從“神舟”到“天宮”

龐之浩

從第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅”誕生，再到神舟十三號載人飛船成功返回，中國人對無邊宇宙的探索從未停止。

早在1964至1966年，中國就發(fā)射了多枚生物火箭，先后把小白鼠、大白鼠和小狗等動物送上了天并實現(xiàn)安全回收。這些生物火箭試驗開創(chuàng)了中國宇宙生物試驗的先河，為航天醫(yī)學的發(fā)展積累了寶貴的經驗。

1966年，中國制定了第一個“載人宇宙航行規(guī)劃”，設想在1973至1975年發(fā)射中國第一艘載人宇宙飛船，并在兩年內將兩名航天員送入太空。1968年1月，中國召開了載人飛船總體方案設想論證會，在這次會上，中國第一艘載人飛船被命名為曙光一號。

1968年4月1日，代號507的航天醫(yī)學工程研究所正式成立，主要承擔有關航天員生命保障、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保以及航天員選拔訓練的任務。參照當時蘇聯(lián)和美國的經驗，中國從戰(zhàn)斗機飛行員中拔出19名預備航天員。1971年4月，展開了全面的飛船方案論證工作。

1975年11月26日，中國發(fā)射了第一顆返回式衛(wèi)星，幾天后成功回收，為中國載人飛船的返回奠定了基礎。

但由于當時的政治環(huán)境、經濟能力、技術水平和工業(yè)基礎等條件不成熟，中國無法承擔這一耗資巨大的工程，該工程在1975年不得不中途下馬。

改革開放后，中國于1986年起開始實施“863”計劃—發(fā)展高技術，其中包括發(fā)展載人航天技術，中國載人航天再次迎來了難得的發(fā)展機遇。

在載人航天器中，空間站具有體積大、壽命長和功能強的特點，適合長期載人航天，開展太空科研工作，但不能天地往返，所以在研制、發(fā)射空間站之前要先研制可以天地往返但體積小、壽命短的宇宙飛船或航天飛機，主要用于接送航天員和貨物。

當時專家就研制哪種天地往返運輸器有很大爭議，在呼聲較高的5種方案中有4種是研制航天飛機的方案，只有一種是研制載人飛船的方案。不過經過幾年的深入論證，根據(jù)當時中國的國情和國力，遵照“有限目標、突出重點”的“863”高技術研究發(fā)展的指導思想，專家們最后一致同意從載人飛船起步，直接研制可載人3人的三艙式載人飛船“神舟”。研制載人飛船也可最大限度地利用中國已掌握的返回式衛(wèi)星的成熟技術。

1992年9月21日，國家批準研制中國載人飛船工程立項啟動，以日期命名為“921工程”，一個路線清晰且雄心勃勃的藍圖也躍然紙上—“三步走”戰(zhàn)略。

第一步，突破和掌握載人天地往返運輸技術，即用載人飛船將航天員安全地送入軌道，并安全返回地面。這一步中國通過2003年發(fā)射神舟五號飛船進行單人單天飛行，2005年發(fā)射神舟六號飛船進行兩人多天飛行完成。

第二步，突破航天員太空行走、空間交會對接兩項關鍵技術，并發(fā)射空間實驗室和貨運飛船，這些也都是建造空間站的基礎。這一步分兩個階段實施。在第一階段，先于2008年發(fā)射了神舟七號載人飛船，航天員翟志剛完成了空間出艙活動，使中國突破了太空行走技術。隨后于2011年發(fā)射了天宮一號目標飛行器，接著在2011至2013年陸續(xù)發(fā)射了神舟八號、九號、十號飛船與之分別對接，使中國突破和掌握了自動和手動交會對接技術，還驗證了組合體飛行技術，飛船也定型了。在第二階段，中國先于2016年發(fā)射了天宮二號空間實驗室，然后在2016至2017年先后了發(fā)射神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船與之分別對接，從而驗證了航天員中期在軌駐留技術、在軌加注技術、貨運飛船技術和未來空間站的部分新技術，并進行了較大規(guī)模的科學實驗和技術試驗。

第三步，計劃在2022年建成長期載人的大型空間站“天宮”，開展大規(guī)模、長期有人照料的空間應用。中國沒有走美蘇建空間站的老路，利用后發(fā)優(yōu)勢，直接研制達到世界第三代空間站水平的“天宮”空間站。它采用積木式構型，由3個20噸級艙段組成T字形。它將在軌運營10年以上，用于獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰(zhàn)略意義的應用成果。

2022年4月30日，長征十一號運載火箭“一箭五星”在中國海域成功發(fā)射。這是“長征”系列運載火箭的第418次飛行。“長征”系列運載火箭實現(xiàn)第一個100次發(fā)射用時37年；實現(xiàn)第二個100次發(fā)射用時7年多；實現(xiàn)第三個100次發(fā)射用時4年多；而實現(xiàn)第四個100次發(fā)射用時僅2年多。

無論在運載能力、發(fā)射數(shù)量，還是在型號種類、入軌精度等諸多方面，“長征”系列運載火箭是中國運載火箭中的絕對主力，名副其實的“國家隊”。幾十年來，通過中國幾代火箭人的不懈努力，“長征”系列運載火箭走過了從常溫推進到低溫推進、串聯(lián)到并聯(lián)、低軌到高軌、“一箭一星”到“一箭多星”；從發(fā)射人造地球衛(wèi)星到發(fā)射載人航天器和空間探測器、陸射到海射等技術歷程，在推力、成功率、發(fā)射頻度、入軌精度和適應能力等方面均達到世界一流火箭水平。

在載人航天工程中，長征二號F運載火箭（長征-2F）是“神舟”載人飛船的“黃金搭檔”。從1999年到2021年，素有“神箭”之稱的長征-2F在20多年間將5艘無人飛船、8艘載人飛船、1個目標飛行器和1個空間實驗室相繼送入太空，創(chuàng)造了發(fā)射成功率100%的完美飛行。

在新一代運載火箭中，長征五號B大型運載火箭（長征-5B）是空間站建設的“核心骨干”，長征-5B是專為中國載人航天工程空間站核心艙和實驗艙等艙段發(fā)射任務打造的一型全新構型的大型運載火箭。2020年搭載新一代載人飛船試驗船首飛成功，拉開了中國空間站在軌建造的序幕。

而長征七號運載火箭（長征-7）則是空間站貨運飛船的“專列”，長征-7是為滿足中國載人空間站工程發(fā)射貨運飛船的需求而研制的新一代高可靠、高安全的中型運載火箭。從2016年到2022年，長征-7首飛成功后，先后將4艘貨運飛船送入太空。

1999年11月20日，中國第一艘無人試驗飛船神舟一號首次成功發(fā)射，對突破載人航天技術具有重要意義，是中國航天史上的重要里程碑。截至2022年4月，中國已成功發(fā)射了13艘“神舟”系列飛船，其中8艘載人飛船，5艘無人試驗飛船，成功率達100%。

“神舟”采用由軌道艙、返回艙和推進艙組成的三艙式構型，乘員人數(shù)最多3人，可自主飛行7天、停靠飛行180天。其軌道艙位于飛船前部，用于航天員入軌后的工作、吃飯、方便、睡覺和交會對接等；返回艙位于飛船中部，是航天員天地往返時的座艙，也是飛船的控制中心；推進艙位于飛船后部，為非密封結構，為飛船提供動力、電源、燃料等。

“神舟”飛船雖然是一種小型載人航天器，但它由14個分系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)涉及物理、醫(yī)學等數(shù)十種學科領域，所以具有技術多樣性和研制復雜性的特點。

2020年，中國成功發(fā)射了新一代載人飛船試驗船。與“神舟”相比，新一代載人飛船具有載人多、用途廣和可重復使用等一系列優(yōu)點，可用于未來的載人登月等任務。

“神舟”飛船采用了多項新技術，其中10多項關鍵技術達到國際先進水平。它使中國的載人飛船技術達到或優(yōu)于國際第三代載人飛船的水平。“神舟”飛船具有以下主要特點：

★起點很高。作為中國第一代載人飛船，“神舟”采用了當時最先進、目前仍較為先進的3艙式構型，一次可乘3名航天員。

★性能先進。例如，它采用了信息技術的最新成果，從自動化控制、制導與導航到數(shù)據(jù)管理，從應對故障的冗余設計到液晶顯示設備，“神舟”的電子技術和智能化水平都領先于同類的俄羅斯“聯(lián)盟”載人飛船。

★防熱性好。其返回艙表面積是22.4平方米，使用的防熱材料總質量約500千克。俄羅斯“聯(lián)盟”飛船返回艙表面積是17平方米，但防熱材料質量達700千克。

★降落傘大。“神舟”的主降落傘是中國航天器用最大環(huán)帆傘，有1200平方米，可疊起來卻只有一個小提包大，質量僅約90千克。

載人航天的核心是載人，關鍵在航天員。中國載人航天起步晚，航天員培養(yǎng)和訓練更是從零開始。肩負著重要使命的航天員，需要具有獻身精神、學識水平、工作能力、環(huán)境耐力、心理素質和身體素質，選拔標準極高，可謂“千萬里挑一”。

1998年1月5日，中國航天員大隊成立，從1500多名優(yōu)秀空軍飛行員中嚴苛選拔的14人，成為中國首批航天員。2010年5月，中國完成第二批航天員選拔工作，新加入7名航天員。2020年，中國完成第三批航天員的選拔工作，新加入18名航天員，其中7名航天駕駛員是從戰(zhàn)斗機飛行員里選拔的，7名航天飛行工程師是從與航空航天相關的工程師里選拔的，4名載荷專家是從科學家里選拔的。

載人航天飛行科技含量高、程序流程復雜，航天員每一個操作、每一個細節(jié)都直接關系著任務的成敗。從天空到太空，航天員們不僅要轉換角色，更要經歷身體素質、心理素質、知識儲備甚至面對特殊環(huán)境的全方位考驗。航天員要學習掌握包括體能心理強化、航天專業(yè)技術、救生與生存等8大類上百個科目訓練，每周要固定進行體能訓練。

航天環(huán)境的適應性訓練是一道難關，例如，模擬失重訓練，航天員要身著160多千克重的水下訓練服，在深水中反復訓練艙外活動技能；頭低位臥床訓練，連續(xù)多日保持頭低腳高的姿勢，頂著臉部充血、鼻塞頭痛、胸悶失眠等嚴重不適，同時進行進食飲水、清理個人衛(wèi)生等日常操作訓練；超重耐力適應性訓練，置身時速100千米旋轉的離心機，承受8倍重力加速度，以及30分鐘以上的低壓缺氧訓練等等。

中國航天員這支特殊的群體、堪稱“國寶”的團隊，為中國由航天大國向航天強國的目標邁進做出了巨大奉獻。如今，中國空間站進入在軌建造階段，中國航天員也將面臨新任務，他們正探索著未知的新高度。

在進入空間站階段前，2011年和2016年，中國先后發(fā)射了天宮一號目標飛行器和天宮二號空間實驗室。用這兩個“微型空間站”驗證了交會對接、組合體飛行及航天員中期在軌駐留、貨運飛船和未來空間站等部分新技術。與載人飛船相比，它們具有空間站壽命長和功能強等一些元素，但因其體積比較小，所以視為微型空間站。

天宮一號和二號在外形、結構、尺寸、質量上基本相同，均由實驗艙和資源艙組成，其中的實驗艙是控制艙，也是航天員的工作艙和生活艙，由密封艙和非密封艙組成；資源艙是非密封艙。

實驗艙的密封艙有專用的睡眠區(qū)、鍛煉區(qū)、實驗區(qū)、儀表區(qū)，非密封艙安裝了航天應用設備或空間實驗設備。實驗艙前端裝有通信設備、交會測量設備和對接機構，用于支持與載人飛船實現(xiàn)交會對接。

資源艙用于提供動力、燃料和電能。艙內主要裝有推進劑貯箱、鎳氫蓄電池以及環(huán)境控制用氣瓶等設備。艙外裝有太陽電池翼以及中繼衛(wèi)星天線。

為了滿足航天員中期駐留30天的需要和后續(xù)的空間站建設，天宮二號做出了以下改變：

改善了就餐和睡眠環(huán)境，增加了鍛煉設備和娛樂設施；

安排了在軌維修技術驗證和機械臂維修操作驗證系統(tǒng)，對空間站的維修體系進行了全面驗證需求；

采用了模塊化設計，即當某個設備出現(xiàn)故障時可以像插拔U盤一樣快速更換和在軌維修；

與天舟一號貨運飛船進行了在軌補加推進劑技術試驗。

天宮一號是中國入門級的空間實驗室，也是中國邁入航天“三步走”戰(zhàn)略的第二步第二階段，主要任務是完成交會對接與繞地運行的實驗。

2011年9月29日，中國成功發(fā)射了第一個目標飛行器—天宮一號，并完成手動和自動對接。2016年3月16日正式終止數(shù)據(jù)服務，2018年4月2日再入大氣層，銷毀部分器件。在軌期間，天宮一號先后與神舟八號、神舟九號和神舟十號飛船完成多次空間交會對接。

在軌期間主要完成了四大任務：

★作為交會對接的目標，與“神舟”飛船配合進行了空間的交會對接任務；

★實現(xiàn)了與“神舟”飛船對接后的組合體控制和管理；

★實現(xiàn)了航天員的在軌駐留、生活和工作，為航天員提供在組合體內工作生活所需的基本條件，開展了相關的科學實驗；

★進行空間技術試驗，為未來空間站的建造進行先期的技術驗證。

天宮二號是中國載人航天工程發(fā)射第二個目標飛行器，也是中國首個具備補加功能的載人航天科學實驗空間實驗室，擔負著驗證空間站所需技術的重任。

2016年9月15日發(fā)射升空，2019年7月16日終止數(shù)據(jù)服務，2019年7月19日受控離軌并再入大氣層，落入南太平洋預定安全海域。在軌期間，天宮二號先后與神舟十一號、天舟一號進行對接，承擔著驗證空間站相關技術的重要使命。

在軌期間主要完成了三大任務：

★驗證航天員在軌中期駐留技術，進行在軌維修技術試驗；

★與貨運飛船對接，驗證推進劑在軌補加技術；

★開展大規(guī)模空間科學和應用實驗。

“神舟”飛船是一個狹小的空間，如果說到天宮二號空間實驗室是一室一廳，那么到了中國空間站就變成三室兩廳還帶儲藏間的“豪宅”—“三室”指天和核心艙以及問天和夢天實驗艙，“兩廳”則是指“神舟”載人飛船和“天舟”貨運飛船。

中國空間站工程于2010年9月25日立項，計劃在2022年建成和運營近地載人空間站，從而使中國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術，具備長期開展近地空間有人參與實驗和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國家。

中國空間站基本構型包括“天和”核心艙、“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙，這三個艙每個質量都是20噸級，采用水平對稱T型構型作為空間站三艙組合體基本拓撲結構，所有艙段均位于組合體水平面內，其中“天和”核心艙居中，“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙對接于兩側。

中國空間站也可以根據(jù)需要進一步擴展，由“T”字構型擴展成“干”字構型，活動空間增加一倍。它有望取得有重大科學價值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應用成果。

中國空間站的應用是以建設國家太空實驗室為目標，充分利用空間站能力，開展科學前沿的創(chuàng)新性實驗和應用研究，力爭在科學和技術上取得重大突破，主要包括航天醫(yī)學實驗、空間科學研究與應用和航天技術試驗三大類。

探索未知宇宙、發(fā)展航天技術是人類的共同事業(yè)，國際合作也是航天發(fā)展的趨勢潮流。

中國空間站是歷史上此類項目首次向所有聯(lián)合國會員國開放。中國已經和聯(lián)合國外空司聯(lián)合開展了面向國際的中國空間站空間科學實驗項目征集活動，來自17個國家、23個實體的9個項目成功入選中國空間站第一批科學實驗項目，這是中國載人航天工程首次通過聯(lián)合國進行的大規(guī)模國際合作。此后，還在繼續(xù)面向國際征集實驗項目。

“天和”

2021年4月29日，中國先用長征-5B將“天和”核心艙送入太空預定軌道，宣告了中國開啟空間站任務的新時代。

“天和”核心艙是空間站組合體控制和管理主份艙段，具備交會對接、轉位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學實驗能力，可支持3名航天員長期在軌駐留，可裝有4個科學實驗柜。其發(fā)射質量為22.5噸，是中國目前研制、發(fā)射的最大航天器，長16.6米，供航天員工作生活的空間可達50立方米。

2021年發(fā)射的“天和”核心艙采用了不少新技術。例如，配置有一部承載力達25噸的10米長“七自由度大型空間機械臂”。它可在艙體表面的爬行移動。無論是艙段轉位、大設備的移動，還是航天員自身移動，都可用該機械臂完成。

為了降低載人航天的成本，“天和”采用了再生式生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也會回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。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。這些都降低了空間站生命保障的補給成本。

“天舟”

由于中國正在建造的大型空間站“天宮”要長期載三人在軌運行，而“神舟”載人飛船每次滿載三人上天時只能攜帶300千克貨物，為此，中國又研制和發(fā)射了每次能為空間站運送近7噸貨物的“天舟”貨運飛船，從而滿足空間站長期載人航天的需求。第一艘“天舟”號貨運飛船于2017年4月20日發(fā)射，隨后與天宮二號完成首次對接。

“天舟”貨運飛船由貨物艙和推進艙組成，其中貨物艙用于存放貨物、設備，推進艙為貨運飛船提供電力能源、推進控制動力并裝載推進劑。每艘“天舟”貨運飛船可停靠空間站1年。

該飛船整船最大裝載狀態(tài)下重量達13.5噸，上行貨物運輸能力為6.9噸，其載貨比（所載貨物重量與飛船總重量之比）高達51%，居世界第一；每次貨物的運載量在全球現(xiàn)役貨運飛船中也最大的。

“問天”“夢天”

2022年將發(fā)射“問天”和“夢天”兩個實驗艙。兩個實驗艙用于支持大規(guī)模開展艙內外空間科學實驗和技術試驗。它們與“天和”核心艙對接后，航天員在空間站的活動空間可達110立方米。

“問天”實驗艙還可作為組合體控制和管理的備份艙段，并具備乘員出艙活動能力，有3個臥室，可裝8個科學實驗柜；

“夢天”實驗艙還具備載荷自動進出艙能力，可裝13個科學實驗柜。

“問天”實驗艙配置了1個5米長小機械臂，可以與核心艙的大機械臂組合成15米長的更大機械臂。

“巡天”

在發(fā)射了三個艙后，中國還將發(fā)射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”光學艙。它將搭載2米口徑的首個大型空間巡天望遠鏡，分辨率與美國“哈勃空間望遠鏡”相當，但視場是后者的300多倍，可在大范圍巡天科學研究方面顯身手，將在宇宙結構形成和演化、暗物質和暗能量、系外行星與太陽系天體等方面開展前沿科學研究，有望取得一批新成果。

（本報道撰文者系全國空間探測技術首席科學傳播專家）