天舟開啟中國航天空間站時代

刑天

2017年2月中旬，“天舟一號”貨運飛船從天津港啟運后，順利抵達海南文昌發(fā)射中心。2017年4月20日19時41分35.361秒，“天舟一號”在萬眾矚目中順科發(fā)射。

屬于中B1人的貨運飛船

“天舟一號”是我國自主研制的首款貨運飛船。該飛船采用兩艙構型，由貨物艙和推進艙組成。“天舟一號”總長10.6米，艙體最大直徑3.35米，太陽帆板展開后最大寬度14.9米。按照其設計指標，“天舟一號”貨運飛船的起飛重量約13噸，擁有6噸以上的上行物資運輸能力，同時具備獨立飛行3個月的能力。從功能方面來講，“天舟一號”貨運飛船具有與“天宮二號”空間實驗室進行交會對接、開展空間科學實驗和技術試驗等能力。而更大的一個亮點則是“天舟一號”具有實施推進劑在軌補加的能力。“天舟一號”的在軌推進劑補加能力約為2噸，這使得“天宮”系列空間站乃至中國未來的大型空間站的在軌運行時間能夠得到極大的延長。

“天舟一號”貨運飛船，是我國迄今為止研制的最重的航天器，是加油站，是快遞員，更是中國航天邁出發(fā)展建設重要一步的象征。“天舟一號”飛船的順利發(fā)射，發(fā)出了航天強國的時代聲音。

回想前不久，2016年9月15日22時04分09秒，“天宮二號”空間實驗室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。同年10月19日3時31分，“神舟十一號”飛船與“天宮二號”自動交會對接成功。10月23日早晨7點31分，“天宮二號”的伴隨衛(wèi)星成功釋放?！疤鞂m二號”是中國自主研發(fā)的第二個空間實驗室，也是中國第一個真正意義上的空間實驗室，用于進一步驗證空間交會對接技術及進行一系列空間試驗。在開展了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、釋放伴飛小衛(wèi)星等領域的應用和試驗。而“天舟一號”貨運飛船的發(fā)展，使得“天宮”系列空間實驗室終于有了完整的技術組合，成為了一款成熟的空間站。

航天科技是科技進步和創(chuàng)新的重要領域，航天科技成就是國家科技水平和科技能力的重要標志。航天科技取得的創(chuàng)新成果極大鼓舞了中國人民的創(chuàng)新信念和信心，為全社會創(chuàng)新創(chuàng)造提供了強大激勵。

而“天舟”貨運飛船的發(fā)展本身則多了民眾參與這一層意義?！疤熘邸边@個名字的誕生凝結了廣大公眾的集體智慧。時光回溯到2011年4月25日，中國載人航天工程辦公室正式向公眾開放未來中國貨運飛船的征名活動。截止到5月20日，該辦公室共收到5萬余個名字。當年7月8日，中國首位進入太空的航天員楊利偉與中國科學院院士、北京航空航天大學宇航學院名譽院長、空間技術專家戚發(fā)軔座談中國中央電視臺時，揭曉了入選前十的入圍名稱，它們分別為：“天梭”、“鯤鵬”、“天舟”、“神龍”、“龍舟”、“神驥”、“天馬”、“云梯”、“神駒”、“行者”。2013年10月31日，中國首款貨運飛船正式定名為“天舟”?！疤熘邸?，這個由“天宮號”空間站和“神舟號”載人飛船各取一字組成的名字，獲得了“TZ”代號，成為了中國航天器大系統(tǒng)中的年輕一員。

貨運飛船發(fā)射后會與空間實驗室或空間站進行自動交會對接，為空間實驗室和空間站補充推進劑、空氣、水、食物以及用于維修空間站的更換設備，可以大幅延長空間實驗室和空間站的運行壽命。另外，貨運飛船也充當了空間站“垃圾桶”的角色。航天員取出貨運飛船升空攜帶的物品后，可將站內的廢棄物品搬運到貨運飛船上，關閉氣閘后，貨運飛船脫離空間站，返回地球時廢棄物連同貨運飛船在大氣層中燒毀。

“天舟一號”貨運飛船成功發(fā)射并已與“天宮二號”空間站順利自動對接之際，期待中國的科研院所、高校中的研究人員和分布在企業(yè)、社會各界的自由工程師能夠為建設航天強國和世界科技強國建功立業(yè)，創(chuàng)造更大的成就。同時也期待人類的太空探索事業(yè)能夠獲得更多民眾的參與和支持。

國際貨運飛船

作為一款發(fā)展最早、技術上最為成熟、改進型號最多、親眼見證了“禮炮”6號、“禮炮”7號、“和平”號和國際空間站等大型航天器的成長歷程的飛船，蘇聯(lián)/俄羅斯的“進步”號貨運飛船是值得我們送上祝福的。“進步”-M飛船的貨艙容積為7.6立方米（基本款進步號為6.6立方米），擁有2.6噸的上行貨運能力（基本款為2.5噸）。通過不斷改進其在軌飛行能由原來的自主飛行3天的能力躍升為自主飛行30天?！斑M步”號貨運飛船，展示了蘇聯(lián)太空探索技術的另外一面。在這里，對太空的向往不再是像N-1火箭那樣的近乎瘋狂，也不像“能源”火箭和“暴風雪”航天飛機那樣給人留下無限的唏噓與感慨。不再難以復制，也不再無法預知，“進步”號貨運飛船以她的157次發(fā)射和出色的任務表現(xiàn)把踏實肯干、低調靠譜的精神展示得淋漓盡致。

貨運版“龍”飛船是SpaceX公司接下NASA向國際空間站運送貨物大單的主要載具。其高7.2米（早期為6.1米），直徑3.7米，飛船增壓艙部分的外墻有1 5。的傾斜角。飛船的增壓艙體積1 1立方米，非增壓艙14立方米，貨艙容積共25立方米。能夠運載3.31噸載荷到國際空間站，還能夠從國際空間站帶回3噸貨物。

和傳統(tǒng)的貨運飛船一樣，“龍”飛船也依靠遍布周身的不同朝向的噴口在太空中進行姿軌控。龍飛船一共用了18臺姿態(tài)控制推進器。這是冗余設計思想的又一個體現(xiàn)（獵鷹9號火箭的一級9臺發(fā)動機也是冗余設計）。18臺推進器中，任意2臺出現(xiàn)故障，都不會明顯影響龍飛船的姿軌控能力，飛船可繼續(xù)安全地執(zhí)行任務。

歐洲的一款叫做自動運載器的飛船是曾經(jīng)在役的貨運飛船中個頭兒最大的。這個大圓桶長度9.794米，最大直徑4.481米，儼然就是一輛雙層巴士的大小。該飛船空重10.47噸，一次可將7.5噸重的物資運送到國際空間站。從外面看，展開了太陽能帆板的飛船，其“臂展”達到了22.281米，總面積達33.6平方米，可以為飛船提供4.8千瓦的電力。

一款貨運飛船能夠提升空間站宇航員的生活品質？答案是肯定的。歐洲自動運載器按設計，有4個用途：向空間站運送補給物資：提升國際空間站的軌道：充當空間站的附加活動室：返回時作為垃圾箱使用。這4項用途可以說每一項都與宇航員的生活品質息息相關。

HTV是日本獨立研制的無人貨運飛船，其主要任務是向國際空間站運送補給。在日本得知美國的航天飛機即將退役，而日本在國際空間站上的希望號艙段的實驗計劃與日俱增的情況下，日本對擁有自己的貨運飛船的渴望便愈發(fā)強烈。

2009年，HTV飛船的飛行試驗取得成功。該飛船基本上呈圓柱體外形，直徑4.4米，高約9.8米，空重10.5噸。HTV的上行載荷能力為6噸，約為俄羅斯進步號貨運飛船的2倍，比歐洲自動運載器（ATV）的7.5噸的運載能力和中國“天舟一號”6.5噸左右的運載能力略低。

邁向空間站時代

當貨運飛船技術成熟之后，我國將在201 8年發(fā)射空間站的核心艙段。在進行空間站在軌建造技術的驗證通過之后，陸續(xù)會有其他艙段與核心艙進行對接。在不久的將來，人們將會認識到大量具有新用途的中國制造的航天器。除了曾經(jīng)多次成功往返天地之間，贏得了“中國第一個載人飛船系列”的“神舟”載人飛船外，未來的中國空間站的每個艙段和貨運飛船也都有自己的名字和代號。其中，載人空間站命名為“天宮”，代號“TG”；貨運飛船命名為“天舟”，代號“TZ”。這兩種航天器已經(jīng)在近期的發(fā)射與實驗中為人們所熟知。而將在2020年至2022年之間完成建設的中國空間站則有著一系列新的名稱?？臻g站核心艙被命名為“天和”，代號“TH”；空間站實驗艙Ⅰ被命名為“問天”，代號“WT”；空間站實驗艙Ⅱ被命名為“巡天”，代號“XT”。建好的空間站將具備對接載人飛船和無人貨運飛船的能力，并且在航天員駐守在空間站的時候，載人飛船能夠與空間站一起長期運行在軌道上。建成的空間站整體呈“中”字，配備大型太陽能電池帆板，按照核心艙與實驗艙的重量通常在20噸以上來推算，建成后的中國空間站的重量應當不小于90噸。

另外，結合國際空間站的使用壽命和通常建成的空間站擁有10年左右的在軌運營時間來看，在2022年之后的幾年時間里，以中國的“天和”艙為核心的空間站或許會是那時候唯一一座在太空中正常運轉的可供宇航員長期在軌工作和生活的大型空間站。

向宇宙深處挺進

正在如火如荼地進行中的中國載人空間站計劃會讓中國航天在未來20年內在近地軌道上大有作為。而向更深遠的地方看去，中國探月工程也會給我們帶來更多的喜悅。中國探月工程目標明確，其進展也非常順利。在2003年3月1日正式啟動的中國探月工程（代號為“嫦娥工程”）有著一個歷時長達20年的長遠計劃。在這20年的時間里，中國航天人首先會發(fā)射繞月衛(wèi)星，繼而是發(fā)射無人探測裝置，實現(xiàn)月面軟著陸探測，然后運輸機器人上月球建立觀測點，最后實現(xiàn)采取月球上的樣本安全返回地球，這也就是人們經(jīng)常聽到的“繞”、“落”、“回”3個階段。在2007年，“嫦娥”1號對月球表面環(huán)境、地貌、地形、地質構成等進行了探測。隨后，“嫦娥”2號的環(huán)月觀測任務和“嫦娥”3號及其后續(xù)的“軟著陸”與月面巡視探測任務也已順利完成。

未來，我們期待新的“嫦娥”探測器會將月球上的土壤與巖石樣本采回地球。按照現(xiàn)在的樣子，最近2年以內，中國就會實現(xiàn)月壤的采樣返回項目，實現(xiàn)中國探月工程的完美收官。不過，實際上三步走的探月工程對于月球這顆目前距離地球最近的自然天體的探測來說，總是有些讓人意猶未盡的感覺。在擁有了更大推力的重型運載火箭之后，中國將不僅僅能夠把無人探測器送上月球，而是能夠把航天員甚至是大型基地建設設備運往月球并實現(xiàn)軟著陸。

由此看來，“繞”、“落”、“回”3步走的探月工程只是更大的月球相關項目中的第一個環(huán)節(jié)，我們不妨將視野放寬，大膽設想一個更為長遠的月球計劃：將“繞”、“落”、“回”3步走歸入一類，稱作“探”；將載人登月，由中國航天員在月球表面進行現(xiàn)場探索的計劃稱作“登”；把在月球上建立長期有人照料的基地的計劃稱作“駐”。那么，中國在走完“繞”、“落”、“回”這一系列步子相對較小的3步之后，緊接著就可以邁開大步向“登”和“駐”前進。在美國“重返月球”計劃的前景尚不明朗以及其他各國的載人登月項目還未能擁有正式啟動條件的情況下，一旦中國的登月計劃實現(xiàn)，那么中國航天員就有可能成為1972年12月11日人類最近一次登月之后最先返回月球的人。

再進一步考慮，如果計劃順利的話，中國或許還能夠成為世界上第一個在月球建立永久基地的國家。另外，當一枚火箭擁有了向月球運輸大型設備的能力的同時，也就意味著它具備了向火星發(fā)射探測器的潛力。在空間站中積累的太空長期工作生活的經(jīng)驗和在載人登月中掌握的超大型運載火箭的能力使得發(fā)射火星探測器乃至載人探測火星有了一定的可行性。而這一切計劃開始出現(xiàn)的場景，或許用不著大家等到2030年。

毫無疑問，中國航天取得了能夠引全世界為之矚目的成就，也擁有凝聚民族意志、激勵民族探索精神的重大意義。在探索人類未知和前沿科學的同時，航天的商業(yè)化也逐漸開始被人們廣泛關注。全球航天產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟總量已經(jīng)超過了3300億美元，其中，商業(yè)航天占比達76%。通信、導航和遙感成為商業(yè)航天中的3個重要組成部分。對于已經(jīng)進入航天技術發(fā)展第一梯隊的中國航天而言，技術上的蓬勃發(fā)展與商業(yè)中的巨大成功的結合有著更為深遠的意義。美國曾經(jīng)有一段時間因為限制商業(yè)航天的發(fā)展而讓歐空局的“阿麗亞娜”系列火箭取得了令人羨慕的商業(yè)成功。如今，美國已經(jīng)通過了相關法律，在衛(wèi)星通信、遙感和航天發(fā)射領域對私營企業(yè)開放。該政策使得SioaceX、軌道科學、藍色起源等公司逐漸崛起。美國開放的0.25米分辨率的遙感圖像對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的商業(yè)化起到了非常大的推動作用，帶動了相關產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展。技術轉移和政府采購的政策使得美國私人航天的發(fā)展有著良好的勢頭。

未來，中國航天的商業(yè)化將會采用怎樣的方式來進行，這有賴于政策制定和市場推動等多方面因素的影響。在《“十三五”規(guī)劃綱要》中提出的中國科技發(fā)展戰(zhàn)略里，“強化宇宙演化、物質結構、生命起源、腦與認知等基礎前沿科學研究。積極提出并牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程，建設若干國際創(chuàng)新合作平臺”被明確提出。而宇宙演化、生命起源等前沿科學的研究都是和航天密不可分的。

帶著對未來的憧憬和對未知的好奇心，我們期盼中國航天給大家?guī)砀嗟捏@喜。同時我們也相信中國航天有著承載重大科研使命，促進人類探索的能力。

責任編輯：邢強