打造天上“科研室”

席金合

2021年4月29日，伴隨著巨大的轟鳴和耀眼的火焰，長征五號運(yùn)載火箭成功將天和號核心艙送入340千米至450千米外的近地軌道，中國空間站的建造大幕由此拉開。5月29日20時55分，在經(jīng)歷了推遲發(fā)射的波折后，長征七號遙三運(yùn)載火箭從位于海南的文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時點火升空，將天舟二號貨運(yùn)飛船準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，并與天和號核心艙在近地軌道精準(zhǔn)實現(xiàn)自主快速交會對接。6月17日9時22分，神舟十二號載人飛船從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，并順利與天和核心艙完成自主快速交會對接，航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波先后進(jìn)入天和核心艙，標(biāo)志著中國人首次進(jìn)入自己的空間站。7月4日1 4時57分，經(jīng)過約7小時的出艙活動，航天員劉伯明、湯洪波安全返回天和核心艙，標(biāo)志著我國空間站階段航天員首次出艙活動取得圓滿成功。我國已成為第三個擁有空間站的國家。

多套間“豪宅”

說起空間站，大家自然會想到國際空間站，這個大型太空科研室重400多噸，擁有現(xiàn)代化設(shè)備，可開展大規(guī)模、多學(xué)科研究，由美、俄等16國耗時十幾年聯(lián)合打造。

中國空間站規(guī)模雖比不上國際空間站，但在構(gòu)成和功能上大同小異。其主體構(gòu)型是：核心艙居中，兩個實驗艙連接在兩側(cè)，構(gòu)成“丁”字形。其中供人員活動的空間達(dá)110立方米，可以說相當(dāng)于三室兩廳還帶儲藏間，算是“豪宅”了。此外，它還有附屬工具——貨運(yùn)艙和載人艙。五位一體的每個部分，都近似大圓筒。

核心艙就是在軌的天和號，它比一節(jié)火車廂還長，直徑比地鐵車廂寬，重量相當(dāng)于三輛大客車，是我國目前最大的航天器，可供3名航天員長期在軌駐留。它既是空間站的管理和控制中心，又是人員生活的主要場所，還可用來開展少量的科學(xué)實驗。其上有五個接口，用于對接一艘貨運(yùn)飛船、兩艘載人飛船和兩個實驗艙，另有一個人員出艙口。

兩個實驗艙與核心艙的大小相當(dāng)。其中的“問天”實驗艙主要用于開展艙內(nèi)外空間科學(xué)實驗，也是航天員活動和應(yīng)急避難場所。內(nèi)配專用氣閘艙，供航天員出艙;并配有機(jī)械臂，便于艙外設(shè)備的自動修理和安裝。它還具備核心艙的某種重要功能，必要時，可對整個空間站進(jìn)行管控?！皦籼臁睂嶒炁摮司邆洹皢柼臁睂嶒炁摰墓δ埽€配有物資專用氣閘艙，在航天員和機(jī)械臂的輔助下，保證貨物自動進(jìn)艙和出艙。

貨運(yùn)飛船是空間站物資“專用車”，命名為“天舟”，最大直徑約3.35米，發(fā)射質(zhì)量約13噸，具有全密封貨艙、半密封貨艙、全開放貨艙，由長征七號運(yùn)載火箭發(fā)送升空。其主要任務(wù)：一是給空間站補(bǔ)給燃料，運(yùn)送維修和更換所需設(shè)備;二是為航天員運(yùn)送工作生活用品;三是運(yùn)送科學(xué)實驗設(shè)備和用品。送完貨返回地球時，還要順便帶走空間站的垃圾，從某一空域投出，讓其在快速下落過程中，與大氣摩擦而燃燒掉。

載人飛船是我國自行研制的新一代神舟系列，是為空間站和探月等工程而制造，大小約為貨運(yùn)飛船的兩倍，具有安全可靠、承擔(dān)任務(wù)多和模塊化設(shè)計等特點，用于運(yùn)送往返天地間的人員。從1999年11月至2021年6月，我國已發(fā)射12艘載人飛船，先后將14名航天員送入太空。

造福全世界

空間站堪稱“太空母港”，可滿足航天員長期在天上生活和工作，其高真空、微重力、超潔凈的環(huán)境，便于開展各類科學(xué)研究，是衡量一個國家科技實力乃至綜合國力的重要標(biāo)志，受到各國的高度重視。

我國空間站建成后，有望產(chǎn)出一大批重大科研成果，突破一大批核心關(guān)鍵技術(shù)，獲得無法估量的經(jīng)濟(jì)和社會效益。例如，開展具有國際前沿性的量子調(diào)控與光傳輸研究，將促進(jìn)世界量子通信技術(shù)的發(fā)展，甚至引發(fā)通信革命。

空間技術(shù)開發(fā)應(yīng)用前景十分廣闊。如空間生物研究，可為培育優(yōu)良物種、探索疾病機(jī)理、研發(fā)生物藥物、改進(jìn)人類健康等，提供技術(shù)突破;微重力流體與燃燒研究，能促進(jìn)新型清潔能源開發(fā)和改善地球環(huán)境;空間材料的加工應(yīng)用研究，對開發(fā)新型材料和先進(jìn)生產(chǎn)工藝，具有重要意義。

我們常吃的方便面、穿的氣墊鞋，都是從航天員的食物和穿戴品轉(zhuǎn)化而來;先進(jìn)的B超機(jī)和遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)等，更是空間科學(xué)研究帶給人類的福音;國際空間站開發(fā)的藥物射靶式輸送技術(shù)，已用于乳腺癌治療試驗，必將取得廣泛應(yīng)用。

為促進(jìn)和平利用太空，我國空間站將對外開放。宇宙空間屬于全人類，并非哪國私有;探索和利用太空，是各國享有的平等權(quán)利。20世紀(jì)以來，人類譜寫了宇宙探索的輝煌篇章，然而個別航天大國卻一味敵視別國的航天活動，大搞技術(shù)壟斷，孤立他國航天事業(yè)發(fā)展，甚至不惜將太空軍事化，封鎖人類進(jìn)一步探索外層空間。

中國空間站將超越其他航天強(qiáng)國，率先向全球敞開大門，以開放包容的心態(tài)，同各國攜手合作，共同探索開發(fā)和利用太空。任何國家、組織和機(jī)構(gòu)，都可平等參與，分享我國航天事業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗和技術(shù)，這無疑彰顯中國在太空治理中的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。同時，我國空間站將為發(fā)展中國家提供應(yīng)用實驗的機(jī)會，幫助其跨越航天技術(shù)鴻溝，共同參與太空治理、開發(fā)和利用，推動人類航天事業(yè)達(dá)到新的高峰。

征途路漫漫

20世紀(jì)80年代，國際上提出聯(lián)合建造空間站計劃，中國申請加入，但遭到美國操縱的國際組織拒絕。國外長期封鎖，倒逼我們自主創(chuàng)新，立足自身實際來研發(fā)，而不是跟在別人后面跑。建造空間站，最關(guān)鍵、最困難的是把人送上去。對此，我國在20世紀(jì)90年代初，以載人航天工程為主的空間站計劃正式啟動，總體分“三步走”。

第一步是載人飛船階段，實現(xiàn)人員安全往返。2003年10月15日上午9時，我國首位航天員楊利偉，搭乘神舟五號載人飛船進(jìn)入太空，繞地一周后成功降落地面，標(biāo)志著中國航天事業(yè)向前邁進(jìn)了一大步。5年后，神舟七號搭乘3名宇航員環(huán)地飛行，翟志剛出艙作業(yè)，劉伯明在艙內(nèi)協(xié)助，實現(xiàn)了我國航天員首次太空行走。

在我國載人航天工程順利進(jìn)行之時，國際空間站于2010年投入使用。這項國際太空合作工程，以俄、美兩國主導(dǎo)建設(shè)，有19國的宇航員乘坐美、俄飛船造訪國際空間站，我國也參與其中。可不久，美國撕毀中美合作協(xié)議，把中國拒于國際空間站門外。

這樣，更加堅定了我們正在實施的第二步計劃——空間實驗室任務(wù)。2011年9月，重約8.5噸的天官一號空間實驗室發(fā)射升空，在軌運(yùn)行四年半，以微型空間站的身份，實現(xiàn)了與載人飛船的交會對接，并進(jìn)行了多項科學(xué)實驗，初步建立了能短期載人、長期可無人運(yùn)行的空間試驗平臺，為建造空間站積累經(jīng)驗。隨后不到三年，它又與陸續(xù)升空的三艘神舟飛船，先后實現(xiàn)無人對接和載人交會對接。

2016年9月15日，天宮二號成功發(fā)射，正常運(yùn)行近三年后返回地面。作為準(zhǔn)空間站，天宮二號共搭載14項應(yīng)用設(shè)備，進(jìn)行了氧氣、水或食物循環(huán)利用等60多項科學(xué)實驗。還與天舟一號貨運(yùn)飛船配合，突破了航天器的“空中加油”技術(shù)，完成了貨物補(bǔ)送任務(wù)。

第三步是目前進(jìn)行的空間站組建，將實現(xiàn)五大艙的升空和組裝，建成長期有人照料的太空科研室。

最后的組裝

當(dāng)核心艙作為搭建空間站的第一塊“積木”，率先落戶于核心位置，靜候與后續(xù)的船、艙對接，最終建成完整的空間站，持續(xù)使用10年;所以，在組建空間站的過程中，需先后實施10次飛行任務(wù)，包括2次實驗艙發(fā)射、4次貨運(yùn)飛船、4次載人飛船發(fā)射。

在航天員動身上天組裝前，應(yīng)先把東西送上去，做到“兵馬未動，糧草先行”。被親切稱為太空“快遞小哥”的天舟貨運(yùn)飛船，正擔(dān)當(dāng)這項艱巨任務(wù)。幾年前，為了實行與天官二號的對接實驗，天舟一號已成功發(fā)射;現(xiàn)在，天舟二號貨運(yùn)飛船也已與核心艙成功對接;神舟十二號載人飛船已將3名航天員送上太空，標(biāo)志著中國人首次長期工作在自己的空間站。

2022年是我國空間站的正式組建階段，“問天”和“夢天”實驗艙將陸續(xù)發(fā)射，完成最后對接，空間站才算真正建成;接著是密集的運(yùn)物送人任務(wù)，依次由天舟四號、神舟十四號、天舟五號、神舟十五號擔(dān)任，一共有6次發(fā)射任務(wù)。目前，嚴(yán)格受訓(xùn)的四批待飛航天員，已全部確定。由第一批有飛行經(jīng)驗的航天員擔(dān)任指令長，第一批未有飛行經(jīng)驗的航天員以及第二批航天員為協(xié)助員，第一批航天員中還沒有飛天的航天員有望圓夢太空。第三、四批航天員則承擔(dān)2022年后空間站運(yùn)營階段的任務(wù)。

空間站額定載員3人，輪換期間則是6人。今年神舟十二號、十三號任務(wù)輪換期間，將會看到6名航天員和科學(xué)家，同駐太空進(jìn)行工作的盛況。

任重而道遠(yuǎn)

空間站建成后，運(yùn)行中會有諸多難題。首先是人員生活問題。按國際空間站慣例，每名宇航員每天需要0.84千克氧氣，6.8千克生活用水，0.64千克食物，1.64千克衣物。以3人計算，一年需要16噸物資，完全靠地面補(bǔ)給不現(xiàn)實，只有通過污水循環(huán)、二氧化碳再生等工程，才能將所需降至每人每年消耗5噸物資的目標(biāo)。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，必須依賴復(fù)雜的前沿技術(shù)。

空間站在軌運(yùn)行，基本失去大氣和地磁保護(hù)，難逃太空輻射。由于地磁中心偏離地軸11.3度，使來自宇宙的帶電粒子，在南大西洋的上空聚集，空間站經(jīng)過時，受到強(qiáng)烈輻射;并且，空間站的工作人員在太空停留的時間，比以往的航天員長得多。所以，空間站的防護(hù)要求比一般航天器更高，設(shè)計難度更大，必須采用多套防護(hù)措施。尤其在太陽爆發(fā)期，太陽釋放的射線會增強(qiáng)好幾倍。這時，不能進(jìn)行太空行走，甚至要停止飛船發(fā)射，難免影響空間站的正常運(yùn)作。

大氣層厚度為1000千米，而空間站軌道在340千米～450千米的高空，盡管這個高度的空氣極為稀薄，但空間站以每秒8千米的速度飛行，會與空氣摩擦生熱，影響艙內(nèi)外設(shè)備性能和運(yùn)行，以及各種實驗的進(jìn)行及操作。此外，從國際空間站來看，其在400千米的高空飛行，因受大氣阻力作用，軌道高度每天會降低150米左右，若不及時修正就會落下來。

地球其實不是標(biāo)準(zhǔn)的球形，質(zhì)量分布不均勻;根據(jù)萬有引力原理，不同地方的引力不同。所以，當(dāng)空間站飛過時，受到的引力會波動，導(dǎo)致軌道跑偏400多米。這么大的偏差，會使空間站在太空亂飛。這么多難題，都要設(shè)法應(yīng)對，而我們有能力解決。

結(jié)束語

我國有幾千年的“飛天”夢。新中國成立之后，東方紅一號衛(wèi)星發(fā)射，拉開了中華兒女探索宇宙奧秘的序幕。幾代航天人自力更生，自主創(chuàng)新，打破國外技術(shù)封鎖和壟斷，突破了一大批卡脖子難題，大大縮小了與西方的差距。從神舟飛船載人遨游太空到“嫦娥”奔月探索未知，從北斗衛(wèi)星組網(wǎng)導(dǎo)航到日前在建的中國“太空之家”，我國取得了舉世矚目的成就，完成艱難探索的創(chuàng)舉，越來越受到更多國家的認(rèn)可，彰顯了中國航天科技的強(qiáng)大實力。我們相信，中國的天上科研室，一定會早日建成運(yùn)營。

（編輯 文墨）