6立方米即可滿足住一人居住的人機(jī)功效看，對(duì)于兩位航天員來(lái)說(shuō)，住得還算寬敞。

在一個(gè)失重的環(huán)境中生活30天，并不是一件容易的事。當(dāng)時(shí)航天員在天宮一號(hào)上的生活的時(shí)間只有10天?！皬?0天到30天是一個(gè)不小的跨度，也是為了空間站建立成功后的長(zhǎng)期駐留進(jìn)行驗(yàn)證?！卑亓趾裾f(shuō)。

為了保持航天員的舒適性，天宮二號(hào)首次系統(tǒng)開展了面向中期駐留的載人宜居環(huán)境設(shè)計(jì)。為了盡可能地?cái)U(kuò)大航天員的活動(dòng)空間。研制人員研制出了直徑3米多的薄壁飛船結(jié)構(gòu)，以符合既要大空間、又要輕巧結(jié)實(shí)的要求。

相比以往的載人飛船，天宮二號(hào)對(duì)航天員的生活質(zhì)量、睡眠環(huán)境、娛樂(lè)等方面的條件提高了不少。在艙內(nèi)，航天員可以和在地面一樣收看球賽直播;可以和父母打電話、使用無(wú)線音箱聽音樂(lè);沒(méi)事的時(shí)候還能在太空自行車和太空跑臺(tái)上鍛煉一下。就連艙內(nèi)的把手都提高了硬度，以方便航天員抓握、協(xié)助行走。此外，研制人員還制定出嚴(yán)格的生活區(qū)和儀器區(qū)控制指標(biāo)，以保證航天員不被日夜不停工作的儀器設(shè)備發(fā)出的聲音搞得身心俱疲。

科研人員形象地說(shuō)：如果把航天員楊利偉乘坐的神舟五號(hào)返回艙比作“一居室”，費(fèi)俊龍和聶海勝乘坐的神舟六號(hào)返回艙和軌道艙相當(dāng)于“兩居室”，那么天宮二號(hào)相當(dāng)于套房，未來(lái)的空間站可能就相當(dāng)于別墅了。

當(dāng)然，除了生存任務(wù)之外，兩位航天員還要驗(yàn)證在軌維修系統(tǒng)的可靠性。而這是天宮一號(hào)所不具備的?！霸谔盏臅r(shí)間久了，設(shè)備有可能會(huì)隨時(shí)出問(wèn)題，換設(shè)備，換產(chǎn)品也變得有必要起來(lái)?！?柏林厚說(shuō)。所以，不久后，你可能看到太空中傳來(lái)的一組畫面，在太空中，兩個(gè)航天員拿著工具，奮力修理出了故障的器件。當(dāng)然，這只是想象的情形。不管是機(jī)械的維修還是新的載荷裝備，都要依靠天宮二號(hào)實(shí)驗(yàn)的機(jī)械臂操作技術(shù)。

相比于2020年即將建設(shè)成功的空間站，天宮二號(hào)的實(shí)驗(yàn)室要小得多，功能和任務(wù)也要比空間站少很多。比如說(shuō)，天宮二號(hào)是單艙室，重量8噸左右，而空間站則是一個(gè)組合體，初期將由一個(gè)核心艙、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙構(gòu)成，每個(gè)艙段都是20噸級(jí)。核心艙有5個(gè)對(duì)接口，可以對(duì)接一艘貨運(yùn)飛船、兩艘載人飛船和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。換句話說(shuō)，空間站運(yùn)營(yíng)期間，最多時(shí)整個(gè)系統(tǒng)加起來(lái)將重達(dá)90多噸。

即將建立的空間站要在太空中工作十年或者更長(zhǎng)的時(shí)間，壽命的維持需要靠有序添加的推進(jìn)劑。為了對(duì)此做預(yù)演，天舟貨運(yùn)飛船將要發(fā)射并與天宮二號(hào)對(duì)接，為其提供補(bǔ)給物資，包括推進(jìn)劑、航天員生活消耗品、空間科研設(shè)施設(shè)備、空間站維修備品備份等。

中國(guó)的空間站更開放

伴隨著天宮二號(hào)一起上天的，還有14項(xiàng)空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目。這些項(xiàng)目，使得天宮二號(hào)成為中國(guó)歷次載人航天使命中搭載應(yīng)用項(xiàng)目最多的一次。

搭載的實(shí)驗(yàn)大多是當(dāng)前世界最前沿領(lǐng)域的研究，這些任務(wù)涉及微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究應(yīng)用以及應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等8個(gè)領(lǐng)域。

所有項(xiàng)目都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的遴選程序的。早在2005年，天宮二號(hào)上安排的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目便已經(jīng)開始論證?！绊?xiàng)目論證遴選過(guò)程，需要各領(lǐng)域?qū)π袠I(yè)發(fā)展把握得非常準(zhǔn)確的院士、專家，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)見(jiàn)到未來(lái)幾年甚至十幾年科學(xué)發(fā)展的前沿方向和熱點(diǎn)。”中科院空間應(yīng)用系統(tǒng)工程部副主任、空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師呂從民如此介紹。

以“天極”望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目為例，這是天宮二號(hào)上搭載的唯一一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目?！疤鞓O”的全稱是“天極”伽瑪暴偏振探測(cè)儀，由中科院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等多個(gè)機(jī)構(gòu)共同參與。

伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡(jiǎn)稱，從1973年公布發(fā)現(xiàn)伽瑪暴以來(lái)，關(guān)于它的研究一直是天文學(xué)和物理學(xué)中一個(gè)極其活躍的前沿領(lǐng)域。自1997年以來(lái)，有關(guān)伽瑪暴的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)四次被《科學(xué)》雜志評(píng)為年度世界十大科技成就之一。

近十幾年來(lái)，人們對(duì)伽瑪暴的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但有關(guān)伽瑪暴的一些基本問(wèn)題還是沒(méi)有得到很好解決。作為國(guó)際上最靈敏的伽瑪暴偏振探測(cè)儀，“天極”的探測(cè)效率比國(guó)際同類儀器高幾十倍，它預(yù)期運(yùn)行兩年，可以探測(cè)到大約100個(gè)伽瑪射線暴?！啊鞓O跟一般的望遠(yuǎn)鏡不一樣，有很多敏感的元件用來(lái)探測(cè)偏振，類似于蜜蜂和蜻蜓等昆蟲的復(fù)眼。探測(cè)器由1600根塑料閃爍棒組成一個(gè)陣列，猶如1600個(gè)小眼組成一只復(fù)眼?！敝袊?guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、天宮二號(hào)伽瑪暴偏振探測(cè)儀首席科學(xué)家張雙南表示。

2005年天宮二號(hào)開始征集科學(xué)載荷的時(shí)候，張雙南等人就將“天極”的概念提了出來(lái)。他相信，可以憑借天極實(shí)現(xiàn)對(duì)伽瑪暴伽瑪射線偏振的有效測(cè)量。

除此之外，天空二號(hào)上搭載的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與探測(cè)項(xiàng)目還有冷原子鐘實(shí)驗(yàn)、液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)、綜合材料制備實(shí)驗(yàn)、高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)等;對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究項(xiàng)目包括寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計(jì)、紫外臨邊成像光譜儀;應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目包括空地量子密鑰分配試驗(yàn)、伴隨衛(wèi)星飛行試驗(yàn)等。

講起來(lái)如此高大上，但航天實(shí)驗(yàn)距離公眾的生活其實(shí)并不遠(yuǎn)。比如說(shuō)，空間冷原子鐘將會(huì)提高衛(wèi)星導(dǎo)航精度，讓人們的出行更加精確;寬波段成像光譜儀和紫外臨邊成像光譜儀，將提高天氣預(yù)報(bào)及空氣質(zhì)量的預(yù)報(bào)水平。

其實(shí)，自1992年實(shí)施載人航天工程以來(lái)，累計(jì)形成近千項(xiàng)國(guó)家級(jí)發(fā)明專利，有2000余項(xiàng)技術(shù)成果被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)。比如，果珍和脫水蔬菜滿足口腹之欲，載人航天環(huán)控生保技術(shù)用于煤礦事故救援，航天醫(yī)學(xué)成果成為治療中老年人骨密度降低疾病的良方;而神舟三號(hào)的中分辨率成像光譜儀、神舟四號(hào)多模態(tài)微波遙感器，都已經(jīng)轉(zhuǎn)化到目前的海洋衛(wèi)星應(yīng)用上。

按照計(jì)劃，中國(guó)將在2018年發(fā)射三艙空間站也就是長(zhǎng)期有航天員照料的空間站的首艙，組裝工作將于2020年完成，2022年投入全面運(yùn)行。隨著艙段的增加，航天員的數(shù)量可能從最初的3名增加到6名。

外界猜測(cè)，國(guó)際空間站將在2020 年完成歷史使命并退役，屆時(shí)中國(guó)空間站可能將成為唯一的在軌運(yùn)行的太空空間站。

事實(shí)上，運(yùn)作多年的國(guó)際空間站一直被問(wèn)題所困擾。2009年11月25日，美國(guó)政府問(wèn)責(zé)局曾發(fā)布題為《“國(guó)際空間站”：巨大挑戰(zhàn)可能限制站上科研》的報(bào)告。該報(bào)告認(rèn)為，至今，國(guó)際空間站的首要目標(biāo)一直是建設(shè)工作，科研利用并未擺在首位。據(jù)《美國(guó)航空周刊》網(wǎng)站2009年12月報(bào)道，問(wèn)責(zé)局稱，高昂的發(fā)射成本和緊張的資金狀況可能使美國(guó)永遠(yuǎn)無(wú)法充分利用“國(guó)際空間站”。

或許是基于此項(xiàng)原因，一些美國(guó)媒體早已經(jīng)在反思美國(guó)當(dāng)年阻攔中國(guó)一起建設(shè)國(guó)際空間站的行為。

而相對(duì)于美國(guó)宇航局的保守姿態(tài)，中國(guó)的空間站顯然有著更為開放的態(tài)度。中國(guó)載人航天辦公室已經(jīng)同俄羅斯聯(lián)邦航天署和歐洲航天局就科學(xué)家進(jìn)入中國(guó)空間站達(dá)成協(xié)議。而且，中國(guó)空間站為大艙段對(duì)接預(yù)留的接口，也為更多的國(guó)際合作提供了可能性。