上九天　建天宮

段景頤

2021年4月29日，搭載著“天和”核心艙（以下簡稱“天和”）的“長征五號”B運載火箭從中國文昌航天發(fā)射場升空，向預定軌道飛去，由此拉開了我國空間站為期兩年的在軌建設大幕。

“天和”是“天宮號”空間站（以下簡稱“天宮號”）的首個升空艙段，也是最核心的艙段。到2023年，“問天”和“夢天”這兩個科學實驗艙也將先后發(fā)射，并與“天和”對接?！疤旌汀弊疃嗫蓪影茖W實驗艙、載人飛船和貨運飛船在內(nèi)的5個艙體，組成以“天和”為核心艙的“天宮號”空間站?！疤鞂m號”運行約15年，為我國空間科學實驗和航天員（有些國家稱“宇航員”）長期駐留近地軌道提供平臺。

“東方紅一號”衛(wèi)星

從人造衛(wèi)星到空間站

1971年4月24日，數(shù)億中國人第一次從廣播里聽到“東方紅一號”人造地球衛(wèi)星從太空傳來的樂曲。雖然它只工作了28天，但它搭載的粒子輻射計和磁強計等設備，讓我國科學家能夠獲取來自太空的第一手科學數(shù)據(jù)，為我國的空間科學研究奠定了基礎。

同時期，美國和蘇聯(lián)在先后完成探測器登月任務后，又同時把目光投向了空間站?？臻g站，顧名思義，懸在空間中的一個站點，即是可以載人的大型航天器，能為航天員提供長期駐留軌道的平臺，也能為載人飛船和貨運飛船提供?？炕?，能為空間探索發(fā)揮不可替代的作用。

1971年，蘇聯(lián)“禮炮一號”成為人類首個成功發(fā)射的空間站，并完成了與“聯(lián)盟十一號”飛船的對接任務。此后，蘇聯(lián)又相繼發(fā)射了六座“禮炮”空間站。美國則于1973年發(fā)射了“天空實驗室”空間站，并派出了載人登月用的“阿波羅號”飛船與其對接?！疤炜諏嶒炇摇痹趦?nèi)部空間、可容納宇航員人數(shù)和可供宇航員工作總時長上都遙遙領先于“禮炮”系列空間站。美國宇航員在“天空實驗室”里進行了大量科學實驗。這是人類第一次在太空中不用穿笨重的太空服，而是只需穿便裝就能作業(yè)。

蘇聯(lián)“禮炮7 號”空間站

先研發(fā)衛(wèi)星，然后研發(fā)空間站

美蘇在空間站上的投入給當時的中國航天科學家?guī)砹藰O大震撼，他們紛紛暢想我國自己的空間站計劃。然而，空間站建設費用不菲，而當時我國財力有限。1975年，在中央的決策下，中國航天事業(yè)的發(fā)展方向被定為通信衛(wèi)星工程。對當時的中國來說，通信衛(wèi)星比空間站更重要，中國載人航天計劃也被暫時擱置。

1986年，發(fā)展載人航天技術被明確列入“863計劃”。經(jīng)過專家多年的論證，1992年9月21日，我國確定了載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略?！叭阶摺钡牡谝徊绞前l(fā)射載人飛船，第二步是航天員出艙活動、飛行器交會對接和發(fā)射空間實驗室，第三步則是建造空間站，讓航天員長期駐留軌道。“神舟”飛船首任總設計師戚發(fā)軔院士曾感慨地說：“我們發(fā)展航天，最終目的是進行科學研究，而不是做表面工程。”

“載人航天三步走”發(fā)展戰(zhàn)略

空間站立項

2008年，“神舟七號”任務成功實施后不久，負責載人航天總體方案的侯永清被告知，她的工作重心要換了——改為負責中國空間站的立項論證。隨后，楊宏、王翔、徐小平等一批有著豐富載人航天工程經(jīng)驗的科學骨干加入其中。他們聚在一起，分頭查找文獻，開始論證“為啥要建空間站”和“如何建空間站”的問題。

查閱的資料越多，侯永清等人越發(fā)現(xiàn)這個活兒不好干。首先，團隊構(gòu)想中的“空間站三艙”總質(zhì)量超過66噸，要把這么重的艙體發(fā)射到預定軌道，就需要大推力火箭。其次，空間站采用模塊化設計，由多個艙體組裝而成，同時還要保證航天員長期駐留。要完成這些工作，就需要多次發(fā)射飛行器，進行多次交會對接。要確保順利對接，飛行器的每一次飛行都必須精準無誤，而此前我國并沒有進行相關驗證，更別提每一個艙段和每一艘飛船都要考慮載人需求和實驗需求。

制造、發(fā)射并組裝空間站絕非易事：既需要掌握發(fā)射場、著陸場、測控和航天員培訓等載人航天基本技術，還需要攻克大推力運載火箭、新型載人飛船、新型貨運飛船的設計與制造，大型空間設施在軌組裝和長期在軌飛行生命保障等一系列技術難關。

中國航天人自主攻克了一個個難題，從初次太空交會對接到航天員長期在空間站生活，中國航天人僅用了10年時間就完成載人航天技術的飛躍。不僅如此，2021年發(fā)射升空的“長征五號”B火箭的近地軌道運載能力高達25噸，處于世界先進水平。大推力火箭、完善的人貨天地往返技術、飛船和空間站的常態(tài)化交會對接……如今，中國航天科技已經(jīng)躋身世界第一梯隊。

目前我國運載能力最強的火箭——“長征五號”B運載火箭

飛向“天宮號”

2021年6月17日上午9時22分，“長征二號”F遙十二運載火箭搭載著“神舟十二號”飛船發(fā)射升空。完成這趟天地之旅，火箭需要飛行約10分鐘，其間火箭大部分時間在進行急加速，由此產(chǎn)生的超重狀態(tài)會引起人體血液移動到下肢，從而導致航天員出現(xiàn)大腦缺血等癥狀。為了克服火箭升空時產(chǎn)生的超重，航天員在訓練時需要在離心訓練設備中承受最高相當于8倍重力加速度的加速度對身體產(chǎn)生的重壓。除此之外，在火箭升空過程中產(chǎn)生的震動和噪聲，以及進入太空后隨之而來的失重和長時間太空停留產(chǎn)生的孤獨感，都是航天員必須克服的障礙。

2021年6月17日下午15時54分，“神舟十二號"載人飛船與“天和”完成自主交會對接。此時，“天和”內(nèi)部的溫濕度和氣壓已經(jīng)調(diào)整到最適宜航天員的范圍。18時48分，航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波脫下厚重的壓力服，換上輕薄的藍色工作服，先后開啟了節(jié)點艙艙門和核心艙艙門，并順利飄進“天和”。

“ 天和” 核心艙和“ 神舟十二號”載人飛船順利對接

從神舟載人飛船進入“天和”核心艙的湯洪波、劉伯明和聶海勝三人

這3名航天員要在“天和”上駐留3個月，在此期間他們的工作內(nèi)容主要有四項：檢查“天和”的各項功能是否能正常運行;進行兩次出艙活動，組裝、測試艙外工具箱等設備;開展空間科學實驗，并向地球直播太空科普教學內(nèi)容;照料自己的日常生活，定期鍛煉，檢測、維護和評估自身健康狀況。

“天宮”膳食

其實，早在三名航天員進入“天和”之前，他們的餐食等物資就先行一步抵達了。2021年5月30日，“長征七號”遙三運載火箭搭載著“天舟二號”無人貨運飛船，為“天宮號”上的3名航天員送去了6.64噸物資，其中包括空間站所需的推進劑、建設材料和各種設備、2套進行艙外行走的太空服，以及足夠3名航天員在空間站生活6個月所需的生活必需品和食物。

2003年，“神舟五號”飛船上儲備了20多種食物供楊利偉選擇。隨著我國載人航天事業(yè)不斷推進，航天員的食物選擇越來越多。如今，“天宮號”為航天員們提供了120多種餐食，其中包括蓮子銀耳羹、什錦炒飯、豆沙粽、去骨燒雞腿、冰激凌……當然，也少不了中國歷任載人航天任務中的明星菜——魚香肉絲。中國的太空版魚香肉絲于2002年研制成功。2003年，楊利偉乘坐的“神舟五號”飛船上配備的0多種太空食物，魚香肉絲就已位列其中。

我國航天員食用的航天食品

魚香肉絲能夠滿足太空環(huán)境和航天員的營養(yǎng)需求

數(shù)據(jù)顯示，在太空生活25周后人體的骨小梁（骨骼的基本支撐單元）體積可減少33%，肌肉也會明顯萎縮。因此，航天員必須從每日餐食中獲取全面營養(yǎng)，同時配合鍛煉，才能保持健康。20世紀60年代，第一批蘇聯(lián)航天員在太空吃的是包裝在軟管中的流食，他們吃流食就像在往嘴里擠牙膏。20世紀70年代，美國宇航員在太空中的食物包括金槍魚肉罐頭、脫水炒蛋（食用時需加水）、經(jīng)輻照處理的面包和牛排，以及凍干的草莓和小蝦干。而我國航天員食用的魚香肉絲中有豬肉、辣椒、筍絲和木耳，碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪和膳食纖維配比合理，不僅營養(yǎng)豐富，能讓長期駐留空間站的航天員大飽口福，而且吃魚香肉絲還不用吐骨頭或渣，食用過程中也不會產(chǎn)生危害空間站內(nèi)部設備的食物碎屑。鑒于上述原因，魚香肉絲可謂是中國航天員的理想餐食之一。

空間站的生活

“天宮號”空間站是模塊化多艙式空間站，建造過程好像搭積木。其中，“天和”是“積木”的核心模塊，“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙分別組裝在“天和”兩端，三者共同組成一座三室兩廳帶儲藏間的太空“豪宅”。

作為“天宮號”的核心艙段 ，“天和”全長16.6米，豎立起來比5層樓房還高，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，相當于3輛大貨車的空重，可同時容納3名航天員長期在軌駐留?！疤旌汀币环矫媸呛教靻T長期生活和工作的場所，另一方面也對接實驗艙、載人飛船和貨運飛船。

“天和”由節(jié)點艙、生活控制艙、后端通道和資源艙組成。航天員主要在生活控制艙內(nèi)活動。該艙又分為兩個部分：大柱段作為航天員的書房、餐廳和健身房，其中科學儀器、通信設備、微波爐、冰箱和太空自行車等設備一應俱全;小柱段有三個獨立“臥室”作為航天員休息的場所，還有一個衛(wèi)生間。

進入“天和”核心艙后，航天員要先整理物資

豎立起來比5 層樓還高的“ 天和”核心艙

2013年6月26日，張曉光、聶海勝和王亞平搭乘“神舟十號”的返回艙，降落在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場

自主研發(fā)先進機械臂

“天和”的艙外安裝有一大一小兩臺機械臂。在航天員生活的小柱段外側(cè)，一臺10米長的大型空間機械臂負責完成艙段轉(zhuǎn)位、輔助航天員艙外移動和移動大型設備等工作，最大載荷可達25噸?！疤鞂m號”外側(cè)安裝有錨點，這些遍布“天宮號”的錨點就相當于機械臂通行的道路，讓機械臂能夠移動到所需前往的位置。

“天宮號”的大機械臂擁有七個“關節(jié)”，采用肩3肘1腕3的關節(jié)布局，可謂相當靈活。在太空中活動的航天員處于失重狀態(tài)，為了避免機械臂意外擊飛物體，設計師們給機械臂設計了一個小程序——一旦機械臂在工作中出現(xiàn)意外碰撞，就會立刻停止動作，并根據(jù)實際情況自行判斷后續(xù)動作。和汽車制造流水線上動作單調(diào)重復的工業(yè)機械臂不同，在太空環(huán)境作業(yè)的機械臂要自行判斷所操作物體的位置、大小和形狀等信息，這就要求機械臂先通過攝像頭捕捉物體的位置和運動信息。此外，機械臂還具有手動操作模式，航天員可以通過操作手套，讓機械臂還原操作者的手部動作。

“天和”的大型機械臂在各個參數(shù)上都超過了目前國際空間站上由加拿大研發(fā)制造的機械臂。“天和”的大型機械臂是在前幾代機械臂基礎上的最新型號，而我國載人航天器機械臂的研發(fā)團隊竟然是一個3人團隊，他們的平均年齡僅為32歲。

2014年，就職于中國空間技術研究院的工程師劉冬雨接到一個任務：組建一個興趣小組，研制載人航天器用的機械臂。劉冬雨在高校時的專業(yè)是機器人，因此接到這個任務讓他十分興奮。小組成立之初有十幾位員工，但由于是業(yè)余性質(zhì)，許多組員陸續(xù)退出，最后僅留下了劉冬雨、羅超和張嶠。

“天宮號”的機械臂（模擬圖）

在經(jīng)歷了多次討論、廢棄方案和調(diào)整方案后，機械臂小組終于將圖紙中的機械臂做成了實物。2016年4月，此時距離正式交付機械臂的最后期限只剩3個月，羅超帶著機械臂前往哈爾濱，測試機械臂在極高和極低溫度下的表現(xiàn)。4月6日，實驗室中的機械臂突然開始不受控制地抖動，技術人員迅速上前排除故障。經(jīng)過幾個晝夜的連續(xù)排查，故障根源終于被找到。原來，機械臂的一個傳感器因為熱脹冷縮發(fā)生故障，發(fā)出了錯誤的信號。排除了故障后，團隊又進行了多次驗證實驗。機械臂最終被按時交付，并在“天宮二號”上順利完成了太空實驗。

?“天宮號”技術檔案

“天宮號”空間站的有效載荷質(zhì)量比達到了17.7%，遠高于國際空間站的7.9%，可謂個頭不大裝得多。

迄今，國際空間站已“掛失”的物件數(shù)量超過100個?！疤鞂m號”上的所有物品均配備二維碼，航天員通過終端即可查詢到每樣物品的實時位置。

“天宮號”上的超冷原子實驗柜可實現(xiàn)接近絕對零度的超低溫，位于其中的原子鐘組的精度很高，每30億年誤差僅有1秒，類似的科學實驗柜在“天宮號”上共有16個。

作為航天員往返“天宮號”和地球的專列，“神舟十二號”飛船的導航和返回過程依靠北斗導航系統(tǒng)，飛船使用的控制計算機和數(shù)據(jù)管理計算機完全使用國產(chǎn)處理芯片。

“天宮號”將進行超千項太空實驗，這些實驗涉及生物科學、生命科學、材料學、天文學、地球物理學、空間物理學、基礎物理學和醫(yī)學。

“天和”核心艙內(nèi)的實驗柜之一

在“天和”中，航天員們呼出的水汽會被生命保障系統(tǒng)冷凝、回收并凈化，重新作為飲用水和生活用水。航天員呼出的二氧化碳也會被生命保障系統(tǒng)回收，再生成氧氣。

據(jù)專家介紹，“天和”的用電需求是“天宮二號”的3倍，因此，保障“天和”的用電尤為重要?！疤旌汀钡乃须娔芫鶃碜跃薮蟮娜嵝钥烧郫B太陽能電池翼，光電轉(zhuǎn)換效率居于世界領先水平，電池翼展開后總面積可達134平方米，發(fā)電功率達18千瓦，在為艙內(nèi)所有設備供電的同時，還能保證航天員的日常生活用電。

據(jù)悉，“天宮號”將成為中國與世界各國開展太空合作的橋梁。截至目前，已有17個國家的9項科學實驗獲批進入“天宮號”。歐洲宇航員中心訓練專家表示，為了入駐“天宮號”空間站，該中心的宇航員都在努力學習中文。中國從航天大國逐漸成為航天強國，同時也肩負起了一個航天強國應有的擔當。

“天和”核心艙內(nèi)部（模擬圖）

我國載人航天任務回顧

1999—2002年 “神舟一號”～“神舟四號”

我國成功完成4次載人飛船無人試飛試驗。

2003 年“ 神舟五號”（首次載人任務）

楊利偉成為中國首位進入太空的航天員。

2003年10月15日，航天員楊利偉搭乘“神舟五號”飛船進入太空，在軌飛行21小時

2005年 “神舟六號”

費俊龍和聶海勝兩位航天員乘坐“神舟六號”飛船在軌道上飛行了5天，中國由此基本掌握了載人天地往返技術。

2008年 “神舟七號”（首次出艙任務）

航天員翟志剛成功出艙作業(yè)，這標志著我國正式邁出了“三步走”戰(zhàn)略中的第二步。

2011年 “天宮一號”

2011年9月29日，具有驗證性質(zhì)的“天宮一號”發(fā)射升空。作為目標飛行器，“天宮一號”的用途并不是進行科學實驗，而是作為載人飛船或貨運飛船的交會對接目標。2016年3月21日，“天宮一號”停止運行，并于2018年4月2日墜入大氣層。

“神舟八號”與“天宮一號”第二次對接全過程示意圖

2011年“神舟八號”（首次自動交會對接）

“神舟八號”飛船與“天宮一號”空間站完成了自動交會對接。從此，中國成為繼美國和俄羅斯后，第三個成功掌握完整太空對接技術的國家。

2012年 “神舟九號”（首次人工交會對接）

“神舟九號”飛船與“天宮一號”目標飛行器分別進行了兩次交會對接，其中第一次為自動交會對接，第二次由航天員劉旺通過手柄控制完成。景海鵬、劉旺和劉洋這三名航天員進入“天宮一號”，并生活了10余天。

2013年 “神舟十號”

王亞平進行空間站直播

在這次任務中，航天員王亞平從“天宮一號”向地面課堂進行直播授課，課時總長40分鐘。在此期間，王亞平演示了失重狀態(tài)下的物體運動，并用通俗易懂的語言解釋了其背后的物理知識。這次空間站直播授課受到全球各大媒體的關注。

2016年 “天宮二號”

2016年9月15日，“天宮二號”太空實驗室發(fā)射升空。2019年7月19日，完成預定任務的“天宮二號”受控離軌并墜入大氣層。

2016年“ 神舟十一號”

“神舟十一號”飛船與“天宮二號”順利對接，航天員景海鵬與陳冬進入“天宮二號”，進行了多項試驗和失重防護鍛煉，還種下了生菜種子，并飼養(yǎng)了6只蠶。2016年10月21日晚，兩名航天員按照計劃在“天宮二號”內(nèi)收看“新聞聯(lián)播”，還可以向地面點播自己喜愛的電視節(jié)目。

2021年 “神舟十二號”

聶海勝在艙內(nèi)操控機械臂

航天員聶海勝、劉伯明和湯洪波乘坐的“神舟十二號”飛船與“天和”順利對接，他們順利進入“天和”。

“天宮號”的網(wǎng)速非常棒

2021年6月23日，在“天和”內(nèi)部執(zhí)行任務的聶海勝、劉伯明和湯洪波與地面進行了視頻通話。讓不少人沒想到的是，這次“天地通話”全程沒有出現(xiàn)像直播電視節(jié)目中主持人和場外記者對話中常見的“尷尬延遲”。那么，如此流暢的信號傳輸是如何做到的？其實，為這次“天地通話”提供信號中繼的，是距離地面3.6萬千米、由三顆中繼衛(wèi)星組成的天基測控系統(tǒng)。

中繼衛(wèi)星是專門為航天器提供信號中繼服務的人造衛(wèi)星。中繼衛(wèi)星在比 “天宮號”更高的軌道運行，正所謂“站得高，看得遠”，在更高軌道運行的中繼衛(wèi)星具有比空間站更大的信號覆蓋范圍，因此被作為空間站等航天器的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。在中繼衛(wèi)星的幫助下，“天宮號”的下載數(shù)據(jù)速度相當于地面5G網(wǎng)絡設備的下載速度，大幅度領先由美國等主導的國際空間站。

空間站為科研事業(yè)提速

2001年，在完成了15年的在軌飛行任務后，俄羅斯的“和平號”空間站在地面控制下墜毀。航天員在“和平號”上總共進行了約1.6萬個科學實驗，幫助研發(fā)了600多項新技術。2000—2020年，國際空間站上的宇航員進行了約3000次科學實驗，課題領域覆蓋基礎物理學、地球和空間科學、生物醫(yī)學等。多家跨國藥企都在國際空間站上開展過或正在開展藥物和醫(yī)療器械實驗。一線抗癌藥物帕博利珠單抗和幫助降低患者骨折風險的骨質(zhì)疏松治療藥物普羅力的研發(fā)，都離不開空間站的微重力環(huán)境。

空間站能提供地面實驗室無法提供的微重力環(huán)境，可以培育出地面實驗室無法培育的品種。例如，我國某企業(yè)利用空間站進行益生菌育種。經(jīng)過太空環(huán)境誘變的鼠李糖乳桿菌M9的菌落形態(tài)發(fā)生了明顯變化，變得更大更黏，因此其益生特性可能也發(fā)生了變化。益生菌在地球環(huán)境中的變異速度遠沒有在太空中快，因此，要獲得更耐人類胃酸、益生效果更好的菌種，空間站的太空環(huán)境可以大大加速益生菌的變異速度，從而快速獲得人類需要的變異特性。

“天宮二號”上進行的科學實驗