空間站:邁向太空的人類探索

景海鵬 辛景民 胡 偉 鄧一兵 鄭南寧

離開地球,翱翔太空,探索宇宙一直是人類的渴望、向往和追求.經(jīng)過千百年的不懈嘗試和努力,伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,以智慧和勇于探險(xiǎn)的精神,人類終于在20 世紀(jì)實(shí)現(xiàn)了飛出地球搖籃的夢(mèng)想,開啟了探索太空的航程.作為承載這個(gè)夢(mèng)想的平臺(tái),空間站成為了人類邁向太空的重要基地.

航天之父、現(xiàn)代航天學(xué)和火箭理論奠基人之一的前蘇聯(lián)康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)在世界上第一部噴氣運(yùn)動(dòng)理論著作《利用噴氣工具研究宇宙空間》 (1903 年),現(xiàn)代火箭和航天先驅(qū)之一的德國(guó)赫爾曼·奧伯特(Hermann Oberth)在航天學(xué)經(jīng)典著作 《進(jìn)入行星際空間的火箭》 (1923 年)分別提出了近地軌道站的設(shè)想和空間站方案,并明確提出液體燃料火箭是實(shí)現(xiàn)航天的理想工具,系統(tǒng)地奠定了現(xiàn)代航天理論基礎(chǔ)[1?4].現(xiàn)代火箭技術(shù)之父美國(guó)羅伯特·戈達(dá)德(Robert Goddard)不僅發(fā)明了多級(jí)火箭和液體燃料火箭(1914 年),而且成功發(fā)射了世界上第一枚液體燃料火箭(1926 年),為人類太空探索提供了實(shí)用化技術(shù)手段.導(dǎo)彈之父、二十世紀(jì)著名航天先驅(qū)之一的德裔美籍科學(xué)家沃納·馮·布勞恩(Wernher von Braun)在 《進(jìn)入空間領(lǐng)域》 (1952 年)中也提出大型輪狀空間站設(shè)想,為空間站設(shè)計(jì)提供了思路.

1957 年10 月前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克l 號(hào)”(Sputnik 1),開啟了人類航天時(shí)代,邁向太空的探索成為人類發(fā)展的必然趨勢(shì).在前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)、歐盟和中國(guó)等許多國(guó)家的不懈努力下建設(shè)空間站、探索和開發(fā)太空已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí).到目前為止,全世界已經(jīng)發(fā)射了12 個(gè)各種類型的空間實(shí)驗(yàn)室/空間站,其中前蘇聯(lián)8 個(gè)、美國(guó)1 個(gè)和中國(guó)2 個(gè)都已退役,美國(guó)、俄羅斯等16 國(guó)共建的1 個(gè)目前在軌運(yùn)行.

1967 年聯(lián)合國(guó) 《關(guān)于各國(guó)探索和利用包括月球和其他天體的外層空間活動(dòng)所應(yīng)遵守原則的條約》 (即 《外空條約》)規(guī)定,外空探索和利用是全人類共同的事業(yè)并應(yīng)為全人類謀福利.《2016 年中國(guó)的航天》 白皮書明確指出,我國(guó)將繼續(xù)實(shí)施載人航天、月球探測(cè)等重大工程,深入開展空間科學(xué)研究,推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展,到2030 年左右我國(guó)將躋身世界航天強(qiáng)國(guó)行列.中國(guó)永久性空間站將于2022 年前后建成并投入使用,而且預(yù)計(jì)2024 年后隨著“國(guó)際空間站”的退役,屆時(shí)中國(guó)空間站將成為在太空運(yùn)行的唯一空間站[5].

1 空間站概述

1.1 空間站

空間站(Space station)(也稱為軌道站、軌道空間站)是一種可在繞地球近地軌道上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、支持人類長(zhǎng)期工作和生活的航天器.空間站不具備推進(jìn)或著陸系統(tǒng),需要依賴其他航天器完成地面與空間站間的人員和物資運(yùn)送.與人造衛(wèi)星、載人飛船、航天飛機(jī)等其他太空飛行航天器相比,空間站具有容積大、載人多、壽命長(zhǎng)、綜合利用程度高等優(yōu)點(diǎn),是人類進(jìn)入太空的重要基地.已退役的空間站包括禮炮(Salyut)系列(含金剛石(Almaz)軍用系列)(1971 年～ 1991 年)、“空間實(shí)驗(yàn)室”(Skylab)(1971 年～ 1979 年)、“和平號(hào)”(Mir)(1986 年～2001 年)和我國(guó)“天宮一號(hào)”（2011 年～ 2016 年）、“天宮二號(hào)”（2016 年～ 2019 年）等空間站或空間實(shí)驗(yàn)室,而目前在軌空間站是“國(guó)際空間站”(International Space Station,ISS)(1998 年至今,有人駐留).

大型空間站一般包括增壓的艙段(如居住艙、實(shí)驗(yàn)(工作)艙)、節(jié)點(diǎn)艙(如對(duì)接艙、連接艙)等重要部分,以及非增壓的有效載荷、桁架等連接件、太陽(yáng)能電池板、散熱器、機(jī)械臂系統(tǒng)、營(yíng)救設(shè)備等典型部件.同時(shí),為滿足航天員在太空工作和生活的多種需要,空間站必須具有許多特殊技術(shù)及系統(tǒng),例如環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(大氣環(huán)境控制、水處理、固廢處理、食物供給等)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、逃逸救生系統(tǒng)等重要分系統(tǒng),并涉及軌道選擇、飛行模式選擇、各分系統(tǒng)初始選擇等運(yùn)行和安全性問題,其中空間站建造和運(yùn)營(yíng)的核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括天地貨物補(bǔ)給、空間交會(huì)對(duì)接、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、載人環(huán)境控制與生命保障、航天員空間出艙、組合體控制以及在軌維修等.

空間站一般從結(jié)構(gòu)上可分為單模塊(或單艙)式空間站、多模塊(或多艙)式空間站兩種.前蘇聯(lián)“禮炮1 號(hào)”至“禮炮7 號(hào)”、美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”、我國(guó)“天宮一號(hào)”和“天宮二號(hào)”都屬于單模塊空間站,一般只有1 個(gè)艙段,可由火箭一次發(fā)射入軌,其中“禮炮6 號(hào)”和“禮炮7 號(hào)”為第二代實(shí)用型空間站,有兩個(gè)對(duì)接口,空間站壽命和航天員駐留時(shí)間較長(zhǎng).前蘇聯(lián)/俄羅斯的“和平號(hào)”空間站和多國(guó)共建的“國(guó)際空間站”屬于多模塊空間站,具有多個(gè)艙段,各模塊(艙段)由火箭分批送入軌道,然后在太空完成組裝,其中“和平號(hào)”為第一代多模塊空間站(即第三代空間站),由幾個(gè)艙段直接對(duì)接而成,而“國(guó)際空間站”為第二代多模塊空間站(即第四代空間站),采用桁架掛艙式構(gòu)型和艙段對(duì)接相結(jié)合組裝而成.這兩種永久性空間站具有航天員的生活和工作空間大、靈活性強(qiáng)、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),但技術(shù)復(fù)雜,運(yùn)行費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)高.

現(xiàn)在的空間站主要是一個(gè)在軌的多用途、人可介入的實(shí)驗(yàn)設(shè)施,可提供在地球上幾乎不存在或難以長(zhǎng)期保持同一狀態(tài)的特殊近地空間環(huán)境條件(例如,失重或微重力、真空、空間輻射、極端溫度等)以及特殊實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)平臺(tái),在科學(xué)研究、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等方面都有重大價(jià)值,對(duì)開展生命科學(xué)、生物技術(shù)、地球勘探、天文觀測(cè)、物理學(xué)、空間工程科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用具有不可替代的重要作用.

空間站不具有返回地面的功能,因此空間站建設(shè)離不開火箭和宇宙飛船,其中火箭是唯一能突破第一宇宙速度將宇宙飛船和空間站送入太空的人造航天運(yùn)載工具,而宇宙飛船是比航天飛機(jī)更簡(jiǎn)單的可往返地面和太空間的載人航天器.此外,航天員必須通過載人飛船或航天飛機(jī)與空間站交會(huì)對(duì)接才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)站生活和工作,其中空間交會(huì)對(duì)接是空間站技術(shù)發(fā)展的前提和關(guān)鍵.

1.2 國(guó)外太空競(jìng)爭(zhēng)簡(jiǎn)況

如圖1 所示,空間站經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程,其中前蘇聯(lián)和美國(guó)間的相互競(jìng)爭(zhēng)為人類太空探索做出了巨大貢獻(xiàn)[6].

圖1 國(guó)內(nèi)外載人航天發(fā)展大事記Fig.1 Memorabilia in the development of manned spaceflight in China and other countries

20 世紀(jì)50 年代起,前蘇聯(lián)、美國(guó)兩個(gè)超級(jí)大國(guó)展開了激烈的太空競(jìng)賽.1957 年10 月4 日前蘇聯(lián)成功發(fā)射了人類第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克l 號(hào)”(Sputnik 1)(重約84 公斤,直徑58 厘米,繞地1 440 圈,1958 年1 月4 日墜毀),從此引發(fā)前蘇聯(lián)和美國(guó)的激烈太空競(jìng)爭(zhēng)[7].1958 年1 月31 日美國(guó)也成功發(fā)射了其第一顆人造地球衛(wèi)星“探索者1 號(hào)”(Explorer 1)(重約14 公斤,直徑15 厘米,繞地58 000 圈,1970 年3 月31 日墜毀)[8],前蘇聯(lián)和美國(guó)的太空競(jìng)爭(zhēng)全面展開.美國(guó)于1958 年成立國(guó)家航空航天局(National Aeronauticsand Space Administration,NASA)并通過第一個(gè)載人航天計(jì)劃,而前蘇聯(lián)在掌握彈道導(dǎo)彈技術(shù)后也啟動(dòng)了載人航天飛行計(jì)劃.1961 年4 月12 日前蘇聯(lián)成功發(fā)射人類第一艘雙艙型載人飛船“東方1 號(hào)”(Vostok 1)(在距地約300 多公里的軌道上繞地球一周,歷時(shí)1 小時(shí)48 分鐘),實(shí)現(xiàn)了人類邁入太空的第一步,尤里·加加林(Yuri Gagarin)成為進(jìn)入太空第一人,從此前蘇聯(lián)和美國(guó)間的太空角逐進(jìn)入白熱化階段[9].1961 年5 月5 日美國(guó)成功發(fā)射單艙型飛船“自由7 號(hào)”(Freedom 7)(亞軌道飛行約15 分22 秒),艾倫·謝潑德(Alan Shepard)成為第一個(gè)進(jìn)入太空的美國(guó)人[10].1965 年3 月18 日前蘇聯(lián)成功發(fā)射第二代雙艙型載人飛船“上升2 號(hào)”(Voskhod 2),阿列克謝·列昂諾夫(Alexey Leonov)艙外活動(dòng)約12 分鐘,實(shí)現(xiàn)了人類首次太空行走[11].1966 年3 月16 日美國(guó)“雙子星座8 號(hào)”飛船與無人“阿金納”目標(biāo)飛行器成功手動(dòng)操作交會(huì)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)航天器之間的首次太空交會(huì)對(duì)接.1969 年7 月16 日美國(guó)成功發(fā)射了三艙型載人飛船“阿波羅1 1 號(hào)”(Apollo 11),內(nèi)爾·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和巴茲·奧爾德林(Buzz Aldrin)成為第一批踏上外星的人類,實(shí)現(xiàn)了人類登月的夢(mèng)想[12].至此前蘇聯(lián)、美國(guó)間的太空競(jìng)賽達(dá)到頂峰.

空間站能夠保障人類長(zhǎng)期在太空生活和工作,在后續(xù)激烈的太空競(jìng)賽中,前蘇聯(lián)和美國(guó)采取不同的技術(shù)途徑,實(shí)施了各具特色的載人航天計(jì)劃[13].1970 年前蘇聯(lián)在成功掌握載人飛船交會(huì)對(duì)接技術(shù)之后,專注于更實(shí)用的空間站和載人飛船的研發(fā),并實(shí)施了人類第一個(gè)空間站計(jì)劃 —“禮炮號(hào)計(jì)劃”[14].在1971 年4 月19 日成功發(fā)射了第一個(gè)空間站“禮炮1 號(hào)”之后,前蘇聯(lián)在隨后的15 年間發(fā)射了8 個(gè)空間站,其中3 個(gè)軍用空間站、5 個(gè)科研實(shí)驗(yàn)空間站,積累了遙遙領(lǐng)先于美國(guó)的空間站建設(shè)和運(yùn)行的豐富經(jīng)驗(yàn).盡管美國(guó)于1973 年5 月14 日成功發(fā)射了第一個(gè)“天空實(shí)驗(yàn)室”試驗(yàn)性載人空間站,但美國(guó)隨后選擇可重復(fù)使用的航天飛機(jī)作為太空發(fā)展重點(diǎn)[15].1981 年4 月12 日美國(guó)第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”首次飛行成功,在太空飛行54 小時(shí)、環(huán)繞地球飛行36 周之后安全著陸[16].

20 世紀(jì)90 年代,隨著前蘇聯(lián)解體和國(guó)際政治形勢(shì)變化,美國(guó)與俄羅斯兩國(guó)也開始了太空合作.1986 年2 月前蘇聯(lián)發(fā)射“和平號(hào)”空間站[17],隨后俄羅斯與美國(guó)在“和平號(hào)”空間站開展了國(guó)際合作.接著,美國(guó)與俄羅斯聯(lián)合其他14 個(gè)國(guó)家于1998 年開始共建“國(guó)際空間站”,并于2011 年完成最后組件安裝[18].“和平號(hào)”空間站、“國(guó)際空間站”是人類先后建設(shè)的兩個(gè)永久性大規(guī)?？臻g站.“和平號(hào)”空間站已于2001 年退役,“國(guó)際空間站”預(yù)計(jì)2024 年前后也將退役.而中國(guó)第一個(gè)大型模塊化永久性空間站將于2022 年前后建成并投入使用,屆時(shí)中國(guó)空間站將成為在太空運(yùn)行的唯一空間站.

2 國(guó)外空間站發(fā)展概況

2.1 前蘇聯(lián)及俄羅斯空間站

1)第一代空間站

禮炮號(hào)(Salyut)空間站是前蘇聯(lián)于20 世紀(jì)70 年代至80 年代實(shí)施的歷時(shí)最長(zhǎng)的一項(xiàng)低軌道載人航天計(jì)劃.因當(dāng)時(shí)尚未開展長(zhǎng)時(shí)間太空停留對(duì)人體影響以及可靠生命保障系統(tǒng)等相關(guān)研究工作,與美國(guó)跨越式發(fā)展方式不同,前蘇聯(lián)以循序漸進(jìn)的技術(shù)路線發(fā)射了7 個(gè)禮炮系列空間站,其中“禮炮1 號(hào)”至“禮炮5 號(hào)”空間站屬于第一代實(shí)驗(yàn)性空間站,“禮炮6 號(hào)”和“禮炮7 號(hào)”空間站則屬于以搭積木方式建設(shè)的第二代實(shí)用性空間站[19?31].

“禮炮1 號(hào)”空間站于1971 年4 月19 日發(fā)射,1971 年10 月11 日墜毀,在軌175 天,繞地2 929 圈,飛行距離約1.19 億公里.如圖2 所示,它由軌道艙、服務(wù)艙和對(duì)接艙組成,包括主控制系統(tǒng)、方位與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)與機(jī)動(dòng)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)等,并裝有各種試驗(yàn)、照相攝影和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等設(shè)備,可居住6 名航天員.在軌期間,“禮炮1 號(hào)”空間站與“聯(lián)盟11 號(hào)”飛船成功對(duì)接,3 位航天員進(jìn)入空間站工作和生活24 天,完成了植物種植等一系列醫(yī)學(xué)和科學(xué)實(shí)驗(yàn).“禮炮1 號(hào)”空間站標(biāo)志著載人航天已經(jīng)從規(guī)模較小、飛行時(shí)間較短的載人飛船進(jìn)入規(guī)模較大、運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的空間應(yīng)用探索試驗(yàn)階段,也為后續(xù)的空間站建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).

此后至1977 年前蘇聯(lián)又相繼發(fā)射了4 個(gè)第一代空間站,具體如下:

“禮炮2 號(hào)”(即第一艘金剛石軍用空間站(Almaz military space station)),1973 年4 月3 日發(fā)射,1973 年5 月28 日墜毀,在軌54 天,繞地866 圈,飛行距離約3.5 千萬公里,無航天員進(jìn)站.

圖2 “禮炮1 號(hào)”空間站Fig.2 “Salute 1”space station

“禮炮3 號(hào)”(即第二艘金剛石軍用空間站),1974 年6 月25 日發(fā)射,1975 年1 月24 日墜毀,在軌213 天,與“聯(lián)盟14 號(hào)”載人飛船成功對(duì)接1 次,1 名航天員進(jìn)站工作15 天.

“禮炮4 號(hào)”,1974 年12 月26 日發(fā)射,1977 年2 月2 日墜毀,在軌770 天,繞地12 444 圈,飛行距離約3.14 億公里,與“聯(lián)盟17 號(hào)”、“聯(lián)盟18 號(hào)”載人飛船成功對(duì)接2 次、無人飛船1 次,2 批4 名航天員進(jìn)站合計(jì)工作92 天.

“禮炮5 號(hào)”(即第三艘金剛石軍用空間站),1976 年6 月22 日發(fā)射,1977 年8 月28 日墜毀,在軌412 天,繞地6 666 圈,飛行距離約2.7 億公里,與“聯(lián)盟23 號(hào)”、“聯(lián)盟24 號(hào)”載人飛船成功對(duì)接2 次,2 批4 名航天員進(jìn)站合計(jì)工作67 天.

這些空間站都屬于試驗(yàn)性質(zhì)的第一代空間站,只配備了一個(gè)對(duì)接口,每次只可與一艘“聯(lián)盟號(hào)”系列飛船對(duì)接,儀器設(shè)備和主要物品需要發(fā)射前裝入空間站內(nèi).因此這些空間站所攜帶的有限的氧氣、燃料和食品等物資無法得到及時(shí)地補(bǔ)充,不僅制約了航天員空間站駐留時(shí)間,也限制了空間站在軌運(yùn)行壽命.第一代空間站的在軌時(shí)間雖然短暫,但相比其他航天器有了較大的進(jìn)步,而且這些試驗(yàn)性空間站的建造與運(yùn)行為前蘇聯(lián)建造永久性空間站積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn),包括催生了空間微重力材料學(xué)學(xué)科、植物種植實(shí)驗(yàn)等.

2)第二代空間站

以第一代空間站經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),通過改進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度提高安全性和可靠性以及減輕航天員工作強(qiáng)度,同時(shí)增加飛船對(duì)接口以提高空間站在軌運(yùn)行壽命和擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域,前蘇聯(lián)研制了容積更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的空間站“禮炮6 號(hào)”和“禮炮7 號(hào)”.特別是,具備2 個(gè)對(duì)接口將載人與運(yùn)貨分開,可與“聯(lián)盟號(hào)”系列載人飛船和“進(jìn)步號(hào)”無人貨運(yùn)飛船同時(shí)對(duì)接,提高了燃料、水、食物和其他消耗品等物資的補(bǔ)給能力和實(shí)驗(yàn)設(shè)備與物品的運(yùn)輸能力,延長(zhǎng)了空間站壽命和航天員在軌時(shí)間.同時(shí),搭載了可確保生活和科研電源供應(yīng)的三塊太陽(yáng)能電池板、當(dāng)時(shí)先進(jìn)的多光譜望遠(yuǎn)鏡或X 射線探測(cè)系統(tǒng),并增加了醫(yī)療設(shè)備和鍛煉器材.從此前蘇聯(lián)空間站從基本工程研制向?qū)嵱眯娃D(zhuǎn)變.

“禮炮6 號(hào)”空間站于1977 年9 月29 日發(fā)射,1982 年7 月29 日墜毀,在軌1 764 天,繞地28 024 圈,飛行距離約11 億公里.“禮炮6 號(hào)”由過渡艙、工作艙和中間室等3 個(gè)密封壓力艙以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器艙和兩個(gè)非密封艙組成,并具有2 個(gè)對(duì)接口、變軌發(fā)動(dòng)機(jī)以及太空燃料補(bǔ)給能力等.在軌期間,“禮炮6 號(hào)”先后成功對(duì)接19 艘“聯(lián)盟號(hào)”飛船、4 艘“聯(lián)盟T 號(hào)”飛船和12 艘“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船,共有前蘇聯(lián)、波蘭、東德、古巴等9 個(gè)國(guó)家16 批合計(jì)33 名航天員進(jìn)站工作683 天,出艙活動(dòng)3 次,其中兩名航天員列奧尼德·波波夫(Leonid Popov)和瓦列里·柳明(Valery Ryumin)創(chuàng)造185 天飛行記錄.特別是,“禮炮6 號(hào)”空間站成功對(duì)接“宇宙1267”(Kosmos 1267)無人空間艙并對(duì)接飛行458 天,為建設(shè)模塊式的“和平號(hào)”空間站提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).航天員們完成了科學(xué)觀測(cè)遙感、植物栽培試驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間材料加工等大量任務(wù),取得了一系列成果,積累了豐富的載人飛行經(jīng)驗(yàn).

“禮炮7 號(hào)”空間站是典型的第二代空間站,也是前蘇聯(lián)禮炮系列的最后一個(gè)空間站,1982 年4 月19 日發(fā)射,1991 年2 月7 日墜毀,在軌3 216 天,繞地51 917 圈,飛行距離約21 億公里.如圖3 所示,“禮炮7 號(hào)”構(gòu)造和功能與“禮炮6 號(hào)”基本類似,并配備了專用維修工具.“禮炮7 號(hào)”先后成功對(duì)接9 艘“聯(lián)盟號(hào)T”飛船、12 艘“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船和2 個(gè)空間站艙體,前蘇聯(lián)、法國(guó)和印度的12 批31 名航天員進(jìn)入站工作816 天,其中三名航天員列昂尼德·基齊姆(Leonid Kizim)、弗拉基米爾·索洛維約夫(Vladimir Solovyov)和奧列格·阿特科夫(Oleg Atkov)創(chuàng)造了237 天飛行記錄.在軌期間,航天員進(jìn)行了120 多項(xiàng)實(shí)驗(yàn),出艙活動(dòng)13 次,對(duì)“禮炮7 號(hào)”實(shí)施了部件更換和修復(fù)工作,提高了空間站的可靠性,延長(zhǎng)了飛行壽命.前蘇聯(lián)第二名女航天員斯韋特蘭娜·薩維茨卡婭(Svetlana Savitskaya)兩次進(jìn)入“禮炮7 號(hào)”,并于1984 年7 月成為人類第一個(gè)太空行走的女性[31].

圖3 “禮炮7 號(hào)”空間站Fig.3 “Salute 7”space station

第二代艙段式實(shí)用性空間站外形簡(jiǎn)單,不需復(fù)雜的在軌對(duì)接組合或裝配等過程,每個(gè)艙段都帶有獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電系統(tǒng),具有風(fēng)險(xiǎn)和難度較小,安全性較高等特點(diǎn).但空間站規(guī)模小,各種載荷安裝十分緊湊,不僅限制了有效載荷規(guī)模,也增加了故障修理的難度.另外,不同艙段太陽(yáng)能電池的相互遮擋也十分嚴(yán)重.第二代空間站為后續(xù)的“和平號(hào)”和“國(guó)際空間站”積累了建設(shè)經(jīng)驗(yàn),而且“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船和“進(jìn)步號(hào)”無人貨運(yùn)飛船也為后續(xù)的空間站大量的人員和物資往返運(yùn)輸提供保障.

3)第三代空間站

在“禮炮”系列第一代、第二代空間站成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,前蘇聯(lián)建造了首個(gè)第三代長(zhǎng)久性模塊化的“和平號(hào)”空間站,標(biāo)志著前蘇聯(lián)空間站的新階段,其目的就是在太空中提供一個(gè)大型且可居住的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室[32].1986 年2 月20 日空間站核心艙發(fā)射,1996 年4 月完成所有組件安裝,2001 年3 月23 日墜毀,在軌5 510 天,有人駐留4 592 天,繞地86 331 圈,前蘇聯(lián)解體后歸俄羅斯所有.

如圖4 所示,“和平號(hào)”空間站采用組合式積木結(jié)構(gòu),其核心艙是一個(gè)基于第二代空間站設(shè)計(jì)的艙段結(jié)構(gòu),由增壓工作艙、球形增壓轉(zhuǎn)移艙(有徑向1 個(gè)、側(cè)部對(duì)稱4 個(gè)等5 個(gè)對(duì)接口)、不增壓服務(wù)動(dòng)力艙和增壓轉(zhuǎn)移對(duì)接器(有1 個(gè)對(duì)接口)等4 個(gè)基本功能部分和6 個(gè)對(duì)接口組成.在核心艙發(fā)射后的10 余年間,前蘇聯(lián)為核心艙增加了量子1 號(hào)(Kvant-1)天體物理實(shí)驗(yàn)艙(1987 年4 月)、量子2 號(hào)增強(qiáng)服務(wù)艙(1989 年11 月)和晶體號(hào)(Kristall)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展艙(可對(duì)接美國(guó)航天飛機(jī))(1990 年5 月)等3 個(gè)艙段,俄羅斯為核心艙增加了光譜號(hào)(Spektr)電源艙(1995 年5 月)、航天飛機(jī)對(duì)接艙(1995 年11 月)、自然號(hào)(Priroda)地球遙感艙(1996 年4 月)等3 個(gè)艙段,“和平號(hào)”空間站的功能艙不斷增加、規(guī)模逐步擴(kuò)大.1996 年4 月整個(gè)“和平號(hào)”空間站全部組裝完成,可與“聯(lián)盟號(hào)”載人飛船、“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船組成一個(gè)軌道聯(lián)合體,成為當(dāng)時(shí)最龐大的太空設(shè)施,全長(zhǎng)約87 米,總重約130 噸(與航天飛機(jī)對(duì)接時(shí)則重200 多噸),有效容積約470 立方米.

圖4 “和平號(hào)”空間站Fig.4 “Mir”space station

隨著蘇聯(lián)的解體和太空競(jìng)賽的結(jié)束,擁有豐富載人航天和空間站建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的俄羅斯和擁有強(qiáng)大經(jīng)濟(jì)與科技實(shí)力的美國(guó)于1993 年推出了“和平號(hào)航天飛機(jī)”計(jì)劃(Shuttle-Mir Program),“和平號(hào)”也成為兩國(guó)第一次大規(guī)模太空技術(shù)合作交流的舞臺(tái)[33].在軌15 余年間,先后與1 艘“聯(lián)盟T”載人飛船、29 艘“聯(lián)盟TM”載人飛船,64 艘“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船對(duì)接,9 次與美國(guó)航天飛機(jī)對(duì)接并聯(lián)合飛行.除3 次短期無人駐留外,前蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本等12 個(gè)國(guó)家、104 名航天員(其中11 人女性,1 名日本太空記者)、137 人次進(jìn)站,實(shí)施了80 次太空行走,完成了24 個(gè)國(guó)際性科研計(jì)劃和約22 000 次科學(xué)實(shí)驗(yàn)[34?37].俄羅斯航天員瓦列里·波利雅科夫(Valeri Polyakov)創(chuàng)造了太空連續(xù)駐留438 天的世界紀(jì)錄,謝爾蓋·阿夫杰耶夫(Sergei Avdeyev)先后3 次進(jìn)入“和平號(hào)”累計(jì)駐留748 天,美國(guó)女航天員香農(nóng)·露西德(Shannon Lucid)創(chuàng)造女性太空飛行188 天的最高記錄.

“和平號(hào)”誕生于激烈的太空競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期,研制上陣倉(cāng)促,在設(shè)計(jì)和技術(shù)上存在著不同程度的問題(例如供電嚴(yán)重不足、天地往返輸送能力不足、姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良、振源多振動(dòng)大、天地聯(lián)系不順暢等),而且后期因超設(shè)計(jì)壽命飛行,部件老化嚴(yán)重,運(yùn)行和維修耗資巨大,運(yùn)行效率較低,故障頻繁.另一方面,“和平號(hào)”的多模塊組合方式提高了空間站建設(shè)的操作靈活性,減少了對(duì)單個(gè)非常強(qiáng)大運(yùn)載火箭的依賴.20 世紀(jì)90 年代俄羅斯和美國(guó)間的太空合作,也為后期“國(guó)際空間站”建設(shè)積累了豐富經(jīng)驗(yàn).“和平號(hào)”作為當(dāng)時(shí)體積最大、應(yīng)用技術(shù)最先進(jìn)、設(shè)施最完善、在軌時(shí)間最長(zhǎng)的空間站,在生物學(xué)、人類生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、氣象學(xué)和航天器系統(tǒng)等方面中進(jìn)行了大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和許多有益探索,取得了大量數(shù)據(jù)和具有重大實(shí)用價(jià)值的成果,為太空探索積累了豐富的經(jīng)驗(yàn).

2.2 美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室

“天空實(shí)驗(yàn)室”是美國(guó)第一個(gè)試驗(yàn)性空間站,屬于第一代非永久試驗(yàn)性空間站(僅有一個(gè)對(duì)接口,無法進(jìn)行貨運(yùn)補(bǔ)給,無在軌推進(jìn)系統(tǒng)).1973 年5 月14 日核心部件發(fā)射,1979 年7 月11 日墜毀,在軌2 249 天,繞地34 981 圈,飛行距離約14 億公里[38].

圖5 “天空實(shí)驗(yàn)室”空間站Fig.5 “Skylab”space station

如圖5 所示,“天空實(shí)驗(yàn)室”全長(zhǎng)36 米,直徑6.7 米,重約80 噸,由軌道工作艙、過渡艙(氣閘艙)、多用途對(duì)接艙、太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡和“阿波羅”飛船5 部分組成.其中,工作艙是航天員主要工作和生活艙室,太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡是天空實(shí)驗(yàn)室上的一個(gè)天文臺(tái),可拍攝太陽(yáng)的紫外光線和X 射線等.“天空實(shí)驗(yàn)室”是通過兩次發(fā)射的核心部件與飛船在軌對(duì)接構(gòu)成的完整空間站,其中核心部件(包括工作艙、過渡艙、對(duì)接艙、太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡)于1973 年5 月發(fā)射,“阿波羅”飛船分別于1973 年5 月、7 月和11 月發(fā)射(稱為天空實(shí)驗(yàn)室—2、3、4).在軌運(yùn)行期間,3 批9 名航天員進(jìn)站分別工作28 天、59 天和84 天(合計(jì)171 天),共進(jìn)行約300 項(xiàng)有關(guān)生命科學(xué)、天文觀測(cè)、材料科學(xué)、資源勘探等實(shí)驗(yàn),取得了豐富的科研成果,并進(jìn)行了與軍事相關(guān)任務(wù).

2.3 國(guó)際空間站

20 世紀(jì)90 年代隨著太空競(jìng)賽的結(jié)束,1998 年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)、俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roscosmos)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)、加拿大國(guó)家航天局(CSA)、歐洲航天局(ESA)和巴西航天局(AEB)等6 家空間機(jī)構(gòu)啟動(dòng)“國(guó)際空間站”合作,美國(guó)、俄羅斯聯(lián)合歐洲航天局11 個(gè)國(guó)家(德國(guó)、法國(guó)、意大利、西班牙、荷蘭、比利時(shí)、丹麥、挪威、瑞典、瑞士和英國(guó))以及日本、加拿大和巴西等16 個(gè)國(guó)家聯(lián)合分工建設(shè)“國(guó)際空間站”(因美國(guó)反對(duì),中國(guó)被排除在外).“國(guó)際空間站”是歷史上最大的國(guó)際科技合作項(xiàng)目和最雄心勃勃的太空探索項(xiàng)目,其主要目的就是建設(shè)一個(gè)低地球軌道的實(shí)驗(yàn)室、觀測(cè)臺(tái)和工廠,并為未來可能的月球、火星和小行星探索任務(wù)提供運(yùn)輸、維護(hù)以及中轉(zhuǎn)基地.“國(guó)際空間站”設(shè)計(jì)壽命為10 至15 年,指揮和控制由美國(guó)和俄羅斯雙方分擔(dān),1998 年11 月20 日主體核心艙發(fā)射,2011 年12 月完成所有組件安裝,截至2018 年8 月4 日已在軌19 年8 月15 天、有人駐留17 年2 月9 天、繞地86 331 圈[39?40].

如圖6 所示,作為第四代和長(zhǎng)期載人空間站,“國(guó)際空間站”采用桁架掛艙式構(gòu)型,擁有幾十個(gè)艙段和大型構(gòu)件,主要包括航天員居住艙、實(shí)驗(yàn)艙、服務(wù)艙、對(duì)接過渡艙、桁架、太陽(yáng)能電池等部分,其中以組裝式桁架為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),各種增壓艙和服務(wù)設(shè)施掛靠在桁架上.這種結(jié)構(gòu)既可保證空間站剛度,又不影響各子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等的工作性能,也便于設(shè)備裝配和維修.“國(guó)際空間站”被分為俄羅斯軌道段(ROS)和美國(guó)軌道段(USOS)兩個(gè)主要部分,USOS(包含歐洲和日本的艙段)中各個(gè)艙段統(tǒng)一使用桁架上的太陽(yáng)能電池和散熱器,基本不包含動(dòng)力系統(tǒng),而ROS (即最早建成的部分)中每個(gè)艙段擁有獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)和太陽(yáng)能電池.

“國(guó)際空間站”第一個(gè)組件“曙光號(hào)”功能艙(Zarya)由俄羅斯于1998 年11 月20 日發(fā)射,利用航天飛機(jī)和無人貨運(yùn)飛船先后將太空艙、太陽(yáng)能電池板、支持設(shè)備等各種模塊和補(bǔ)給品等運(yùn)送到空間站,再通過航天員太空活動(dòng)和操縱機(jī)械臂進(jìn)行組裝,“國(guó)際空間站”于2011 年12 月完成最后1 個(gè)組件的安裝.建成后的國(guó)際空間站結(jié)構(gòu)復(fù)雜,規(guī)模龐大,其中包括俄羅斯“科學(xué)號(hào)”(Nauka)(待發(fā)射)、美國(guó)“命運(yùn)號(hào)”(Destiny)(兼國(guó)際空間站的指揮和控制中心)、歐洲航天局“哥倫布”(Columbus)、日本“希望號(hào)”(Kibo)等4 個(gè)實(shí)驗(yàn)艙;“團(tuán)結(jié)號(hào)”(Unity)、“和諧號(hào)”(Harmony)、“寧?kù)o號(hào)”(Tranquility)等3 個(gè)連接艙;美國(guó)部分“尋求號(hào)”(Quest),俄羅斯部分“碼頭號(hào)”(Pirs)、“研究號(hào)”(Poisk)等3 個(gè)氣閘艙;加拿大2 號(hào)(Canadarm 2)、加拿大靈巧號(hào)(Dextre)、日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂(JEM RMS)、歐洲航天局機(jī)械臂(ERA)(待發(fā)射)、德國(guó)Rokviss (待發(fā)射)等機(jī)械臂;“星辰號(hào)”服務(wù)艙(Zvezda)(俄羅斯建造的核心艙,由過渡艙、生活艙和工作艙等3 個(gè)密封艙和1 個(gè)非密封艙組成,有4 個(gè)對(duì)接口,可對(duì)接載人飛船或貨運(yùn)飛船)、“曙光號(hào)”功能艙(俄羅斯建造的基本艙,可連接空間站的各實(shí)驗(yàn)室和航天員的生活艙)以及對(duì)接艙、“萊昂納多號(hào)”儲(chǔ)物艙(Leonardo)、希望號(hào)后勤儲(chǔ)物艙、黎明號(hào)中轉(zhuǎn)艙(Rassvet)、穹頂艙(Cupola)以及阿爾法磁譜儀(AMS),多個(gè)大型桁架、外部?jī)?chǔ)物平臺(tái)、散熱器、太陽(yáng)能電池板等各國(guó)研制的眾多組件.建成后國(guó)際空間站寬108.5 米,長(zhǎng)88 米,高44 米,重約400 噸,軌道周期為91 分鐘.

圖6 “國(guó)際空間站”Fig.6 “International Space Station”

截至2018 年8 月4 日,美國(guó)“發(fā)現(xiàn)號(hào)”、“奮進(jìn)號(hào)”、“亞特蘭蒂斯號(hào)”等航天飛機(jī)(2011 年7 月以前)、俄羅斯“進(jìn)步M 號(hào)”、歐洲航天局自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器(ATV)、日本HTV“白鸛號(hào)”以及美國(guó)“獵戶座”、“龍”(Dragon)等貨運(yùn)無人飛船等共110 次飛行完成大量設(shè)備等物資的天地運(yùn)送,通過36 次美國(guó)航天飛機(jī)(2011 年7 月以前)和56 次俄羅斯“聯(lián)盟TM 號(hào)”、“聯(lián)盟TMA 號(hào)”載人飛船共92 次太空飛行,美國(guó)、俄羅斯、日本、加拿大、意大利、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等18 個(gè)國(guó)家、235 名航天員(其中34 名女性,7 名游客)、405 人次進(jìn)入空間站,實(shí)施了出艙活動(dòng)211 次安裝和維修設(shè)備以及科研實(shí)驗(yàn)[41?46].在近20 年間,“國(guó)際空間站”作為一個(gè)微重力和空間環(huán)境研究實(shí)驗(yàn)室和開發(fā)太空資源的國(guó)際合作平臺(tái),航天員在生物學(xué)、人類生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、氣象學(xué)和其他領(lǐng)域進(jìn)行各種各樣的實(shí)驗(yàn).俄羅斯航天員根納季·帕達(dá)爾卡(Gennady Padalka)先后5 次進(jìn)入“國(guó)際空間站”,創(chuàng)造879 天的世界太空記錄.“國(guó)際空間站”已成為太空開發(fā)國(guó)際合作的標(biāo)志.

3 中國(guó)載人飛船與空間站的建設(shè)

3.1 發(fā)展規(guī)劃

如前所述,一般載人航天分2 種途徑:以載人飛船為載人飛行器(前蘇聯(lián)為代表)或以航天飛機(jī)為載人飛行器(美國(guó)為代表).我國(guó)也選擇以載人飛船來發(fā)展載人航天.我國(guó)航天事業(yè)始于1956 年,1970 月4 月成功發(fā)射“東方紅一號(hào)”人造衛(wèi)星,1975 年11 月成功發(fā)射并回收了第一顆返回式衛(wèi)星.隨后,各種類型的衛(wèi)星相繼研制和發(fā)射成功,以及長(zhǎng)征二號(hào)等捆綁式大推力運(yùn)載火箭及發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火控制技術(shù)相繼取得巨大進(jìn)展,為我國(guó)載人航天打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)研究基礎(chǔ),積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)并提供了強(qiáng)有力的保障.

1992 年9 月我國(guó)載人航天工程(代號(hào)“921 工程”)正式實(shí)施,并確定“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略:第一步,發(fā)射載人飛船,建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程,開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn);第二步,突破載人飛船和空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù),發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室,解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題;第三步,建造空間站,解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問題.2005 年2 月,中央批準(zhǔn)實(shí)施載人航天工程第二步第一階段任務(wù),其主要任務(wù)目標(biāo)為:1)實(shí)施航天員出艙活動(dòng),突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù);2)實(shí)施航天器交會(huì)對(duì)接任務(wù),突破和掌握航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù);3)開展有效的空間應(yīng)用、空間科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn);4)為工程進(jìn)一步的發(fā)展創(chuàng)造基本條件.

2010 年9 月我國(guó)空間發(fā)展計(jì)劃 — 《載人空間站工程實(shí)施方案》 正式獲批,中國(guó)空間站計(jì)劃(China Space Station Plan)正式啟動(dòng)實(shí)施,其中明確我國(guó)空間站工程的戰(zhàn)略目標(biāo)是:在2020 年前后,建成和運(yùn)營(yíng)近地空間站,使我國(guó)成為獨(dú)立掌握近地空間長(zhǎng)期載人飛行技術(shù),具備長(zhǎng)期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國(guó)家.我國(guó)載人空間站(簡(jiǎn)稱中國(guó)空間站)是一個(gè)在軌組裝而成的具有中國(guó)特色的空間站系統(tǒng),預(yù)計(jì)于2022 年左右建成,計(jì)劃在軌運(yùn)營(yíng)10 年以上,將成為中國(guó)空間科學(xué)和新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)的重要基地,開展科學(xué)研究和太空實(shí)驗(yàn),促進(jìn)中國(guó)空間科學(xué)研究進(jìn)入世界先進(jìn)行列,為人類文明發(fā)展進(jìn)步做出貢獻(xiàn).

如圖1 所示,從1999 年起我國(guó)載人航天工程通過發(fā)射11 艘神舟系列無人和載人飛船、1 艘天舟系列貨運(yùn)飛船以及2 個(gè)天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室,先后實(shí)現(xiàn)了從無人飛行到載人飛行,從一人一天到多人多天,從艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)到出艙活動(dòng),從單個(gè)飛行器飛行到兩個(gè)航天器交會(huì)對(duì)接等一系列重大突破,分別完成了我國(guó)載人航天工程的第一步“突破和掌握載人的天地往返技術(shù)”(1999 年～ 2005 年,即“神舟一號(hào)”～“神舟六號(hào)”)、第二步“掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)及建立空間實(shí)驗(yàn)室”(2008 年～ 2017 年,即“神舟七號(hào)”～“天舟一號(hào)”).其中,第二步中的空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)階段主要由“天宮二號(hào)”、“神舟十一號(hào)”載人飛船和“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船等飛行任務(wù)組成.

3.2 載人飛船建設(shè)歷程

與前蘇聯(lián)的“東方號(hào)”、“上升號(hào)”,美國(guó)的“水星號(hào)”、“雙子星”號(hào)所采用的兩艙設(shè)計(jì)相比,我國(guó)的神舟系列飛船一般采用三艙一段,即由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙和附加段組成.其中軌道艙是一個(gè)圓柱體,長(zhǎng)約2.8 米,最大直徑約2.3 米,一端與返回艙相通,另一端可連接空間對(duì)接機(jī)構(gòu),飛船入軌后作為航天員生活和工作的空間,返回艙返回后可繼續(xù)留軌利用,這也是我國(guó)飛船的特色;返回艙(即座艙)呈鐘形密閉結(jié)構(gòu),長(zhǎng)約2 米,直徑約2.4 米,前端有艙門,也是飛船的指揮控制中心;推進(jìn)艙(即儀器艙或設(shè)備艙)呈圓柱形,長(zhǎng)約3 米,直徑約2.5 米,底部直徑約2.8 米,安裝推進(jìn)系統(tǒng)、電源、軌道制動(dòng),并為航天員提供氧氣和水;附加段(即過渡段)主要用于與其他飛船或空間站交會(huì)[47].

1)“神舟一號(hào)”:實(shí)現(xiàn)天地往返重大突破

1999 年11 月20 日我國(guó)第一艘無人試驗(yàn)飛船“神舟一號(hào)”發(fā)射,飛行約21 小時(shí)11 分,繞地14 圈,11 月21 日返回.飛船由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成.作為我國(guó)載人航天工程的首次飛行,此次飛行不僅驗(yàn)證了飛船關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及包括發(fā)射、測(cè)控通信、著陸回收等在內(nèi)的整個(gè)工程大系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)性,而且標(biāo)志著我國(guó)在載人航天飛行技術(shù)上有了重大突破,成為中國(guó)航天史上的重要里程碑.

2)“神舟二號(hào)”:第一艘正樣無人飛船

2001 年1 月10 日“神舟二號(hào)”飛船發(fā)射,飛行約162 小時(shí)22 分,繞地108 圈,1 月16 日返回.飛船由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成,是我國(guó)第一艘正樣無人飛船,其技術(shù)狀態(tài)與載人飛船基本一致,完全按照載人飛船的環(huán)境和條件進(jìn)行發(fā)射.在軌期間,首次進(jìn)行了微重力環(huán)境下的生命科學(xué)、材料、天文和物理等實(shí)驗(yàn).“神舟二號(hào)”標(biāo)志著我國(guó)向?qū)崿F(xiàn)載人航天飛行邁出了重要一步.

3)“神舟三號(hào)”:搭載模擬人

2002 年3 月25 日“神舟三號(hào)”飛船發(fā)射,飛行約162 小時(shí)39 分,繞地108 圈,4 月1 日返回.“神舟三號(hào)”是一艘飛船技術(shù)狀態(tài)與載人狀態(tài)完全一致的正樣無人飛船,由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙和附加段組成,搭載了人體代謝模擬裝置、擬人生理信號(hào)設(shè)備以及模擬人,具備了航天員逃逸和應(yīng)急救生功能.飛行期間,完成了空間生命、空間材料科學(xué)等實(shí)驗(yàn)和探測(cè)任務(wù).“神舟三號(hào)”標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程取得重要進(jìn)展,為載人太空飛行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

4)“神舟四號(hào)”:創(chuàng)低溫發(fā)射記錄

2002 年12 月30 日“神舟四號(hào)”發(fā)射,飛行約162 小時(shí)36 分,繞地108 圈,2003 年1 月5 日返回.該飛船是第一艘可載人的處于無人狀態(tài)的飛船,由推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙和附加段組成,并搭載模擬人.此次飛行完成了對(duì)地觀測(cè)、材料科學(xué)、生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間天文和空間環(huán)境探測(cè)等任務(wù),也是在無人狀態(tài)下最全面的一次飛行試驗(yàn),標(biāo)志著中國(guó)向?qū)崿F(xiàn)載人飛行又邁出了重要一步,為最終實(shí)現(xiàn)載人飛行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

5)“神舟五號(hào)”:我國(guó)首位航天員進(jìn)太空

2003 年10 月15 日我國(guó)第一艘載人飛船“神舟五號(hào)”發(fā)射,飛行約21 小時(shí)28 分,繞地14 圈,10 月16 日返回,航天員楊利偉成為第一位進(jìn)入太空的中國(guó)人.飛船由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙和附加段組成,主要考察航天員在太空環(huán)境中的適應(yīng)性.此次飛行實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次載人航天飛行,標(biāo)志著我國(guó)成為繼蘇／俄、美之后世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國(guó)家,標(biāo)志著我國(guó)載人航天事業(yè)邁出了關(guān)鍵的一步,是我國(guó)航天發(fā)展史上的一座重要的里程碑.

6)“神舟六號(hào)”:實(shí)現(xiàn)“二人多天”飛行任務(wù)

2005 年10 月12 日我國(guó)第二艘載人飛船“神舟六號(hào)”發(fā)射,飛行約115 小時(shí)33 分,繞地77 圈,10 月17 日返回艙返回,航天員費(fèi)俊龍、聶海勝進(jìn)入太空.飛船是我國(guó)第一艘執(zhí)行“多人多天”任務(wù)的載人飛船,由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成,取消了附加段.較以前飛船相比,增加了食物、水等生活物資量,提高了返回艙的環(huán)境控制能力和安全性,改進(jìn)完善了軌道艙的生活功能.航天員進(jìn)入軌道艙進(jìn)行空間科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)的操作,完成了我國(guó)首次真正意義上有人參與的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn).此外,航天員返回后軌道艙留軌運(yùn)行了707 天,繼續(xù)開展了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn),為長(zhǎng)壽命空間飛行器的研制積累了經(jīng)驗(yàn).此次飛行標(biāo)志著我國(guó)多項(xiàng)載人航天技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平和我國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略第一步的順利完成.

7)“神舟七號(hào)”:首次出艙太空行走

2008 年9 月25 日我國(guó)第三艘載人飛船“神舟七號(hào)”發(fā)射,飛行約68 小時(shí)30 分鐘,繞地45 圈,9 月28 日返回,航天員翟志剛、劉伯明和景海鵬進(jìn)入太空.飛船由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙構(gòu)成,攻克了氣閘艙和艙外航天服等核心技術(shù)難關(guān).此次飛行實(shí)現(xiàn)了中國(guó)航天員首次空間出艙活動(dòng)(2008 年9 月25 日),翟志剛成為第一位出艙太空行走的中國(guó)人.飛行期間開展衛(wèi)星伴飛、衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼等空間科學(xué)和技術(shù)試驗(yàn).此次飛行標(biāo)志我國(guó)已成為世界上第三個(gè)掌握空間出艙活動(dòng)技術(shù)的國(guó)家,也是我國(guó)航天事業(yè)繼“東方紅一號(hào)”、“載人首次飛行”、“嫦娥一號(hào)”之后的第四個(gè)里程碑,開啟了我國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略第二步.

8)“神舟八號(hào)”:首次無人空間對(duì)接

2011 年11 月1 日“神舟八號(hào)”無人飛船發(fā)射,飛行約397 小時(shí)13 分,11 月17 日返回.飛船為改進(jìn)型飛船,由軌道艙、返回艙、推進(jìn)艙組成,軌道艙前端安裝自動(dòng)式對(duì)接機(jī)構(gòu),具備自動(dòng)和手動(dòng)交會(huì)對(duì)接與分離功能.此次飛行完成了2 次“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”間的空間自動(dòng)交會(huì)對(duì)接試驗(yàn),組成一座小型簡(jiǎn)易空間實(shí)驗(yàn)室(即短期無人照料的空間站),并開展了空間科學(xué)實(shí)驗(yàn).因此,此次飛行標(biāo)志著我國(guó)已成功突破和掌握空間交會(huì)對(duì)接和組合體運(yùn)行等一系列關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了空間技術(shù)重大跨越,為后續(xù)空間站建造、管理和運(yùn)營(yíng)積累經(jīng)驗(yàn),也是我國(guó)載人航天發(fā)展史上的又一個(gè)重要里程碑.

9)“神舟九號(hào)”:首次載人交會(huì)

2012 年6 月16 日“神舟九號(hào)”飛船發(fā)射,飛行約327 小時(shí)23 分,6 月29 日返回,航天員景海鵬、劉旺和劉洋進(jìn)入太空,其中劉洋成為第一位進(jìn)入太空的中國(guó)女性.飛船由推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙和附加段組成,軌道艙增加了前艙門.此次飛行實(shí)施了飛船與“天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室的首次載人(前向)自動(dòng)空間交會(huì)對(duì)接(6 月18 日)和首次航天員手動(dòng)控制交會(huì)對(duì)接(6 月24 日),并第一次實(shí)現(xiàn)了地天間人員和物資的往返運(yùn)輸與補(bǔ)給,而且航天員在“天宮一號(hào)”內(nèi)完成了實(shí)驗(yàn)操作.此次飛行標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第三個(gè)完整掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家,并具備了以不同對(duì)接方式向在軌航天器進(jìn)行人員輸送和物資補(bǔ)給的能力,為今后的載人航天的發(fā)展、空間站的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ).

10)“神舟十號(hào)”:首次應(yīng)用性飛行

2013 年6 月11 日“神舟十號(hào)”飛船發(fā)射,飛行15 天,其中12 天與“天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室組成組合體飛行,2013 年6 月26 日返回,航天員聶海勝、張曉光和王亞平進(jìn)入太空.飛船由推進(jìn)艙、返回艙、軌道艙和附加段組成,軌道艙增加了前艙門.此次飛行是第三次交會(huì)對(duì)接飛行和載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的首次應(yīng)用性飛行,實(shí)施了飛船與“天宮一號(hào)”載人自動(dòng)交會(huì)對(duì)接(6 月13 日)、手動(dòng)控制交會(huì)對(duì)接(6 月23 日)和首次航天器繞飛交會(huì)(6 月25 日)等試驗(yàn).航天員在“天宮一號(hào)”內(nèi)開展了航天器技術(shù)、航天醫(yī)學(xué)和太空授課活動(dòng)公益項(xiàng)目等多項(xiàng)在軌實(shí)驗(yàn)/試驗(yàn)活動(dòng).此次飛行任務(wù)標(biāo)志著神舟飛船由研制飛行試驗(yàn)型過渡到實(shí)用型的飛躍、“天宮一號(hào)”作為交會(huì)對(duì)接目標(biāo)飛行器向空間多用途載人航天試驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)變,為后續(xù)空間站工程建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn),標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略第二步任務(wù)第一階段完成.

11)“神舟十一號(hào)”:首次太空中期駐留

2016 年10 月17 日“神舟十一號(hào)”載人飛船發(fā)射,飛行33 天,11 月18 日返回,航天員景海鵬和陳冬進(jìn)入太空.飛船為三艙結(jié)構(gòu),由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成,其前端安裝自動(dòng)式對(duì)接機(jī)構(gòu),長(zhǎng)9 米,最大直徑2.8 米,起飛質(zhì)量8 噸.在軌期間,飛船與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)交會(huì)對(duì)接并形成組合體(10 月19 日),開展了地球觀測(cè)和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、農(nóng)作物培育、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的試驗(yàn),并實(shí)施了人類史上首次太空腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn).航天員駐留“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室30 天,創(chuàng)造了中國(guó)航天員太空駐留新紀(jì)錄.此次飛行是我國(guó)飛得更高、實(shí)驗(yàn)更多、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)(總飛行時(shí)間33 天)的一次載人飛行任務(wù),是我國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略從第二步到第三步的一個(gè)過渡,為中國(guó)建造永久載人空間站做準(zhǔn)備.

12)“天舟一號(hào)”:首艘貨運(yùn)飛船

2017 年4 月20 日“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船發(fā)射,在軌飛行約154 天22 小時(shí),9 月22 日再入大氣層燒毀.如圖7 所示,“天舟一號(hào)”是由貨物艙和推進(jìn)艙組成的兩艙構(gòu)型全密封貨運(yùn)飛船,全長(zhǎng)約10.6 米,最大直徑3.35 米,物資運(yùn)輸能力約6.5 噸,推進(jìn)劑補(bǔ)加能力約2 噸,具備獨(dú)立飛行3 個(gè)月的能力,貨物運(yùn)載量是俄羅斯“進(jìn)步號(hào)M”無人貨運(yùn)飛船的2.6 倍,在功能、性能上都處于國(guó)際先進(jìn)水平.飛船與在軌運(yùn)行的“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行3 次自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)、3 次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)、繞飛試驗(yàn)、在軌釋放立方星“絲路一號(hào)”科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星,并開展空間應(yīng)用及技術(shù)試驗(yàn),驗(yàn)證了空間站貨物補(bǔ)給、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、自主快速交會(huì)對(duì)接等一系列重要關(guān)鍵技術(shù),為中國(guó)空間站研制建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理積累了重要經(jīng)驗(yàn).

此次飛行標(biāo)志著我國(guó)已成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)的國(guó)家,填補(bǔ)了我國(guó)空間貨物運(yùn)輸系統(tǒng)空白,為我國(guó)空間站組裝建造和在軌長(zhǎng)期載人飛行奠定重要技術(shù)基礎(chǔ).至此,我國(guó)載人航天工程第二步已勝利完成,也正式宣告我國(guó)航天邁進(jìn)空間站時(shí)代.

3.3 空間實(shí)驗(yàn)室

1)“天宮一號(hào)”:首個(gè)試驗(yàn)空間實(shí)驗(yàn)室

2011 年9 月29 日我國(guó)第一個(gè)目標(biāo)飛行器“天宮一號(hào)”發(fā)射,飛行2 376 天,有人駐留20 天,2018 年4 月2 日墜毀.“天宮一號(hào)”是我國(guó)首個(gè)簡(jiǎn)易空間實(shí)驗(yàn)室,只有1 個(gè)交會(huì)對(duì)接口,屬于第一代空間站.如圖8所示,“天宮一號(hào)”由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙構(gòu)成,全長(zhǎng)10.4 米,最大直徑3.35 米,重約8.5 噸.實(shí)驗(yàn)艙由密封艙和裝有對(duì)地遙感設(shè)備的非密封后錐段組成,其中密封艙是飛行器的控制艙,也是航天員的工作艙和生活艙,實(shí)驗(yàn)艙前端裝有可與載人飛船交會(huì)對(duì)接的裝置.資源艙為非密封艙,主要為軌道機(jī)動(dòng)提供動(dòng)力、燃料和電能等,艙外裝有一對(duì)太陽(yáng)電池翼及中繼衛(wèi)星天線,其尾部裝有2 臺(tái)490 N 軌控發(fā)動(dòng)機(jī).

圖7 “天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船示意圖Fig.7 Schematic diagram of the“Tianzhou-1”cargo vehicle

圖8 “天宮一號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室示意圖Fig.8 Schematic diagram of the“Tiangong-1”space laboratory

如前所述,在軌期間,“天宮一號(hào)”先后和1 艘無人飛船(2011 年11 月1 日“神舟八號(hào)”)、2 艘載人飛船(2012 年6 月18 日“神舟九號(hào)”、2013 年6 月13 日“神舟十號(hào)”)完成了4 次自動(dòng)和2 次航天員手控交會(huì)對(duì)接,2 批6 名航天員進(jìn)入“天宮一號(hào)”,航天員短期在軌駐留,并開展了對(duì)地遙感應(yīng)用、空間物理與環(huán)境探測(cè)和空間材料等實(shí)驗(yàn),獲取了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息和十分豐碩的應(yīng)用成果.作為我國(guó)首個(gè)試驗(yàn)空間實(shí)驗(yàn)室,“天宮一號(hào)”完成了航天器組合體控制與管理、航天員在軌駐留保障、航天員在軌維修操作等一系列技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證,為我國(guó)載人空間站研制建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理積累了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn).

“天宮一號(hào)”主要用于試驗(yàn)未來空間站建設(shè)所需的交會(huì)和對(duì)接關(guān)鍵技術(shù).“天宮一號(hào)”的發(fā)射是我國(guó)載人空間站的起點(diǎn),標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)擁有建立初步空間站(即短期無人照料空間站)的能力,同時(shí)也標(biāo)志著我國(guó)已邁入載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的第二步.

2)“天宮二號(hào)”:真正的空間實(shí)驗(yàn)室

2016 年9 月15 日“天宮二號(hào)”發(fā)射進(jìn)入太空,飛行1 037 天，2019 年7 月19 日以受控方式離軌.“天宮二號(hào)”屬于第一代空間站.“天宮二號(hào)”在外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量上與“天宮一號(hào)”基本一致,由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙組成,只有1 個(gè)交會(huì)對(duì)接口,但采用模塊化艙內(nèi)設(shè)備設(shè)計(jì),增加推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng),配備在軌維修技術(shù)驗(yàn)證和機(jī)械臂維修操作驗(yàn)證系統(tǒng).

在軌期間,“天宮二號(hào)”于2016 年10 月19 日與“神舟十一號(hào)”載人飛船自動(dòng)交會(huì)對(duì)接形成組合體(如圖9 所示),航天員景海鵬和陳冬進(jìn)入空間實(shí)驗(yàn)室完成30 天的中期在軌駐留任務(wù),并進(jìn)行了較大規(guī)模的地球觀測(cè)、航天醫(yī)學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、植物培育、釋放伴飛小衛(wèi)星、首次太空腦機(jī)交互等實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn).如圖10 所示,“天宮二號(hào)”于2017 年與“天舟一號(hào)”無人貨運(yùn)飛船先后完成了3 次自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)(4 月22 日、6 月19 日、9 月12 日)、3 次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)(4 月27 日、6 月15 日、9 月16 日),繞飛試驗(yàn)(6 月19 日)、在軌釋放立方星(8 月1 日)等實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn).

作為我國(guó)第一個(gè)真正意義上的可開展各類空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間應(yīng)用試驗(yàn)的空間實(shí)驗(yàn)室,“天宮二號(hào)”是一個(gè)長(zhǎng)期在軌自動(dòng)運(yùn)行、短期載人的航天器,并搭載了14 項(xiàng)應(yīng)用載荷以及一些航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,在數(shù)量上和安裝復(fù)雜程度上都創(chuàng)造了我國(guó)歷次載人航天器任務(wù)之最,也是“飛得更高、實(shí)驗(yàn)更多、時(shí)間更長(zhǎng)”的飛行器.“天宮二號(hào)”完成了航天員中期駐留,考核和驗(yàn)證了面向長(zhǎng)期飛行的乘員生活、健康和工作保障等相關(guān)技術(shù)、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)等,為未來空間站建成并運(yùn)行奠定了重要基礎(chǔ).因此,“天宮二號(hào)”是中國(guó)空間站建設(shè)的最后一次全面技術(shù)驗(yàn)證,標(biāo)志著我國(guó)全面進(jìn)入空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)實(shí)施階段.

3.4 未來中國(guó)空間站

空間站建設(shè)是我國(guó)載人航天工程三步走戰(zhàn)略的第三步.如圖11 所示,中國(guó)載人空間站(名稱“天宮”,代號(hào)“TG”)是一個(gè)在軌組裝成的具有中國(guó)特色的空間實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),初期的空間站將建造三個(gè)艙段,采用對(duì)稱T 形構(gòu)型,包括一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,核心艙居中,實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ分別連接于兩側(cè),每個(gè)規(guī)模20 多噸.核心艙設(shè)有多個(gè)交會(huì)對(duì)接口,其中前端兩個(gè)對(duì)接口主要接納載人飛船(名稱“神舟”)?？客颠\(yùn)送人員,而后端的后向?qū)涌谥饕糜谪涍\(yùn)飛船(名稱“天舟”)停靠完成物資補(bǔ)給和廢棄物下行.同時(shí),空間站上設(shè)氣閘艙用于航天員出艙,并配置機(jī)械臂用于輔助對(duì)接、補(bǔ)給、出艙和科學(xué)實(shí)驗(yàn).空間站軌道高度為400 至450 公里,設(shè)計(jì)壽命為10 年,總重量可達(dá)90 噸.長(zhǎng)期駐留3 人,乘組輪換時(shí)最多可達(dá)6 人.空間站運(yùn)營(yíng)期間,最多的時(shí)候,將可對(duì)接1 艘貨運(yùn)飛船、2 艘載人飛船,這些飛船又可與核心艙組合成多種形態(tài)的空間組合體,在核心艙統(tǒng)一調(diào)度下協(xié)同工作,完成空間站承擔(dān)的各項(xiàng)任務(wù)[48].

圖9 “天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室與“神舟十一號(hào)”載人飛船交會(huì)對(duì)接模擬圖Fig.9 Schematic diagram of the rendezvous and docking between the“Tiangong-2”space laboratory and the“Shenzhou-11”manned spaceship

圖10 “天舟一號(hào)”無人貨運(yùn)飛船與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接示意圖Fig.10 Schematic diagram of the rendezvous and docking between the“Tianzhou-1”unmanned cargo vehicle and the“Tiangong-2”space laboratory

圖11 中國(guó)空間站示意圖Fig.11 Schematic diagram of China's space station

在運(yùn)營(yíng)階段,將可以根據(jù)科學(xué)研究的需要增加新的艙段,擴(kuò)展規(guī)模和應(yīng)用能力.中國(guó)空間站初期的5 個(gè)模塊具體如下.

1)核心艙

全長(zhǎng)約18.1 米,最大直徑約4.2 米,發(fā)射質(zhì)量20 至22 噸.核心艙模塊分為節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙,核心艙有5 個(gè)對(duì)接口,可以對(duì)接1 艘貨運(yùn)飛船、2 艘載人飛船和2 個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,另有一個(gè)供航天員出艙活動(dòng)的出艙口.主要任務(wù)包括為航天員提供居住環(huán)境,支持航天員的長(zhǎng)期在軌駐留,支持飛船和擴(kuò)展模塊對(duì)接?？坎㈤_展少量的空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn),是空間站的管理和控制中心.

2)實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ、實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ

全長(zhǎng)均約14.4 米,最大直徑均約4.2 米,發(fā)射質(zhì)量均約20 至22 噸.實(shí)驗(yàn)艙II 以應(yīng)用實(shí)驗(yàn)任務(wù)為主,實(shí)驗(yàn)艙I 兼有組合體控制任務(wù)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)任務(wù)二個(gè)功能.實(shí)驗(yàn)艙I、II 先后發(fā)射,具備獨(dú)立飛行功能,與核心艙對(duì)接后形成組合體,可開展長(zhǎng)期在軌駐留的空間應(yīng)用和新技術(shù)試驗(yàn),并對(duì)核心艙平臺(tái)功能予以備份和增強(qiáng).

3)貨運(yùn)飛船(名稱“天舟”,代號(hào)“TZ”)

貨運(yùn)飛船采用模塊化設(shè)計(jì),具有全密封貨艙、半密封/半開放貨艙、全開放貨艙三種構(gòu)型,可以把不同的載荷包括小型艙段運(yùn)輸上去,由航天員和機(jī)械臂將其裝配到空間站上,最大直徑約3.35 米,發(fā)射質(zhì)量不大于13 噸.“天舟”是唯一擁有大載荷的運(yùn)輸能力又能進(jìn)行太空補(bǔ)加的貨運(yùn)飛船,載重量在6 噸左右,與歐洲ATV 系列貨運(yùn)飛船和日本HTV系列貨運(yùn)飛船的載重量基本相當(dāng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前蘇聯(lián)“聯(lián)盟號(hào)”飛船載重量(僅300 公斤左右)及其改裝型“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船載(約2.5 噸).

作為空間站的地面后勤保障系統(tǒng),貨運(yùn)飛船的作用是為未來空間站補(bǔ)給燃料、食物等物品,提供能源動(dòng)力及后勤保障.貨運(yùn)飛船主要任務(wù):1)補(bǔ)給空間站的推進(jìn)劑消耗,空氣泄漏,運(yùn)送空間站維修和更換設(shè)備,延長(zhǎng)空間站的在軌飛行壽命;2)運(yùn)送航天員工作和生活用品,保障空間站航天員在軌中長(zhǎng)期駐留和工作;3)運(yùn)送空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和用品,支持和保障空間站具備開展較大規(guī)?？臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的條件.

4)未來艙段

中國(guó)空間站具備擴(kuò)展能力.在運(yùn)營(yíng)階段,將可以根據(jù)科學(xué)研究的需要增加新的艙段,擴(kuò)展規(guī)模和應(yīng)用能力.

4 思考與展望

我國(guó)在載人空間站建設(shè)方面起步較晚,空間站的研發(fā)和建設(shè)遵循規(guī)模適度原則,有利于控制工程的成本,重點(diǎn)突出載人航天的特色,突出發(fā)揮人在太空中的作用,以“由小艙到大艙,由單艙到三艙”為技術(shù)路線,穩(wěn)步前進(jìn)并已經(jīng)取得了輝煌的成就.

盡管在通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用等方面,我國(guó)空間站研發(fā)采用了不少較國(guó)外空間站更為先進(jìn)的技術(shù),突破了推進(jìn)劑補(bǔ)加、物化式再生生命保障、電源和空間機(jī)械臂等關(guān)鍵技術(shù),為給航天員的生活、工作、實(shí)驗(yàn)提供很好的條件,保證滿足空間科學(xué)研究的需要.但我國(guó)空間站建設(shè)仍面臨許多控制技術(shù)、能源技術(shù)、再生技術(shù)等方面的挑戰(zhàn),例如:

1)大推力運(yùn)載火箭是發(fā)展航天技術(shù)的基礎(chǔ),我國(guó)空間站建設(shè)迫切需要研制大推力運(yùn)載火箭為人員和物資輸送提供有力保障.

2)需要建立物質(zhì)閉合度更高的再生式生命保障系統(tǒng),提高固廢和水的循環(huán)利用率,實(shí)現(xiàn)部分食物的自給自足,為長(zhǎng)期太空駐留、載人深空探測(cè)以及未來地外星球基地開發(fā)等生命保障提供新途徑.

3)需要采用新的電推進(jìn)技術(shù)作為空間站軌道維持的動(dòng)力裝置,降低空間站運(yùn)行期間的推進(jìn)劑補(bǔ)給需求.

4)需要大力發(fā)展基于混合增強(qiáng)智能的生命保障技術(shù),提高空間站生命保障系統(tǒng)智能化和自動(dòng)化水平,從而提高空間站運(yùn)行和航天員工作的效率.

我國(guó)空間站、載人登月及其前沿科學(xué)探索、太空技術(shù)研究、太空資源的開發(fā)和利用以及太空技術(shù)合作、國(guó)際交流與合作勢(shì)必將創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益,進(jìn)一步促進(jìn)和帶動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,并給人民群眾的生活帶來巨大的變化,也將造福人類.

“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里”.可以預(yù)見,我國(guó)空間站和載人航天必將為深空探測(cè)以及把人類的活動(dòng)疆域從近地空間拓展到整個(gè)太陽(yáng)系范圍做出重要的貢獻(xiàn).

附錄

圖2 引自http://w.todayshistory.org/19-april-1971-2/10892/

圖3 引自http://w.spacefacts.de/english/salyut.htm

圖4 引自https://en.wikipedia.org/wiki/Mir

圖5 引自https://w.nasa.gov/mission_pages/skylab

圖6 引自https://w.nasa.gov

圖7 引自http://w.cast.cn

圖8 引自http://w.cmse.gov.cn

圖9 引自http://w.cmse.gov.cn

圖10 引自http://w.cmse.gov.cn圖11 引自http://w.cmse.gov.cn