中國航天開啟空間站時代

火箭呼嘯而去、飛船搖曳而落，瑰麗地球和深邃太空之間的一去一回，勾勒出一幕人類探索宇宙的壯麗圖景，也開啟了中國一個新的航天時代——空間站時代。

椰風碧海，巨箭聳立;馴火牧天，撼山動地?？?！長征火箭再度出征，中國航天以奮進的姿態走到一個新的歷史坐標。

這一幕，似曾相識。幾個月前，長征五號遙三運載火箭成功飛天，“胖五”再度叩響太空之門。

這一幕，又倍感新鮮。長征五號B遙一運載火箭（下稱“長征五號B運載火箭”）接過“哥哥”的“接力棒”，帶上“新乘客”——新一代載人飛船試驗船（下稱“新飛船”）再度出征，以探索太空的勇者姿態，扶搖直上九天。

這一飛，標志著中國空間站階段飛行任務首戰告捷;這一飛，拉開了我國載人航天工程“第三步”任務的序幕。這是中國航天的一小步，也是建成未來空間站的一大步，中國航天正闊步向前，開啟空間站時代。

長征五號B開啟問天新征程

長征五號B運載火箭由中國航天科技集團有限公司一院抓總研制，于5月5日在文昌航天發射場成功首飛，把近22噸重的新飛船送入太空。這是中國乃至亞洲火箭首次發射超過20噸重的航天器，進一步奠定了長征五號系列火箭運載能力在世界現役火箭第一梯隊中的地位。

此次首秀的長征五號B運載火箭——“胖五B”，與2019年底“王者歸來”的長征五號運載火箭——“胖五”相比有何不同，對中國航天又有何重大意義？

長征五號B運載火箭是在長征五號運載火箭的基礎上研制而成的，后者于2016年首飛，迄今已經發射過三次。

“長征五號運載火箭與長征五號B運載火箭在立項之初就確定為兩種最基本的構型，在后續很多大型試驗中，兩種狀態都是一并考慮的，它們屬于兄弟倆?！遍L征五號運載火箭副總指揮曲以廣說。

長征五號運載火箭與長征五號B運載火箭同屬長征五號系列火箭，共享5米大直徑箭體結構、大推力液氧液氫發動機技術、大推力液氧煤油發動機技術等關鍵技術，但在設計方面也有很多不同。

長征五號B運載火箭被稱為中國第一個“一級半”火箭?！耙患壈搿笔侵冈诨鸺囊患壣侠壦膫€助推器，助推器即“半級”。而長征五號運載火箭由一級、二級和助推器組成，是“二級半”。

從外觀上看，長征五號運載火箭整流罩長約12.3米，而長征五號B運載火箭整流罩達到20.5米，是中國最大的火箭整流罩。

縮減一級，長征五號B運載火箭比長征五號運載火箭矮了3米，但更重要的差別是用途。

多一級的長征五號運載火箭擅于跑長途，“乘客”目的地包括3.6萬公里的地球同步軌道、38萬公里外的月球以及更遠的火星。長征五號B運載火箭則運送目標距離更近的航天器，主要用于發射近地軌道大型衛星及飛船，這里是我國空間站建設的主戰場，后續空間站核心艙等主要艙段，都由長征五號B運載火箭送上天。

即便少了一級，長征五號B運載火箭在專門向近地軌道送貨的長征系列火箭中，力氣仍然是最大的，一次能送超過22噸的東西，相當于10多輛小轎車的重量，這個“力度”也讓我國發射較大規模的航天器成為可能。比如空間站的各個艙段重量超過20噸，只有長征五號B運載火箭能夠發射。

因此，長征五號B運載火箭被稱作中國空間站的“專屬列車”，其意義之重大可見一斑。

長征五號B運載火箭只用“一級半”就能把重磅航天器送上天，得益于采用氫氧推進劑的芯一級和采用液氧煤油推進劑的助推器的合理搭配。而芯一級的兩臺大推力氫氧發動機，從地面點火一直工作到把航天器送入軌道，要“打全場”，責任重大。

氫氧發動機的比沖（用于衡量發動機性能，可以理解為汽車的“百公里油耗”）傲視群雄，但其研制難度也極高。長征五號B運載火箭所承擔任務的特殊性，對芯一級的大推力氫氧發動機提出了更高的要求。

載人空間站工程的交會對接等任務好比在數百公里高的太空“穿針引線”，時間不能有絲毫誤差，否則可能失之交臂，導致耗費更大的代價調整軌道。這要求運載火箭必須嚴格按照精準的時間發射，達到分秒不差，也就是所謂的“零窗口”發射。

對氫氧發動機來說，要實現“零窗口”發射，必須確保發射前各項工作環環相扣、步步流暢，一點時間都不能耽誤。如發射前要預先把發動機的溫度降得很低，即“預冷”，以防止零下250多攝氏度的液氫和零下180多攝氏度的液氧推進劑進入發動機后發生意外。在長征五號運載火箭首飛時，就曾因為發動機預冷不順利而推遲發射時間。

同時，長征五號B運載火箭比長征五號運載火箭更輕，但起飛推力與長征五號運載火箭相同。用同樣的力氣向上提更輕的東西，加速度自然更快。而在助推器分離后，火箭加速度又瞬間降到最低。

“就像深海魚突然跳到喜馬拉雅山上，巨大的壓力變化會使魚瞬間爆裂”，中國航天科技集團有限公司六院長征五號運載火箭副總設計師王維彬說，發動機的入口面對過山車一樣大起大落的壓力，給發動機的穩定、可靠工作帶來巨大挑戰。

氫氧發動機研制隊伍通過大量的研究改進與試驗驗證，將這些難點逐一攻克，進一步提高了發動機工作的可靠性與穩定性，確保發動機發射前不會“發燒”、按時完成預冷等工作，飛行時扛住巨大壓力，平穩運行。

“在地面設備方面，我們通過采用遠程調節的方式，保證了發動機預冷等發射前環節的安全、順利推進?！敝袊教炜萍技瘓F有限公司一院長五火箭副總設計師賀建華介紹。

除了零窗口和過山車一樣的壓力，一級精準入軌也是一個巨大的挑戰。采用多級火箭執行發射任務時，都是用推力很小的末級火箭將衛星送到預定軌道，再輔以推力更小的姿態控制發動機，更容易在航天器入軌前對位置與姿態進行微調，從而確保精確入軌。

而只有一級半的長征五號B運載火箭要用兩臺大推力氫氧發動機直接運送載荷入軌，就像用大刀刻“微雕”，力道極難掌握，給精準入軌帶來了巨大挑戰。

同時，大推力氫氧發動機關機后，還會產生“后效”，就如同燃氣灶關閉后的“余火”，也會對入軌精度造成影響。這需要確保發動機燃燒穩定，并在發動機研制時就盡可能算出“后效”的預測值，控制系統也必須將所有可能產生的誤差考慮進去。

中國航天科技集團有限公司一院長征五號運載火箭副總設計師李學鋒介紹，針對發動機“后效”等不確定因素，研制團隊用隨機“打靶”的方法，模擬出上萬種情況，以驗證控制系統設計的可靠性?！按虬小睂嶒炞C明，即便預測的“后效”與實際情況有所出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。

而控制系統研制隊伍早在長征五號系列火箭研制之初，就統籌考慮了長征五號運載火箭和長征五號B運載火箭的任務特點。控制系統的硬件可以通用，已實現產品化;軟件也無需大改，就能適應兩者不同的飛行任務。

在火箭總體彈道設計上，科研人員也充分考慮了發動機“后效”的影響，基于發動機校準試車的實際數據進行計算，進一步優化了設計方案。

一眼看過去，長征五號B運載火箭與之前的三發長征五號運載火箭似乎沒有太大區別，但當深入了解后，才發現經過多次技術改進，“胖五”也在不斷地成長。

值得關注的是，上海航天技術研究院承擔了長征五號B運載火箭4個助推器以及外部安全系統、芯級配套電池等研制，提供90%的起飛推力。其中，4個巨大的助推器經歷了一段不為人知的“瘦身”歷程。

“胖五”家族助推模塊的頭錐由于飛行動力的需求，它和長征火箭家族中的其他兄弟姐妹們有所不同，從側面看上去呈現出一個三角形狀，從正面看上去就像一個萌萌的“小企鵝”嘟著嘴。

長征五號B運載火箭助推結構系統設計師林連鑌介紹，由于長征五號系列火箭采用了前捆綁點主傳力的結構，在助推器頭錐的前捆綁點處受到高達300多噸的偏置集中力。為了有效擴散和支撐如此大的偏置集中力，增強與前捆綁點處相連的偏置集中力承載結構，在看似“小企鵝”的斜頭錐里運用了增強強度的承力結構，但是由于它的放射性結構，“小企鵝”的體重一直居高不下，也使該結構占到整個頭錐重量的60%以上，經設計師團隊分析，此處減重空間最大。

上海航天技術研究院研制團隊通過“拓撲優化技術”對頭錐傳力路徑進行優化，基于拓撲優化結果對捆綁點下方集中承載和擴散結構開展工程化減重優化設計——將原頭錐捆綁點下方“多層放射筋壁板+主承力桁條”的多層結構串聯的集中力承載擴散結構，優化為結構更加連續、承載效率更高的“主承力桁條+主承力厚板”的新型并聯共承力形式，實現頭錐結構減重約12%，近150千克。

同時，設計師還從內部挖潛。長征五號B運載火箭助推動力系統副主任設計師李會萍介紹，根據前幾發長征五號運載火箭的飛行實際，煤油箱的增壓氣瓶余量較大，經過討論和分析驗證，在長征五號B運載火箭每個助推器中都減少了1個氣瓶，至少減重23千克。此外，取消后處理管路之后，每個助推器至少減重16千克。

長征五號B運載火箭是為我國載人空間站工程研制的，它的首飛對后續空間站建造來說至關重要。

長征五號運載火箭系統總指揮王玨介紹，從立項到首飛，長征五號B運載火箭經歷了近10年的研制歷程。2011年11月，長征五號B運載火箭正式批復立項，承擔發射空間站艙段的任務。2012年1月，長征五號B運載火箭方案通過評審，轉入初樣研制階段。2018年11月，長征五號B運載火箭轉入試樣研制階段。2020年1月19日，長征五號B運載火箭順利通過出廠評審。

“作為專門為載人航天工程空間站建設而研制的一型新型運載火箭，長征五號B運載火箭的首飛成功，標志著空間站工程建設進入了實質階段?！蓖醌k介紹說。

自長征一號火箭將東方紅一號衛星送入太空以來，中國人進入太空的能力已經實現多次跨越，長征五號B運載火箭的近地軌道運載能力大于22噸，可以將接近于3個“天宮一號”重量的空間站艙段送入太空。從長征一號到長征五號B運載火箭，從173千克到22噸，“長征五號B火箭的成功首飛讓中國航天擁有了更大的表現舞臺?！敝袊\載火箭技術研究院院長王小軍說。

長征五號系列運載火箭作為未來中國載人航天工程空間站建設以及月球探測、火星探測等深空探測任務的主力運載火箭，無疑將在建設航天強國之路上，承擔更加光榮而艱巨的使命。

據悉，長征五號系列運載火箭今年共計劃執行三次發射任務。除了長征五號B運載火箭首飛外，下半年長征五號運載火箭將發射我國首個火星探測器。年底前，長征五號運載火箭還將發射嫦娥五號月球探測器，計劃對月球表面采樣后返回。

“面對后續重大工程多、發射密度高等情況，不管條件如何變化，我們自力更生、艱苦奮斗的志氣不能丟。只有不畏艱險、埋頭苦干，才能讓探索太空的腳步走得更穩更遠?！遍L征五號系列運載火箭第一總指揮、中國運載火箭技術研究院黨委書記李明華說。

新飛船逐夢天宮

三朵紅白相間的巨大“傘花”在回收著陸場上空綻放，近7噸重的返回艙仿佛按下了慢放鍵，緩緩搖曳著向地面降落。返回艙離地面越來越近，6個氣囊打開，落地緩沖、平穩著陸。

伴隨長征五號B運載火箭首飛成功，新飛船也進入人們的視線。5月8日，返回艙平穩著陸，新飛船成功返回，未來這款航天員的新“座駕”將成為中國航天大家庭的重要成員。

新飛船是我國全面升級的天地往返交通工具，由中國航天科技集團有限公司五院自主研制。

自1999年神舟一號發射到2016年神舟十一號邀游太空，神舟飛船已經成功完成15次飛行，先后將11名航天員順利送入太空，并安全返回。

當中國人將目光投向月球和更遙遠的深空后，神舟飛船已經無法滿足更宏大的夢想。

相比神舟飛船，新飛船可以飛得更遠?？伤秃教靻T往返離地球近400公里的空間站，還能實現38萬公里外的載人登月，甚至去更遠的星球探險。

中國空間技術研究院北京空間機電研究所專家黃偉介紹，針對新飛船的特點，研究人員經多方案比較選擇了氣囊。氣囊的優勢主要在于：可重復使用，適應更復雜地形，落水還起到漂浮作用，能緩沖水平速度，著陸穩定性好。但相對神舟飛船所用的著陸反推形式，氣囊的緩沖行程固定，而緩沖發動機可以設置不同啟動高度，且氣囊的控制精度更難以保證。所以說它們各有優勢，但針對新飛船，用氣囊更合適。

揭秘中國空間站

20世紀90年代，我國制定了載人航天“三步走”發展戰略：一是發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用試驗;二是多人多天飛行、航天員出艙，實現飛船與空間艙的交會對接，并發射短期有人照料的空間實驗室;三是建造空間站，解決有較大規模的長期有人照料的空間應用問題。

如今，太空家園的夢想正一步步走向現實。長征五號B運載火箭首飛任務取得圓滿成功，標志著空間站階段飛行任務首戰告捷，期盼已久的中國空間站建造大幕終于拉開。

中國空間站的名字頗具中國特色，命名為“天宮”，一般情況下駐留3人，在航天員輪換時最多可達6人，建成后將成為我國長期在軌穩定運行的國家太空實驗室。

對于中國空間站的結構，中國航天科技集團有限公司五院空間站系統副總設計師朱光辰曾形象地比喻：“如果神舟飛船是一輛轎車，那么天宮一號和天宮二號相當于是一室一廳的房子，中國空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間?！?/p>

核心艙命名為“天和”，全長16.6米，最大直徑4.2米，發射質量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，是我國目前研制的最大航天器。它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活的主要場所，還能支持開展少量的空間科學實驗和技術試驗。為了讓航天員在太空中的長期生活更加舒適，核心艙在設計上有很大突破，供航天員工作生活的空間約50立方米，加上兩個實驗艙后，航天員活動空間整體達到110立方米。

核心艙包括節點艙、生活控制艙和資源艙三部分，有3個對接口和2個停泊口。停泊口用于連接兩個實驗艙，一起與核心艙組裝形成空間站組合體。對接口用于載人飛船、貨運飛船及其他飛行器訪問空間站，另有一個出艙口供航天員出艙活動。其中，核心艙前端的兩個對接口接納載人飛船對接?？?，后端的一個對接口接納貨運飛船停靠補給。對接口可以支持其他飛行器短期停靠，并接納新的艙段對接，擴展空間站規模。

實驗艙Ⅰ名為“問天”，主要任務是開展艙內和艙外空間科學實驗和技術試驗，也是航天員的工作生活場所和應急避難場所。實驗艙Ⅰ配備了航天員出艙活動專用氣閘艙，支持航天員出艙活動，配置了小型機械臂，可進行艙外載荷自動安裝操作。實驗艙Ⅰ有著核心艙部分關鍵平臺功能，這意味著在需要時，它可以執行對空間站的整個管理和控制。

實驗艙Ⅱ名為“夢天”，具備和實驗艙Ⅰ類似的功能。實驗艙Ⅱ還配置有貨物專用氣閘艙，在航天員和機械臂的輔助下，支持貨物、載荷自動進出艙。

空間站乘員天地往返運輸系統由神舟載人飛船和長征二號F火箭共同構成，主要負責航天員乘組和部分物資的往返運輸?？臻g站貨物運輸系統主要由天舟貨運飛船和長征七號火箭共同構成，主要為空間站上行運送航天員生活物資、推進劑、平臺維修設備附件及消耗品、載荷設備等補給物資，下行銷毀空間站廢棄物，并可用于空間站姿態和軌道控制。在空間站建設階段，長征五號B運載火箭同樣承擔著將空間站艙段送入軌道的重要任務。

此外，共軌飛行的光學艙也是空間站的一部分。光學艙可開展大規模多色測光與無縫光譜巡天，包括深度和極深度巡天觀測等，同時光學艙可以與空間站對接，進行在軌維護，實現長期運行。

“長期有人照料的國家級太空實驗室”是中國空間站“天宮”的定位。

作為太空實驗室，“天宮”的使命自然是要承擔科研任務。近地軌道的獨特環境對于特定科研目標來說非常稀缺和重要，空間站可提供在地球上幾乎不存在或難以長期保持同一狀態的特殊近地空間環境條件（例如失重或微重力、真空、空間輻射、極端溫度等）。

按規劃，空間站將在軌運行10年以上。圍繞地球運行期間，將面向前沿科學探索、人類生存和太空活動，支持開展大規模的空間科學實驗、技術試驗和空間應用等活動。

載人航天工程空間應用系統專家說，中國的空間站既是為中國科學家，也是為全球科學家提供的科學探索平臺，通過空間站這個平臺，有望涌現出更多科學成果，揭示宇宙的諸多奧秘。

空間站資源十分寶貴，經過科學且慎重的遴選，空間站上將搭載安裝包括生物學、材料科學、基礎物理、微重力、流體等類別相關的科學研究實驗設施。

包括與空間站共軌飛行的巡天望遠鏡在內，空間站規劃部署了密封艙內的十多個科學實驗柜、艙外暴露實驗平臺。這些科學實驗柜，每一個都可看成是一個小型的太空實驗室，支持一個或多個方向的空間科學與應用研究。

具體來說，在人類生存方面，空間站將圍繞人類長期太空生存和提高地面生活質量方面開展研究與應用。在太空活動方面，空間站支持開展遙科學技術、在軌組裝與維修維護、人機聯合作業等應用技術試驗驗證，增強人類的太空活動能力和在軌服務能力，拓展人類的活動范圍。

在空間站中，航天員既是空間站的居民，同時也是被研究對象。例如，迄今有11名中國航天員出色地完成了6次載人飛行任務，同時也有效驗證了航天員選拔訓練技術以及健康、生活和工作三大駐留保障技術，為未來空間站長期飛行奠定了堅實基礎，提供了強有力的技術支撐和保障?？臻g站時代，圍繞航天員的科學與技術研究將繼續開展。

“我們的目標是建設并運營國家級太空實驗室，為空間科學研究與應用提供全面支持，推動我國空間科學研究進入國際先進行列，并不斷將取得的先進科技成果轉化應用?！敝袊茖W院空間應用工程與技術中心主任高銘說。

與航天強國相比，中國空間站建設起步不算早，比國際空間站晚了20多年。但在空間站建設上，中國空間站充分考慮了科技對于航天發展的推動作用，并將其應用于各方面。可以說，中國空間站站在了一個更高的技術和科學起點上。

在近地軌道建設空間站，意味著需要掌握大型空間設施的建造技術和運營管理技術，需具備強大的維護維修升級能力。對此，中國空間站設計有兩類機械臂，人機配合，讓空間站建造維修成為可能。

“往太空運送物資的成本非常高，進行物資循環利用并提高物資循環利用率，是世界載人航天關注的重大技術問題?！敝袊d人航天工程總設計師周建平指出，通過新的技術支持，中國航天員在空間站的補給將得到更好保障。

此前我國航天員在軌飛行的最高紀錄是33天，航天員生存所必需的水和氧氣由航天器直接帶入太空。為了讓航天員實現更久的在軌停留，空間站設計了完整的可再生生命保障系統。電解制氧時產生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳將通過化學反應生成氧氣，這也能降低氧氣的補給需求。

空間站如此龐大的系統需要強有力的電力保障。空間站的電源系統包含兩對“翅膀”——單翼翼展約30米的柔性太陽翼。該系統能為空間站提供可靠、充足的不間斷供電。此外，空間站將采用電推進技術作為空間站軌道維持的動力裝置，這將顯著降低空間站運行期間的推進劑補給需求。

周建平指出：“中國空間站在功能、應用效益、建造技術、物資補給等重要指標方面，將可全面超越和平號空間站，達到或接近國際空間站水平;在信息技術、能源技術、動力技術和運營效費比方面，我們將超越國際空間站水平?！保ū究C合）