神舟之旅

載人航天是人類向太空探索的核心一步，不論是商業(yè)化的太空旅行還是馬斯克的“火星殖民計劃”，基礎(chǔ)都是把人安全送往太空并讓他們生存下來。直至目前，仍然只有俄美中三國有能力獨(dú)立完成載人航天任務(wù)。

對載人航天不太熟悉的人很難想象，過去一年或者兩三年才發(fā)射一次的神舟飛船，如今已經(jīng)進(jìn)入大約每半年就發(fā)射一次的常態(tài)化模式。自2021年中國空間站的首個艙段發(fā)射入軌之后，短短4年間已經(jīng)有8艘神舟飛船升空。載人飛船不再是在天上待幾天就返回，而是會和空間站直接對接，航天員會在太空停留足足半年。

按照國際通行標(biāo)準(zhǔn)，這意味著中國已經(jīng)實現(xiàn)了人類在太空的“長期”駐留，在航天領(lǐng)域步入全球最頂尖的行列。而且和2010年升空的國際空間站相比，中國空間站在能源效率、科研應(yīng)用載荷等方面都更具優(yōu)勢，在某種意義上實現(xiàn)了“后發(fā)先至”。

但這場歷時四十余年的載人航天追趕之旅并非一路順利，而是經(jīng)歷了起初的挫折、漫長的爬坡，直到最近幾年終于集中爆發(fā)。

1986年，4名科學(xué)家提出了全面發(fā)展中國高科技的提議，根據(jù)他們的報告，中共中央確立了“863計劃”，航天在其中位列第二。這是中國首次提出載人空間站的目標(biāo)，是中國載人航天的重要起點(diǎn)。

從“863計劃”到真正的“中國載人航天工程”，仍然經(jīng)歷了6年的醞釀期，一個關(guān)鍵的困擾是，中國載人航天該選擇哪一個技術(shù)方向：一個方向是建造可整體回收的航天飛機(jī)，第二個方向是選擇僅返回艙可回收的載人飛船。相對而言載人飛船技術(shù)較老但易于成功、成本低，航天飛機(jī)技術(shù)雖新但研發(fā)難度大、維護(hù)成本高。當(dāng)時從中國的科研實際出發(fā)，航天系統(tǒng)內(nèi)逐步達(dá)成一致，認(rèn)為載人飛船更適合中國。到了1992年，載人航天工程正式立項，當(dāng)年，《解放日報》刊登報道《八年內(nèi)中國宇航員上太空》。

事實證明當(dāng)年的技術(shù)路線選擇是合理的。在1992年中央決議啟動載人飛船項目時，中國在這一領(lǐng)域并沒有多少積累，研發(fā)所需的基礎(chǔ)設(shè)施相當(dāng)簡陋。比如1996年，為了測試飛船電氣方案的可行性，研發(fā)人員只能采用土辦法，臨時用30多張桌子拼成一個大工作臺，然后把600多臺電子設(shè)備擺上臺、互相連接好再通電檢測。這次設(shè)備聯(lián)調(diào)僅線路連接點(diǎn)就有8萬多個，當(dāng)時研發(fā)團(tuán)隊對如此規(guī)模的調(diào)試缺乏經(jīng)驗，通電之后馬上就有設(shè)備燒毀，連續(xù)燒毀了4臺設(shè)備后才最終明確問題的緣由。

直到神舟一號發(fā)射的前一年，困難仍然比想象的多很多。研發(fā)團(tuán)隊的計劃是盡量爭取1998年發(fā)射，最晚1999年內(nèi)完成。但方案總體設(shè)計實際上直到1998年5月才完成，當(dāng)年10月才完成初樣試制，而正樣飛船的發(fā)射幾乎卡線—壓到了1999年的11月。時任神舟飛船副總設(shè)計師鄭松輝回憶，他當(dāng)時感覺整個人都“透支”了。如果起初選擇風(fēng)險、耗費(fèi)均更大的航天飛機(jī)技術(shù)路線，整個項目延期甚至夭折都不無可能。

完成了最困難的第一次，之后的歷次發(fā)射相對順利許多。中國載人航天工程從一開始就有完整的“三步走”計劃：第一步，發(fā)射載人飛船；第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器的交會對接技術(shù)；第三步，建造空間站。經(jīng)過連續(xù)4艘飛船的性能驗證，2003年神舟五號終于將中國宇航員正式載入太空，之后的神舟六號則同時將兩名航天員送上太空。至此，中國載人航天“三步走”計劃的第一步—安全實現(xiàn)載人上天并返回—宣告完成。

接下來就是“三步走”的第二步，實現(xiàn)航天員在太空軌道的中期駐留。按照國際通行標(biāo)準(zhǔn)，中期駐留的門檻是30天—神舟六號的航天員只在太空停留了將近5天。

實現(xiàn)中期駐留的難度遠(yuǎn)超短期駐留，其中的核心難點(diǎn)在于中期駐留需要的大量物資儲備無法通過單一火箭運(yùn)載，必須在太空建立一個能獨(dú)立運(yùn)行的基地，然后實現(xiàn)載人飛船、貨運(yùn)飛船和這個基地之間的安全對接。這既需要先進(jìn)的自動化對接技術(shù)，也需要能夠支持航天員出艙活動、太空行走的技術(shù)。神舟七號率先驗證了出艙活動相關(guān)技術(shù)，神舟八號則驗證了交會對接技術(shù)，與此前發(fā)射的作為“基地”使用的“天宮一號”成功對接。之后又經(jīng)歷了兩次神舟飛船發(fā)射，到2016年“天宮二號”發(fā)射上天之后，神舟十一號不僅把航天員運(yùn)送上天，并與天宮二號完成自動交會對接，中國航天員首次完成長達(dá)一個月的中期駐留。

歷次神舟飛船發(fā)射任務(wù)概覽

相比于神舟一號至神舟五號幾乎每年發(fā)射一艘的頻次，神舟六號、七號、八號的發(fā)射間隔拉長到了3年。這很大程度上是因為，此時的關(guān)鍵已不僅是載人飛船，“天宮”系列目標(biāo)飛行器與“天舟”系列貨運(yùn)飛船的技術(shù)也都需要驗證。直到天宮二號完成所有任務(wù)后于2019年受控離軌，這一階段才畫上句號。從神舟六號發(fā)射，到天宮二號返回，中國載人航天工程的第二步前后花了將近15年。

漫長的第二階段解決了讓航天員在太空駐留的絕大多數(shù)技術(shù)難題，接下來的第三步就是要在太空建成獨(dú)立的空間站，并完成6個月以上的長期駐留。

空間站雖然體積更大，但其底層技術(shù)彼時基本都已驗證完畢。因此在2020年中國空間站任務(wù)的首次飛行，即長征五號B運(yùn)載火箭發(fā)射成功之后，神舟飛船的發(fā)射頻率也開始“狂飆”。2022年空間站三艙全部完成發(fā)射之后，航天員通過輪班的方式從當(dāng)年起實現(xiàn)了空間站全年有人駐守。

實際上，空間站相關(guān)技術(shù)的發(fā)展不僅影響到航天員在太空駐留的時長，也會直接影響普通大眾。以所有人都離不開的網(wǎng)絡(luò)為例，最近幾年航空公司基本都開始提供機(jī)上Wi-Fi，這一功能便依賴于載人航天所使用的中繼衛(wèi)星技術(shù)。

開發(fā)中繼衛(wèi)星的起源是解決航天員與地面“失聯(lián)”的問題。2003年中國首名航天員楊利偉在太空的大多數(shù)時間都與地面處于“失聯(lián)”狀態(tài)，即使看準(zhǔn)時間窗口與地面對話，每次的對話時間也只有幾分鐘。造成這個情況的原因是載人飛船在太空通常停留在離地400公里左右的軌道上繞地球飛行，這個高度僅相當(dāng)于地球直徑的1/30，受限于地球表面的弧度，任一時刻飛船都只能接收到一小部分區(qū)域的信號，其他大部分區(qū)域發(fā)送的信號將被地球本身阻擋，再怎么加大地面發(fā)射站的功率也沒用。

要解決這一問題，最常見的辦法就是在離地更遠(yuǎn)的地方設(shè)置一個中繼站。只要中繼站位置足夠高，就能夠擺脫地球表面弧度的限制，至少覆蓋其面對的半個地球。從2008年到2022年，中國累計發(fā)射了8顆天鏈系列中繼衛(wèi)星，在離地3.6萬公里（相當(dāng)于地球直徑的3倍）的軌道上繞地球同步旋轉(zhuǎn)。這些同步衛(wèi)星的位置相對于地球固定，因而它們結(jié)合起來就組成了一個全方位覆蓋地球的通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以同時與地面以及低軌航天器通信，承擔(dān)通信中繼的功能，為飛機(jī)提供Wi-Fi信號自然不在話下。

除了這類能夠在日常消費(fèi)中明顯感知到的變化，還有許多航天技術(shù)潛移默化地進(jìn)入了民用領(lǐng)域。比如為了對抗高溫，載人飛船中使用了大量隔熱性能優(yōu)異、密度極低的氣凝膠。而隨著新能源汽車的發(fā)展，氣凝膠技術(shù)也被大批量地用于提升電池包內(nèi)部的安全性并減輕電池包重量。比亞迪2020年推出的刀片電池、寧德時代2022年推出的麒麟電池都使用了氣凝膠。

航天技術(shù)民用不僅能提升消費(fèi)體驗，還能救命。2023年航天科技集團(tuán)研發(fā)的輝昇-I型人工心肺機(jī)獲批上市，成為首款擁有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)人工心肺機(jī)。而支持該產(chǎn)品的高精度、高集成度電機(jī)控制技術(shù)恰恰得益于載人航天對于航天器精準(zhǔn)操控、盡量減重的嚴(yán)格要求。

和蘇聯(lián)、美國在20世紀(jì)中葉就啟動的航天項目相比，中國載人航天還得到時代賦予的特殊加持。從1992年立項算起，整個項目的發(fā)展恰好伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、電腦、手機(jī)的普及，和中國入世后制造業(yè)的加速發(fā)展。高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)環(huán)境和幾十年如一日的飛天努力互相激勵、彼此促進(jìn)，不僅有許多航天轉(zhuǎn)民用的例子，許多民用設(shè)備也實現(xiàn)了“上天”。比如韶音骨傳導(dǎo)耳機(jī)從神舟十二號起成為航天員的標(biāo)配—它不需入耳、佩戴舒適。提升了航天員太空生活的體驗。

在中國載人航天工程30多年的發(fā)展歷史中，類似的“互動”集中在最近幾年發(fā)生，這并非偶然。鄭松輝把航天工程對民用技術(shù)的影響概括為“綜合帶動”：1960年代美國搞的阿波羅計劃，對計算機(jī)行業(yè)產(chǎn)生了“綜合帶動”，所以科學(xué)技術(shù)在1970到1980年代有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，這才使得高科技公司在1980至1990年代快速崛起。

這種跨越世代的收獲，需要足夠的耐心才能見證。