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中國空間站,一步步走來

空間站示意圖。

資料圖片

天宮與神舟飛船對接示意圖。

資料圖片

4 月 29 日,22.5 噸重的中國空間站天和核心艙,從文昌航天發射場啟程,由長征五號 B 運載火箭成功送入地球軌道。我國迄今為止最大航天器進駐太空,意味著中國空間站建造已進入實質性 " 施工 "。對設計為 3 個艙段基本構型的空間站而言,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所,已有能力支持航天員長時間在太空生活。

我國載人航天工程從上世紀 90 年代初開始啟動,規劃了 " 三步走 " 戰略,如今已進入第三步—— " 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 "。空間站是在近地軌道上運行的大中型載人航天器,能夠讓人長久在太空生活,靠貨運飛船實現推進劑和消耗品的補充,可以通過航天員進行設備維修與更換而延長壽命或改變、擴充功能,堪稱太空定居點。

從發射載人飛船將航天員送入太空,到太空出艙、發射空間實驗室,中國載人航天工程先后用 6 艘載人飛船、5 艘無人飛船、一艘貨運飛船、一個目標飛行器和一個空間實驗室,支持 11 名中國航天員、14 人次完成多趟太空之旅。環環相扣,循序漸進,正是通過歷次 " 神舟 " 和 " 天宮 " 飛行任務,先后突破掌握了天地往返、太空出艙、交會對接等關鍵技術,為空間站鋪就了一條穩妥可靠的建造之路。

天地往返

為空間站運送航天員和物資,作為 " 救生船 " 長期停靠在空間站

2003 年 10 月 15 日 9 時整,在震耳欲聾的轟鳴聲中,神舟五號飛船乘著火箭拔地而起,載著首位中國航天員楊利偉飛向太空。環繞地球飛行 14 圈,歷時 21 小時 23 分,楊利偉駕乘神舟五號飛船完成了中國首次載人航天飛行,把中國人的身影留在了浩瀚太空。

空間站并非是來回地球的航天器,要建空間站,就要先擁有用于運送人員的天地往返運輸器。

航天專家介紹,飛船最重要的用途之一就是為空間站運送航天員和物資。此外,人在空間站內長期工作和生活,隨時都可能出現危險,如航天員突發疾病,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、質量輕、成本低,因此很適宜作為 " 救生船 " 長期停靠在空間站。神舟載人飛船可支持 3 名航天員實現天地往返,在空間站停靠期間也作為 " 救生船 ",用于航天員應急救生和返回。

從神舟一號無人飛船到神舟五號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、神舟七號飛船繼續優化,進一步提高可靠性和安全性。有了第一次載人飛行經驗,科研人員對飛船做了適當的改進,2005 年神舟六號升空,已經能上兩名航天員,飛行時間也延長至 5 天。

神舟系列飛船最大變化在神舟七號、神舟八號飛船兩個階段。神舟七號增加了出艙功能,神舟八號完成了交會對接。

中國載人航天工程總設計師周建平說,神舟飛船全都具備天地往返功能。神舟一號到神舟七號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。從神舟八號開始,神舟飛船作為載人運輸飛船基本定型,之后不再做大的改動。它可以和在軌運行的航天器對接上,然后把人員送到航天器里面去,航天員完成預定任務后再乘坐飛船返回地面。

神舟八號通過不載人實現了自動交會對接,神舟九號通過載人實現手動交會對接。與神舟八號、神舟九號功能一致的神舟十號飛船,進一步考核交會對接技術后完成了應用飛行任務。自此,作為狀態穩定成熟的載人太空飛船,神舟系列飛船和長征二號 F 運載火箭組成了我國載人天地往返運輸系統,將成為中國航天員往返空間站的太空交通工具。

當然,火箭是目前人類沖出大氣層、去往太空的唯一交通工具,建設空間站尤其需要運力強大的運載火箭。長征五號 B 運載火箭承擔著將空間站艙段送入軌道的重要任務。空間站 " 專列 " 長征五號 B 運載火箭,是在長征五號運載火箭基礎上改進研制的新型火箭。

火箭專家說,長征五號 B 運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載火箭,也是我國首個一級半構型的大型運載火箭,主要用于近地軌道大型航天器發射,承擔起我國載人空間站艙段等重大航天發射任務。由于空間站艙段較以往的航天器要大不少,科研人員根據空間站任務要求新研制了大型整流罩,可以罩住空間站艙段,保護其在發射過程中的安全。

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 10 分,中國第三艘載人飛船——神舟七號把翟志剛、劉伯明、景海鵬 3 名航天員順利送上太空,這 3 位都屬馬的中國航天員開始了太空旅行。僅僅用了兩天適應陌生的太空環境后,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 公里的太空軌道實現了中國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 3 名航天員首次成功實施空間出艙活動,意味著空間出艙關鍵技術已被突破,這為空間站建造奠定了堅實的基礎。

專家介紹,掌握太空出艙活動技術主要有四大用途:一是在太空組裝、擴建大型空間站,二是在太空維修、維護、升級航天器,三是較方便地完成回收與釋放衛星以及科研等任務,四是用于緊急太空救援。

空間站任務對航天員的能力要求更多。過去航天員在太空做的大部分是艙內實驗,將來空間站建造階段,航天員大量的工作要在艙外空間進行。

周建平認為,人在太空中可以發揮自動化機器無法替代的作用。在近地軌道建設空間站,就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,具備強大的維護維修升級能力。航天員出艙和利用機械臂,都是重要的手段。

神舟七號稱得上是繼中國航天員首次進入太空后,我國載人航天飛行的一座新里程碑。尤其是技術跨越比較大,為突破出艙技術,科研人員在短期內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,并在太空應用獲得成功,驗證了氣閘艙的相關技術。氣閘艙是航天人進出空間站的 " 安全中轉艙 ",神舟七號任務也為空間站氣閘艙的研制奠定了基礎。

空間交會對接

當今航天領域最為復雜的技術之一,是建設空間站必須走出的關鍵一步

2011 年 11 月 3 日 1 時 36 分,一場曼妙的太空之舞在距地球 343 公里的軌道上演。兩位 " 舞者 ",是中國兩個航天器:天宮一號目標飛行器和神舟八號飛船。12 把對接鎖準確啟動,上千個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 "。中國成為世界上第三個掌握自動空間交會對接技術的國家。

2012 年 6 月 18 日下午,在太空飛行的天宮一號迎來首批航天員訪客。3 位航天員乘坐神舟九號飛船通過自動交會對接入駐。6 月 24 日,從天宮一號撤離的神舟九號,再向天宮一號追趕,最終由航天員劉旺手動控制,再次與天宮一號對接成功。這意味著載人航天三大基礎性技術中的最后一項——空間交會對接技術已被全面掌握。

空間交會對接技術是當今航天領域最為復雜的技術之一,對接規模大、技術復雜、風險多,是建設空間站必須走出的關鍵一步。

" 不突破和掌握空間交會對接技術,建設空間實驗室、空間站的設想,都只能是空中樓閣。" 周建平說。空間交會對接是開展載人航天活動必須突破的重要基本技術。載人飛船的主要用途是為空間站提供運輸服務,所以必須攻克空間交會對接技術,這樣才能把航天員和所需物資及設備運到空間站上,并讓飛船長期停靠在空間站上。

按照 " 一次飛行驗證的是方案的正確性,全面性一定要通過多次的飛行來驗證 " 的要求,3 艘飛船和目標飛行器被用來驗證自動、人工的交會對接技術。通過神舟八號、神舟九號、神舟十號飛船 3 次飛行和天宮一號的多次交會對接,充分驗證空間交會對接技術,保證未來空間站人員和物資的可靠運送、補給。

周建平說,從總體方案上講,如果按照國外當時用的飛船和飛船對接,看起來簡單,但是飛行成本高。做 3 次交會對接,需要發射 6 次飛船。我們研制了目標飛行器,要進行 N 次交會對接,我們發射 N+1 個航天器就行,減少發射次數,降低成本。讓一個目標飛行器支持多次交會對接,這是中國獨創。

這在技術上提出了新的挑戰。例如目標飛行器要具備載人的能力,而且要具備在軌道上比較長時間飛行的能力。天宮一號的表現證明,這個挑戰能夠成功應對。天宮一號除了完成交會對接以外,與飛船相比,它可以給人提供訪問、工作、生活的支撐能力。當飛船和目標飛行器對接以后,航天員可以進到這個目標飛行器里面生活和工作一段時間,包括進行科學實驗。

專家介紹,就空間交會對接任務而言,從總體方案到具體實施,具體到交會對接機構、測量和控制技術,都是自主研發。例如,交會對接核心的對接機構相當復雜,由數百個傳感器、上千個齒輪、數萬個零件組成。當兩個航天器上的對接機構互相牢牢鎖緊,形成一體后,要在兩個飛行器之間建立能供航天員通過的密不透氣的通道。對接機構真正打通了航天員的生命通道,航天員通過這個通道進入天宮。

自此,天地往返、太空出艙、空間交會對接這三大載人航天活動基本技術,已被全部掌握,對中國航天員來說,已經能在近地軌道自由出入,建造空間站也具備了基本條件。

太空補給

空間站貨物運輸系統,解決了空間站建造和長期運營所需的太空貨物運輸問題

2017 年 9 月 22 日,我國首艘貨運飛船天舟一號在地面控制下,從 300 多公里高度的軌道逐漸下降并向地球接近,最終進入大氣層燒毀,順利完成了 5 個月的 " 太空快遞 " 使命。

此前,天舟一號貨運飛船發射成功后,與天宮二號空間實驗室自動交會對接,并順利完成首次 " 太空加油 ";其后,天舟一號完成與天宮二號的繞飛和第二次交會對接試驗……天舟一號飛行任務的完成標志著我國載人航天工程 " 三步走 " 規劃 " 第二步 " 的實現,也將中國載人航天推進至空間站時代的大門。

重要的是,天舟一號飛行任務成功突破和驗證了空間站貨物運輸、推進劑在軌補加等關鍵技術。此后,天舟貨運飛船和長征七號運載火箭正式組成空間站貨物運輸系統,解決了空間站建造和長期運營所需的太空貨物運輸問題,使空間站建造具備了基本條件。貨運飛船將為空間站運送航天員的生活物資、推進劑、載荷設備等補給物資,并收集空間站丟棄的廢棄物和生活垃圾,隨貨運飛船返回進入大氣層燒毀。

2017 年 4 月 22 日 12 時 23 分,天舟一號與天宮二號進行交會對接。在做好一系列推進劑補加試驗相關準備工作后,在地面操作人員精確控制下,天舟一號與天宮二號共同配合完成了持續約 5 天的推進劑在軌補加。

在軌補加推進劑也就是補充燃料,這是空間站要使用的重要技術。在空間軌道上為航天器補加推進劑,非常復雜,是技術上要驗證的重大技術。天舟一號任務突破和掌握推進劑在軌補加技術,填補了我國航天領域的空白,實現了空間推進領域的一次重大技術跨越,為我國空間站組裝建造和長期運營掃清了能源供給上的障礙。

在空間站長期生活

保障航天員在太空的長期生活、工作和健康,對航天員和地面支持團隊都是挑戰

2016 年,神舟十一號航天員景海鵬、陳冬在太空完成 33 天中期駐留,為后續的中國空間站建造運營奠定了更堅實的基礎。

此前,神舟五號任務將楊利偉送入太空后,短短兩年后,費俊龍、聶海勝執行危險性及難度系數均高出很多的神舟六號飛船任務,實現了載人航天飛行從 " 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任務,航天員在太空生活時間一個月,達到了中長期太空飛行的門檻。

按照規劃,未來在空間站的常態化運行中,有 3 名航天員作為一個乘組長期飛行,乘組定期輪換。輪換期間,最多可有 6 名航天員同時在空間站工作,完成交接后,前一個乘組乘坐載人飛船返回地球。航天員在空間站的駐留時間將達 3 個月乃至半年之久。

保障航天員在太空的長期生活、工作和健康,對航天員和地面支持團隊都是挑戰。歷次的神舟飛船載人任務,實際上也是對太空駐留保障的考驗和驗證。相比于此前我國載人航天飛行任務的頻率,空間站建造和運營期間每年有多次發射,需要航天員的類型、人數會更多。

載人航天工程航天員系統專家介紹,11 名航天員出色地完成了 6 次載人飛行任務,航天員隊伍總體實力增強。" 人是載人航天的主體,將來走出地球尋找新的家園也是人類,所以要持續關注人的健康保障問題。"

到 2016 年完成的神舟十一號任務為止,已實現航天員中期駐留目標,使得我國航天員在軌駐留時間大幅延長,相關生活、工作和健康保障以及航天員執行飛行任務的能力得到有效驗證;初步建立起面向長期飛行任務的支持體系和保障機制,為建造和運營空間站奠定了堅實的基礎;為空間站階段長期有人參與開展空間應用和技術試驗積累了寶貴經驗。

周建平提及,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。

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,進一步提高對水和氧氣的循環利用水平,既減輕太空運輸系統的負擔、降低成本,同時也使人類在太空的生存能力進一步提升。

正是在具備一系列關鍵技術和基本能力后,中國空間站打下了扎實的 " 太空地基 ",從而初步實現了夢想。

記者手記

空間站 新起點

仿佛千里跋涉,一步一步執著前行,中國人在太空 " 筑巢 " 的夢想終于化為現實——中國空間站的核心艙已然在我們頭頂環繞地球而飛。不久以后,還會有航天員入駐這個更新、更寬敞、更舒適、更強大的 " 太空之家 "。不知道星光璀璨的 " 夜晚 ",在深邃的太空酣然入夢,是怎樣的一種體驗?

能夠徜徉太空,靠的是攻克一道道技術難關,靠的是好奇心與實干。空間站是中國載人航天工程 " 三步走 " 發展戰略的第三步,看似水到渠成的每一步,背后則是一個個夢想與智慧、追求與勇氣交織的故事。扎扎實實的每一步,背后是不甘人后、自立自強的進取精神。人們感嘆前輩們的遠見,感佩創新者的精神。

這是對幾代人艱苦拼搏的回報和勉勵,也將激發我們對更廣闊世界的想象、對更遼遠深空的探索。對無止境的宇宙探索來說,空間站是一個新起點,在追逐夢想的路上,讓我們向著更美好的未來,繼續奔跑 !

版式設計:汪哲平

欄目主編:顧萬全 張武 本文作者:人民日報 文字編輯:肖雅文

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