中國(guó)空間站，一步步走來(lái)
先后掌握了天地往返、太空出艙、交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)，4月29日，天和核心艙成功入軌
中國(guó)空間站，一步步走來(lái)(深度觀察)
本報(bào)記者 余建斌 劉詩(shī)瑤
4月29日，22.5噸重的中國(guó)空間站天和核心艙，從文昌航天發(fā)射場(chǎng)啟程，由長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭成功送入地球軌道。我國(guó)迄今為止最大航天器進(jìn)駐太空，意味著中國(guó)空間站建造已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性“施工”。對(duì)設(shè)計(jì)為3個(gè)艙段基本構(gòu)型的空間站而言，核心艙作為空間站的主控艙段，既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活的主要場(chǎng)所，已有能力支持航天員長(zhǎng)時(shí)間在太空生活。
我國(guó)載人航天工程從上世紀(jì)90年代初開始啟動(dòng)，規(guī)劃了“三步走”戰(zhàn)略，如今已進(jìn)入第三步——“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(wèn)題”�？臻g站是在近地軌道上運(yùn)行的大中型載人航天器，能夠讓人長(zhǎng)久在太空生活，靠貨運(yùn)飛船實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑和消耗品的補(bǔ)充，可以通過(guò)航天員進(jìn)行設(shè)備維修與更換而延長(zhǎng)壽命或改變、擴(kuò)充功能，堪稱太空定居點(diǎn)。
從發(fā)射載人飛船將航天員送入太空，到太空出艙、發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)載人航天工程先后用6艘載人飛船、5艘無(wú)人飛船、一艘貨運(yùn)飛船、一個(gè)目標(biāo)飛行器和一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室，支持11名中國(guó)航天員、14人次完成多趟太空之旅。環(huán)環(huán)相扣，循序漸進(jìn)，正是通過(guò)歷次“神舟”和“天宮”飛行任務(wù)，先后突破掌握了天地往返、太空出艙、交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)，為空間站鋪就了一條穩(wěn)妥可靠的建造之路。
天地往返
為空間站運(yùn)送航天員和物資，作為“救生船”長(zhǎng)期�？吭诳臻g站
2003年10月15日9時(shí)整，在震耳欲聾的轟鳴聲中，神舟五號(hào)飛船乘著火箭拔地而起，載著首位中國(guó)航天員楊利偉飛向太空。環(huán)繞地球飛行14圈，歷時(shí)21小時(shí)23分，楊利偉駕乘神舟五號(hào)飛船完成了中國(guó)首次載人航天飛行，把中國(guó)人的身影留在了浩瀚太空。
空間站并非是來(lái)回地球的航天器，要建空間站，就要先擁有用于運(yùn)送人員的天地往返運(yùn)輸器。
航天專家介紹，飛船最重要的用途之一就是為空間站運(yùn)送航天員和物資。此外，人在空間站內(nèi)長(zhǎng)期工作和生活，隨時(shí)都可能出現(xiàn)危險(xiǎn)，如航天員突發(fā)疾病，空間碎片或流星擊穿航天員生活的壓力艙艙壁等。這時(shí)就需要航天員馬上撤離空間站，返回地面。由于飛船體積小、質(zhì)量輕、成本低，因此很適宜作為“救生船”長(zhǎng)期�？吭诳臻g站。神舟載人飛船可支持3名航天員實(shí)現(xiàn)天地往返，在空間站�？科陂g也作為“救生船”，用于航天員應(yīng)急救生和返回。
從神舟一號(hào)無(wú)人飛船到神舟五號(hào)載人飛船的飛行都成功了，但成功并不意味著成熟，所以神舟六號(hào)、神舟七號(hào)飛船繼續(xù)優(yōu)化，進(jìn)一步提高可靠性和安全性。有了第一次載人飛行經(jīng)驗(yàn)，科研人員對(duì)飛船做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，2005年神舟六號(hào)升空，已經(jīng)能上兩名航天員，飛行時(shí)間也延長(zhǎng)至5天。
神舟系列飛船最大變化在神舟七號(hào)、神舟八號(hào)飛船兩個(gè)階段。神舟七號(hào)增加了出艙功能，神舟八號(hào)完成了交會(huì)對(duì)接。
中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平說(shuō)，神舟飛船全都具備天地往返功能。神舟一號(hào)到神舟七號(hào)飛船的主要功能是把人送入近地軌道，人在飛船上生活和工作。從神舟八號(hào)開始，神舟飛船作為載人運(yùn)輸飛船基本定型，之后不再做大的改動(dòng)。它可以和在軌運(yùn)行的航天器對(duì)接上，然后把人員送到航天器里面去，航天員完成預(yù)定任務(wù)后再乘坐飛船返回地面。
神舟八號(hào)通過(guò)不載人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，神舟九號(hào)通過(guò)載人實(shí)現(xiàn)手動(dòng)交會(huì)對(duì)接。與神舟八號(hào)、神舟九號(hào)功能一致的神舟十號(hào)飛船，進(jìn)一步考核交會(huì)對(duì)接技術(shù)后完成了應(yīng)用飛行任務(wù)。自此，作為狀態(tài)穩(wěn)定成熟的載人太空飛船，神舟系列飛船和長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭組成了我國(guó)載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，將成為中國(guó)航天員往返空間站的太空交通工具。
當(dāng)然，火箭是目前人類沖出大氣層、去往太空的唯一交通工具，建設(shè)空間站尤其需要運(yùn)力強(qiáng)大的運(yùn)載火箭。長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭承擔(dān)著將空間站艙段送入軌道的重要任務(wù)�？臻g站“專列”長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭，是在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的新型火箭。
火箭專家說(shuō)，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭屬于按系列化、模塊化、組合化思路研制的一款新型大型運(yùn)載火箭，也是我國(guó)首個(gè)一級(jí)半構(gòu)型的大型運(yùn)載火箭，主要用于近地軌道大型航天器發(fā)射，承擔(dān)起我國(guó)載人空間站艙段等重大航天發(fā)射任務(wù)。由于空間站艙段較以往的航天器要大不少，科研人員根據(jù)空間站任務(wù)要求新研制了大型整流罩，可以罩住空間站艙段，保護(hù)其在發(fā)射過(guò)程中的安全。
太空出艙
在太空組裝、維修空間站，航天員出艙是重要手段
2008年9月25日21時(shí)10分，中國(guó)第三艘載人飛船——神舟七號(hào)把翟志剛、劉伯明、景海鵬3名航天員順利送上太空，這3位都屬馬的中國(guó)航天員開始了太空旅行。僅僅用了兩天適應(yīng)陌生的太空環(huán)境后，翟志剛在劉伯明、景海鵬的密切配合下，完成首次太空出艙行走，在距地球343公里的太空軌道實(shí)現(xiàn)了中國(guó)人與宇宙的第一次直接握手，讓茫茫太空多了一抹五星紅旗的鮮艷。
神舟七號(hào)3名航天員首次成功實(shí)施空間出艙活動(dòng)，意味著空間出艙關(guān)鍵技術(shù)已被突破，這為空間站建造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
專家介紹，掌握太空出艙活動(dòng)技術(shù)主要有四大用途：一是在太空組裝、擴(kuò)建大型空間站，二是在太空維修、維護(hù)、升級(jí)航天器，三是較方便地完成回收與釋放衛(wèi)星以及科研等任務(wù)，四是用于緊急太空救援。
空間站任務(wù)對(duì)航天員的能力要求更多。過(guò)去航天員在太空做的大部分是艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)，將來(lái)空間站建造階段，航天員大量的工作要在艙外空間進(jìn)行。
周建平認(rèn)為，人在太空中可以發(fā)揮自動(dòng)化機(jī)器無(wú)法替代的作用。在近地軌道建設(shè)空間站，就意味著需要掌握大型空間設(shè)施的建造技術(shù)和運(yùn)營(yíng)管理技術(shù)，具備強(qiáng)大的維護(hù)維修升級(jí)能力。航天員出艙和利用機(jī)械臂，都是重要的手段。
神舟七號(hào)稱得上是繼中國(guó)航天員首次進(jìn)入太空后，我國(guó)載人航天飛行的一座新里程碑。尤其是技術(shù)跨越比較大，為突破出艙技術(shù)，科研人員在短期內(nèi)研制出了第一件艙外航天服，重新為飛船軌道艙增加了氣閘艙功能，并在太空應(yīng)用獲得成功，驗(yàn)證了氣閘艙的相關(guān)技術(shù)。氣閘艙是航天人進(jìn)出空間站的“安全中轉(zhuǎn)艙”，神舟七號(hào)任務(wù)也為空間站氣閘艙的研制奠定了基礎(chǔ)。
空間交會(huì)對(duì)接
當(dāng)今航天領(lǐng)域最為復(fù)雜的技術(shù)之一，是建設(shè)空間站必須走出的關(guān)鍵一步
2011年11月3日1時(shí)36分，一場(chǎng)曼妙的太空之舞在距地球343公里的軌道上演。兩位“舞者”，是中國(guó)兩個(gè)航天器：天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)飛船。12把對(duì)接鎖準(zhǔn)確啟動(dòng)，上千個(gè)齒輪和軸承同步工作，天宮與神舟牽手相擁，開始12天的“雙人太空之舞”。中國(guó)成為世界上第三個(gè)掌握自動(dòng)空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國(guó)家。
2012年6月18日下午，在太空飛行的天宮一號(hào)迎來(lái)首批航天員訪客。3位航天員乘坐神舟九號(hào)飛船通過(guò)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接入駐。6月24日，從天宮一號(hào)撤離的神舟九號(hào)，再向天宮一號(hào)追趕，最終由航天員劉旺手動(dòng)控制，再次與天宮一號(hào)對(duì)接成功。這意味著載人航天三大基礎(chǔ)性技術(shù)中的最后一項(xiàng)——空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)已被全面掌握。
空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)是當(dāng)今航天領(lǐng)域最為復(fù)雜的技術(shù)之一，對(duì)接規(guī)模大、技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)多，是建設(shè)空間站必須走出的關(guān)鍵一步。
“不突破和掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，建設(shè)空間實(shí)驗(yàn)室、空間站的設(shè)想，都只能是空中樓閣�！敝芙ㄆ秸f(shuō)�？臻g交會(huì)對(duì)接是開展載人航天活動(dòng)必須突破的重要基本技術(shù)。載人飛船的主要用途是為空間站提供運(yùn)輸服務(wù)，所以必須攻克空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，這樣才能把航天員和所需物資及設(shè)備運(yùn)到空間站上，并讓飛船長(zhǎng)期停靠在空間站上。
按照“一次飛行驗(yàn)證的是方案的正確性，全面性一定要通過(guò)多次的飛行來(lái)驗(yàn)證”的要求，3艘飛船和目標(biāo)飛行器被用來(lái)驗(yàn)證自動(dòng)、人工的交會(huì)對(duì)接技術(shù)。通過(guò)神舟八號(hào)、神舟九號(hào)、神舟十號(hào)飛船3次飛行和天宮一號(hào)的多次交會(huì)對(duì)接，充分驗(yàn)證空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，保證未來(lái)空間站人員和物資的可靠運(yùn)送、補(bǔ)給。
周建平說(shuō)，從總體方案上講，如果按照國(guó)外當(dāng)時(shí)用的飛船和飛船對(duì)接，看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是飛行成本高。做3次交會(huì)對(duì)接，需要發(fā)射6次飛船。我們研制了目標(biāo)飛行器，要進(jìn)行N次交會(huì)對(duì)接，我們發(fā)射N+1個(gè)航天器就行，減少發(fā)射次數(shù)，降低成本。讓一個(gè)目標(biāo)飛行器支持多次交會(huì)對(duì)接，這是中國(guó)獨(dú)創(chuàng)。
這在技術(shù)上提出了新的挑戰(zhàn)。例如目標(biāo)飛行器要具備載人的能力，而且要具備在軌道上比較長(zhǎng)時(shí)間飛行的能力。天宮一號(hào)的表現(xiàn)證明，這個(gè)挑戰(zhàn)能夠成功應(yīng)對(duì)。天宮一號(hào)除了完成交會(huì)對(duì)接以外，與飛船相比，它可以給人提供訪問(wèn)、工作、生活的支撐能力。當(dāng)飛船和目標(biāo)飛行器對(duì)接以后，航天員可以進(jìn)到這個(gè)目標(biāo)飛行器里面生活和工作一段時(shí)間，包括進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
專家介紹，就空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)而言，從總體方案到具體實(shí)施，具體到交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)、測(cè)量和控制技術(shù)，都是自主研發(fā)。例如，交會(huì)對(duì)接核心的對(duì)接機(jī)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，由數(shù)百個(gè)傳感器、上千個(gè)齒輪、數(shù)萬(wàn)個(gè)零件組成。當(dāng)兩個(gè)航天器上的對(duì)接機(jī)構(gòu)互相牢牢鎖緊，形成一體后，要在兩個(gè)飛行器之間建立能供航天員通過(guò)的密不透氣的通道。對(duì)接機(jī)構(gòu)真正打通了航天員的生命通道，航天員通過(guò)這個(gè)通道進(jìn)入天宮。
自此，天地往返、太空出艙、空間交會(huì)對(duì)接這三大載人航天活動(dòng)基本技術(shù)，已被全部掌握，對(duì)中國(guó)航天員來(lái)說(shuō)，已經(jīng)能在近地軌道自由出入，建造空間站也具備了基本條件。
太空補(bǔ)給
空間站貨物運(yùn)輸系統(tǒng)，解決了空間站建造和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)所需的太空貨物運(yùn)輸問(wèn)題
2017年9月22日，我國(guó)首艘貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)在地面控制下，從300多公里高度的軌道逐漸下降并向地球接近，最終進(jìn)入大氣層燒毀，順利完成了5個(gè)月的“太空快遞”使命。
此前，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船發(fā)射成功后，與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，并順利完成首次“太空加油”；其后，天舟一號(hào)完成與天宮二號(hào)的繞飛和第二次交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)……天舟一號(hào)飛行任務(wù)的完成標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程“三步走”規(guī)劃“第二步”的實(shí)現(xiàn)，也將中國(guó)載人航天推進(jìn)至空間站時(shí)代的大門。
重要的是，天舟一號(hào)飛行任務(wù)成功突破和驗(yàn)證了空間站貨物運(yùn)輸、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加等關(guān)鍵技術(shù)。此后，天舟貨運(yùn)飛船和長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭正式組成空間站貨物運(yùn)輸系統(tǒng)，解決了空間站建造和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)所需的太空貨物運(yùn)輸問(wèn)題，使空間站建造具備了基本條件。貨運(yùn)飛船將為空間站運(yùn)送航天員的生活物資、推進(jìn)劑、載荷設(shè)備等補(bǔ)給物資，并收集空間站丟棄的廢棄物和生活垃圾，隨貨運(yùn)飛船返回進(jìn)入大氣層燒毀。
2017年4月22日12時(shí)23分，天舟一號(hào)與天宮二號(hào)進(jìn)行交會(huì)對(duì)接。在做好一系列推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗(yàn)相關(guān)準(zhǔn)備工作后，在地面操作人員精確控制下，天舟一號(hào)與天宮二號(hào)共同配合完成了持續(xù)約5天的推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加。
在軌補(bǔ)加推進(jìn)劑也就是補(bǔ)充燃料，這是空間站要使用的重要技術(shù)。在空間軌道上為航天器補(bǔ)加推進(jìn)劑，非常復(fù)雜，是技術(shù)上要驗(yàn)證的重大技術(shù)。天舟一號(hào)任務(wù)突破和掌握推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)航天領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了空間推進(jìn)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)跨越，為我國(guó)空間站組裝建造和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)掃清了能源供給上的障礙。
在空間站長(zhǎng)期生活
保障航天員在太空的長(zhǎng)期生活、工作和健康，對(duì)航天員和地面支持團(tuán)隊(duì)都是挑戰(zhàn)
2016年，神舟十一號(hào)航天員景海鵬、陳冬在太空完成33天中期駐留，為后續(xù)的中國(guó)空間站建造運(yùn)營(yíng)奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
此前，神舟五號(hào)任務(wù)將楊利偉送入太空后，短短兩年后，費(fèi)俊龍、聶海勝執(zhí)行危險(xiǎn)性及難度系數(shù)均高出很多的神舟六號(hào)飛船任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了載人航天飛行從“一人一天”到“多人多天”的重大跨越。到景海鵬、陳冬參加的神舟十一號(hào)任務(wù)，航天員在太空生活時(shí)間一個(gè)月，達(dá)到了中長(zhǎng)期太空飛行的門檻。
按照規(guī)劃，未來(lái)在空間站的常態(tài)化運(yùn)行中，有3名航天員作為一個(gè)乘組長(zhǎng)期飛行，乘組定期輪換。輪換期間，最多可有6名航天員同時(shí)在空間站工作，完成交接后，前一個(gè)乘組乘坐載人飛船返回地球。航天員在空間站的駐留時(shí)間將達(dá)3個(gè)月乃至半年之久。
保障航天員在太空的長(zhǎng)期生活、工作和健康，對(duì)航天員和地面支持團(tuán)隊(duì)都是挑戰(zhàn)。歷次的神舟飛船載人任務(wù)，實(shí)際上也是對(duì)太空駐留保障的考驗(yàn)和驗(yàn)證。相比于此前我國(guó)載人航天飛行任務(wù)的頻率，空間站建造和運(yùn)營(yíng)期間每年有多次發(fā)射，需要航天員的類型、人數(shù)會(huì)更多。
載人航天工程航天員系統(tǒng)專家介紹，11名航天員出色地完成了6次載人飛行任務(wù)，航天員隊(duì)伍總體實(shí)力增強(qiáng)�！叭耸禽d人航天的主體，將來(lái)走出地球?qū)ふ倚碌募覉@也是人類，所以要持續(xù)關(guān)注人的健康保障問(wèn)題。”
到2016年完成的神舟十一號(hào)任務(wù)為止，已實(shí)現(xiàn)航天員中期駐留目標(biāo)，使得我國(guó)航天員在軌駐留時(shí)間大幅延長(zhǎng)，相關(guān)生活、工作和健康保障以及航天員執(zhí)行飛行任務(wù)的能力得到有效驗(yàn)證；初步建立起面向長(zhǎng)期飛行任務(wù)的支持體系和保障機(jī)制，為建造和運(yùn)營(yíng)空間站奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；為空間站階段長(zhǎng)期有人參與開展空間應(yīng)用和技術(shù)試驗(yàn)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
周建平提及，往太空運(yùn)送物資的成本非常高，進(jìn)行物資循環(huán)利用并提高物資循環(huán)利用率，是世界載人航天關(guān)注的重大技術(shù)問(wèn)題。
通過(guò)新的技術(shù)支持，中國(guó)航天員在空間站的補(bǔ)給將得到更好保障。此前航天員生存所必需的水和氧氣由航天器直接帶入太空。為了讓航天員實(shí)現(xiàn)更久的在軌停留，空間站設(shè)計(jì)了完整的可再生生命保障系統(tǒng)，進(jìn)一步提高對(duì)水和氧氣的循環(huán)利用水平，既減輕太空運(yùn)輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、降低成本，同時(shí)也使人類在太空的生存能力進(jìn)一步提升。
正是在具備一系列關(guān)鍵技術(shù)和基本能力后，中國(guó)空間站打下了扎實(shí)的“太空地基”，從而初步實(shí)現(xiàn)了夢(mèng)想。
記者手記
空間站 新起點(diǎn)
仿佛千里跋涉，一步一步執(zhí)著前行，中國(guó)人在太空“筑巢”的夢(mèng)想終于化為現(xiàn)實(shí)——中國(guó)空間站的核心艙已然在我們頭頂環(huán)繞地球而飛。不久以后，還會(huì)有航天員入駐這個(gè)更新、更寬敞、更舒適、更強(qiáng)大的“太空之家”。不知道星光璀璨的“夜晚”，在深邃的太空酣然入夢(mèng)，是怎樣的一種體驗(yàn)？
能夠徜徉太空，靠的是攻克一道道技術(shù)難關(guān)，靠的是好奇心與實(shí)干。空間站是中國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的第三步，看似水到渠成的每一步，背后則是一個(gè)個(gè)夢(mèng)想與智慧、追求與勇氣交織的故事。扎扎實(shí)實(shí)的每一步，背后是不甘人后、自立自強(qiáng)的進(jìn)取精神。人們感嘆前輩們的遠(yuǎn)見(jiàn)，感佩創(chuàng)新者的精神。
這是對(duì)幾代人艱苦拼搏的回報(bào)和勉勵(lì)，也將激發(fā)我們對(duì)更廣闊世界的想象、對(duì)更遼遠(yuǎn)深空的探索。對(duì)無(wú)止境的宇宙探索來(lái)說(shuō)，空間站是一個(gè)新起點(diǎn)，在追逐夢(mèng)想的路上，讓我們向著更美好的未來(lái)，繼續(xù)奔跑！
