中國載人航天30年逐夢蒼穹

龐之浩

9月21日，是中國載人航天工程立項(xiàng)、實(shí)施整整30周年。30年來，我國先后研制、發(fā)射了載人飛船、貨運(yùn)飛船、空間實(shí)驗(yàn)室，突破和掌握了空間出艙活動、空間交會對接、在軌加注燃料、航天員中長期在軌駐留等許多關(guān)鍵技術(shù)，并將于今年年底前建成首座先進(jìn)的大型空間站，完成中國載人航天工程立項(xiàng)時制定的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的最后一步，把中國載人航天工程推向高潮。

航天飛機(jī)與載人飛船的抉擇

其實(shí)，我國在1964年至1966年就發(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，而且所有試驗(yàn)生物都安全地回收了。這些生物火箭試驗(yàn)開創(chuàng)了我國宇宙生物試驗(yàn)的先河，為航天醫(yī)學(xué)的發(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

改革開放以后，我國的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平有了較大提高，為此，我國從1986 年起開始實(shí)施“863”計(jì)劃，即發(fā)展高技術(shù)，其中包括發(fā)展載人航天技術(shù)，中國載人航天終于再次迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。

1966年，我國制定第一個“載人宇宙航行規(guī)劃”，設(shè)想在1973年至1975年發(fā)射我國第一艘載人宇宙飛船，并開始了我國載人飛船的總體方案論證工作。在1968年1月召開的載人飛船總體方案設(shè)想論證會上，我國第一艘載人飛船被命名為“曙光”1號。同年4月1日，我國正式組建了代號為“507”的航天醫(yī)學(xué)工程研究所，承擔(dān)有關(guān)航天員生命保障、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保以及航天員選拔訓(xùn)練的任務(wù)。

1970年7月14日，黨中央批準(zhǔn)實(shí)施“曙光”1號載人飛船工程，也叫“714”工程。1971年，我國從1000名空軍飛行員里最終選拔出了20名預(yù)備航天員，并全面開展了載人飛船方案論證工作。

但由于我國當(dāng)時經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等基礎(chǔ)非常薄弱，“曙光”1號飛船工程自1971年10月以后就幾乎處于停滯狀態(tài)。1975年3月，國家正式宣布我國首個載人航天工程下馬，把航天的重點(diǎn)放在了研制應(yīng)用衛(wèi)星上。

我國早期載人航天研究。圖片|北京日報

改革開放以后，我國的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平有了較大提高，為此，我國從1986年起開始實(shí)施“863”計(jì)劃，即發(fā)展高技術(shù)，其中包括發(fā)展載人航天技術(shù)，中國載人航天終于再次迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。

在載人航天器中，空間站具有體積大、壽命長、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jī)，主要用于接送航天員和貨物。

當(dāng)時我國專家就研制哪種天地往返運(yùn)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(jī)的方案，只有一種是研制載人飛船方案。經(jīng)過幾年的深入論證，根據(jù)我國的國情和國力，遵照“有限目標(biāo)、突出重點(diǎn)”的“863”高技術(shù)研究發(fā)展的指導(dǎo)思想，專家們最后一致同意從載人飛船起步，并且決定不走美蘇研制載人飛船的老路，直接研制達(dá)到世界第三代載人飛船水平的“神舟”。

2003年10月16日，“神舟”5號載人飛船在內(nèi)蒙古主著陸場成功著陸后，中國首位進(jìn)入太空的航天員楊利偉自主出艙。圖片|北京日報

1992年9月21日，黨中央正式批準(zhǔn)中國載人航天工程立項(xiàng)啟動，因此它又被稱為“921”工程。實(shí)踐證明，我國以研制載人飛船起步的這一決策非常正確。美國花了2000億美元，研制了6架航天飛機(jī)，發(fā)射了5架，進(jìn)行了135架次飛行，但損失了2架，犧牲了14名航天員，最后不得不在2011年提前退役，然后重新研制新型載人飛船。蘇聯(lián)、歐洲、日本也都研制過航天飛機(jī)，但在走了一大段彎路后均沒有投入實(shí)用。

載人航天循序漸進(jìn)“三步走”

我國載人航天工程采用循序漸進(jìn)、科學(xué)合理的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步是突破和掌握載人天地往返運(yùn)輸技術(shù)，即用載人飛船將航天員安全地送入軌道，并安全返回地面。這一步我國通過2003年發(fā)射“神舟”5號飛船進(jìn)行的單人單天飛行，2005年發(fā)射“神舟”6號飛船進(jìn)行的兩人5天飛行完成了。

第二步是突破航天員空間出艙活動、空間交會對接兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船，這些也都是建造空間站的基礎(chǔ)。它分以下兩個階段完成：

在第一階段，先于2008年發(fā)射了“神舟”7號載人飛船，航天員翟志剛完成中國人的首次空間出艙活動，使我國突破和掌握了空間出艙活動技術(shù)。

然后在2011年先發(fā)射“天宮”1號目標(biāo)飛行器，接著在2011年至2013年陸續(xù)發(fā)射“神舟”8號、9號、10號飛船與之分別對接，使我國突破和掌握了自動和手動交會對接技術(shù)，還驗(yàn)證了組合體飛行技術(shù)，飛船也定型了。

此后，進(jìn)入第二步第二階段。我國先于2016年發(fā)射了“天宮”2號空間實(shí)驗(yàn)室，然后在2016年至2017年先后發(fā)射“神舟”11號載人飛船和“天舟”1號貨運(yùn)飛船與之分別對接，從而驗(yàn)證了航天員中期在軌駐留技術(shù)、在軌加注技術(shù)、貨運(yùn)飛船技術(shù)和未來空間站的部分新技術(shù)，并進(jìn)行了較大規(guī)模的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。

第三步是計(jì)劃在2022年年底之前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(yīng)用。我國沒有走美蘇建造空間站的老路，而是利用后發(fā)優(yōu)勢，直接研制達(dá)到世界第三代空間站水平以上的“天宮”空間站。它采用積木式構(gòu)型，由3個20噸級艙段組成“T”字形，將在軌運(yùn)行10年以上，用于獲取具有重大科學(xué)價值的研究成果和重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。

“天宮”空間站建造和運(yùn)行分為三個階段：2021年為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，先后發(fā)射了“天和”核心艙和“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船各兩艘;2022年為在軌建造階段，已經(jīng)發(fā)射了“問天”實(shí)驗(yàn)艙，還將發(fā)射“夢天”實(shí)驗(yàn)艙，兩個實(shí)驗(yàn)艙將與“天和”核心艙形成“T”字基本構(gòu)型，建成國家太空實(shí)驗(yàn)室;此后為“天宮”空間站運(yùn)行階段。所以，我國現(xiàn)在已進(jìn)入空間站在軌建造階段，目前任務(wù)已經(jīng)完成過半。

除了研制、發(fā)射載人航天器之外，我國載人航天工程還包括航天員系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)和著陸場系統(tǒng)等。

“神舟”飛船開啟太空航班

研制載人飛船是發(fā)展載人航天的第一步，也是關(guān)鍵的一步，最終用于空間站系統(tǒng)的載人天地往返運(yùn)輸。到2022年9月，我國已發(fā)射了14艘“神舟”飛船，其中9艘是載人飛船，5艘是無人試驗(yàn)飛船，成功率是100%，把14名航天員、23人次送入太空。

“神舟”飛船由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成，前兩個是密封壓力艙，可謂“一室一廳”，乘員人數(shù)3人，可自主飛行7天，停靠飛行180天。軌道艙位于飛船前部，用于航天員入軌后的工作、吃飯、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，并具有著陸后支持航天員陸上生存48小時、海上生存24小時的能力;推進(jìn)艙位于飛船后部，為非密封結(jié)構(gòu)，為飛船提供動力、電源、燃料等。

為適應(yīng)不同階段的任務(wù)變化，“神舟”飛船先后有三種技術(shù)狀態(tài)。一是初期試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)，“神舟”5號、6號載人飛船采用這種技術(shù)狀態(tài)，特點(diǎn)是軌道艙上也裝有一對太陽電池翼，返回艙返回地面后，軌道艙可留軌利用半年。二是出艙活動試驗(yàn)技術(shù)狀態(tài)，“神舟”7號載人飛船采用這種技術(shù)狀態(tài)，特點(diǎn)是軌道艙取消了太陽電池翼，不留軌利用，并且具有氣閘艙的功能，增加了扶手，用于航天員空間出艙活動。三是天地往返運(yùn)輸器技術(shù)狀態(tài)，特點(diǎn)是軌道艙不僅不留軌利用，前端還增裝了交會對接裝置，“神舟”8號以后的載人飛船都采用這種技術(shù)狀態(tài)，用于為“天宮”提供載人天地往返運(yùn)輸服務(wù)。

追夢星辰大海。圖片|中國載人航天工程官網(wǎng)

2020年5月，我國還成功發(fā)射了新一代載人飛船試驗(yàn)船。它與“神舟”相比，具有載人多、用途廣和可重復(fù)使用等一系列優(yōu)點(diǎn)，可用于未來的載人登月等任務(wù)。

微型空間站先行先試

研制和發(fā)射“天宮”1號和2號是我國的一個創(chuàng)新。因?yàn)楫?dāng)時還沒研制出“長征”5號大型運(yùn)載火箭，但為了突破載人航天的一些關(guān)鍵技術(shù)，我國沒有等待，而是用現(xiàn)有的“長征”2號F運(yùn)載火箭發(fā)射“天宮”1號和2號來實(shí)施，它們都具有空間站壽命長和功能強(qiáng)等一些元素，但體積和重量比較小，所以可視為微型空間站。

2011年9月29日，我國成功發(fā)射了“天宮” 1號目標(biāo)飛行器，2016年9月15日發(fā)射“天宮”2號空間實(shí)驗(yàn)室。

“天宮”1號目標(biāo)飛行器完成了四大任務(wù)：一是作為交會對接的目標(biāo)，先后與3艘“神舟”飛船進(jìn)行了空間交會對接任務(wù)，比國外每次進(jìn)行空間交會對接試驗(yàn)要發(fā)射2艘飛船、進(jìn)行3次空間交會對接試驗(yàn)要發(fā)射6艘飛船節(jié)省不少資金;二是實(shí)現(xiàn)了與“神舟”飛船對接后的組合體控制和管理;三是實(shí)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(nèi)工作、生活所需的基本條件，開展了相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn);四是進(jìn)行了空間技術(shù)試驗(yàn)。這些都為后來的空間站建造進(jìn)行了先期的技術(shù)驗(yàn)證，做到了“少花錢，多辦事”。

“天宮”2號與“天宮”1號在外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量上基本沒有變化，但“內(nèi)心”不同，為了滿足航天員中期駐留30天的需要，在“天宮”1號的基礎(chǔ)上，對“天宮”2號開展了宜居環(huán)境設(shè)計(jì)，改善了就餐和睡眠環(huán)境，增加了鍛煉設(shè)備和娛樂設(shè)施。

“天宮”2號主要完成了三大任務(wù)：一是驗(yàn)證了航天員在軌中期駐留技術(shù)，并進(jìn)行了在軌維修技術(shù)試驗(yàn);二是與新研制的“天舟”貨運(yùn)飛船對接，驗(yàn)證了推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù);三是開展了大規(guī)模空間科學(xué)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。

“天宮”空間站建造和運(yùn)行分為三個階段：2021年為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，先后發(fā)射了“天和”核心艙和“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船各兩艘;2022年為在軌建造階段，已經(jīng)發(fā)射了“問天”實(shí)驗(yàn)艙，還將發(fā)射“夢天”實(shí)驗(yàn)艙，兩個實(shí)驗(yàn)艙將與“天和”核心艙形成“T”字基本構(gòu)型，建成國家太空實(shí)驗(yàn)室。

“天舟”太空送貨忙

由于我國正在建造的大型空間站“天宮”要長期載3人在軌生活和工作，而“神舟”載人飛船每次滿載3人上天時只能攜帶300千克貨物，為此，我國又研制和發(fā)射了每次能為空間站運(yùn)送近7噸貨物的“天舟”貨運(yùn)飛船，從而滿足空間站長期載人航天的需求。

2017年4月20日，我國首艘貨運(yùn)飛船“天舟” 1號升空，與“天宮”2號進(jìn)行了對接，并開展了在軌加注等多項(xiàng)試驗(yàn)。2021年5月29日，“天舟”2號升空，與空間站核心艙對接，為后續(xù)發(fā)射的“神舟” 12號乘組送去大量所需物資;2021年9月20日，“天舟”3號升空，與空間站核心艙對接，為后續(xù)發(fā)射的“神舟”13號乘組送去大量所需物資;2022年5月10日，“天舟”4號升空，與空間站核心艙對接，為后續(xù)發(fā)射的“神舟”14號乘組送去大量所需物資。

“天舟”貨運(yùn)飛船由貨物艙和推進(jìn)艙組成，其中的貨物艙用于存放貨物、設(shè)備，推進(jìn)艙為貨運(yùn)飛船提供電力能源、推進(jìn)控制動力并裝載推進(jìn)劑。該飛船整船最大裝載狀態(tài)下重量達(dá)13.5噸，上行貨物運(yùn)輸能力為6.9噸，所以其載貨比（所載貨物重量與飛船總重量之比）高達(dá)51%，居世界第一;每次貨物的運(yùn)載量在全球現(xiàn)役貨運(yùn)飛船中也是最大的。每艘“天舟”貨運(yùn)飛船可停靠空間站一年。

問天實(shí)驗(yàn)艙與長征五號B火箭組合體垂直轉(zhuǎn)運(yùn)。圖片|中國載人航天工程官網(wǎng)

搭建全球首個航天器“母港”

我國空間站工程于2010年9月25日立項(xiàng)，計(jì)劃在2022年建成和運(yùn)營（近地載人空間站），從而使我國成為獨(dú)立掌握近地空間長期載人飛行技術(shù)，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國家。

我國空間站基本構(gòu)型包括“天和”核心艙、“問天”和“夢天”兩個實(shí)驗(yàn)艙，它們采用水平對稱“T”形構(gòu)型作為空間站三艙組合體基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有艙段均位于組合體當(dāng)?shù)厮矫鎯?nèi)，其中“天和”核心艙居中，“問天”和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙對接于兩側(cè)。

2021年我國首先發(fā)射了“天和”核心艙。它是空間站組合體控制和管理主份艙段，具備交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ芍С?名航天員長期在軌駐留，可裝下4個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。其發(fā)射質(zhì)量為22.5噸，可供航天員工作和生活的空間達(dá)50立方米。

2022年已經(jīng)發(fā)射的“問天”實(shí)驗(yàn)艙和即將發(fā)射的“夢天”實(shí)驗(yàn)艙，用于支持大規(guī)模開展艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。其中“問天”實(shí)驗(yàn)艙還同時作為組合體控制和管理的備份艙段，具備乘員出艙活動的主份氣閘艙和3個臥室及1個衛(wèi)生間，可裝8個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，配有一個承載3噸的5米長小型機(jī)械臂;“夢天”實(shí)驗(yàn)艙具備載荷自動進(jìn)出艙能力，可裝13個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。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(dá)110立方米。

2016年10月19日，“天宮”2號空間實(shí)驗(yàn)室與“神舟” 11號載人飛船空間對接示意圖。圖片|北京日報

我國的“天宮”空間站能長期載3人，半年一輪換。在航天員輪換的6至10天內(nèi)，空間站最多能容納6個人。每個航天員乘組包括1名航天駕駛員擔(dān)任指令長，其余人員的構(gòu)成則根據(jù)任務(wù)需要，由航天駕駛員、航天飛行工程師以及載荷專家組成。

利用后發(fā)優(yōu)勢，我國空間站采用了不少新技術(shù)。例如，“天和”核心艙配置有一部承載力達(dá)25噸的10米長“七自由度大型空間機(jī)械臂”，它可在艙體的表面爬行移動，無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動，還是航天員自身移動，都可用該機(jī)械臂完成。

為了降低載人航天的成本，我國空間站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(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，可通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣。這些都降低了空間站生命保障的補(bǔ)給成本。

我國空間站首次采用了大面積可展收柔性太陽電池翼。它收攏后厚度僅為剛性太陽翼的1/15，上天展開后面積巨大，光電轉(zhuǎn)換效率高30%以上，可以為空間站應(yīng)用提供27千瓦的電力，不會出現(xiàn)當(dāng)年俄羅斯“和平”號空間站電力不足的問題。

在發(fā)射了3個艙后，我國還將在2024年發(fā)射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”光學(xué)艙。它將搭載2米口徑的巡天望遠(yuǎn)鏡，分辨率與美國“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”相當(dāng)，但視場角是后者的300多倍，可在大范圍巡天科學(xué)研究方面顯身手。

我國空間站系統(tǒng)的一大創(chuàng)新是，“天宮”空間站將成為世界第一個航天器“母港”。例如，“巡天”光學(xué)艙在需要時可與“天宮”空間站主體對接，由航天員對其開展推進(jìn)劑補(bǔ)加、設(shè)備維護(hù)和載荷設(shè)備升級等活動。

我國空間站也可以根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展，由“T”字構(gòu)型擴(kuò)展成“干”字構(gòu)型，活動空間增加一倍，未來的應(yīng)用前景將十分廣闊。

◎ 來源|北京日報