□杭天春

“天宮一號”：太空“中國家”的第一塊基石

□杭天春

2011年9月29日21時16分，“天宮一號”成功發(fā)射，從此太空有了“中國家”……

人們對“天宮一號”的印象，最為深刻的是2009年的春節(jié)聯(lián)歡晚會上閃亮登場的“天宮一號”飛行器模型。從那時起，中國人就開始企盼我國首次空間交會對接的一天，盼望早日揭開我國空間站的神秘面紗。

這一天很快就來臨了。2011年6月29日，這個“天宮一號”目標(biāo)飛行器及其裝載的各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷已完成出廠前的各項(xiàng)綜合測試評審，轉(zhuǎn)運(yùn)至酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，開展任務(wù)實(shí)施前最后階段的測試工作。然而，“天宮一號”的發(fā)射“好事多磨”。由于8月18日，長征二號丙運(yùn)載火箭發(fā)射“實(shí)踐十一號04星”失利，工作人員連夜組織歸零?！疤鞂m一號”發(fā)射計(jì)劃隨即做了相應(yīng)調(diào)整。最后“天宮一號”的發(fā)射窗口定在同年9月29日21時16分，接著在11月1日發(fā)射“神舟八號”飛船，實(shí)施我國首次空間交會對接任務(wù)。

那么，“天宮一號”到底是一個什么樣的航天器呢？

集空間實(shí)驗(yàn)室與目標(biāo)飛行器于一身

1992年，中國的載人航天事業(yè)還處于初步立項(xiàng)的階段，中國載人航天工程的戰(zhàn)略規(guī)劃已很明確要分“三步走”：第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；第二步，突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術(shù)，發(fā)射一個空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

“神舟五號”、“神舟六號”飛船的相繼發(fā)射成功，已經(jīng)圓滿和超額完成了“第一步”的任務(wù)?！吧衿摺钡亩嗳硕嗵焯诊w行和出艙行走，是“第二步”的第一階段。而“天宮一號”既是“第二步”的第二階段，也是為“第三步”做技術(shù)準(zhǔn)備的。

“天宮一號”是作為目標(biāo)飛行器設(shè)計(jì)的，重量為8噸，它實(shí)際上是空間實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)版，主體為短粗的圓柱型，直徑比神舟飛船更大，前后各有一個對接口?！疤鞂m一號”采用兩艙構(gòu)型，分別為實(shí)驗(yàn)艙和資源艙。實(shí)驗(yàn)艙由密封的前錐段、柱段和后錐段組成，可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員的生存條件，用于航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的后錐段安裝再生生保等設(shè)備。實(shí)驗(yàn)艙前端安裝一個對接機(jī)構(gòu)，以及交會對接測量和通信設(shè)備，用于支持與飛船實(shí)現(xiàn)交會對接。資源艙為軌道機(jī)動提供動力，為飛行提供能源。

那么，“天宮一號”為什么又被稱作目標(biāo)飛行器呢？這是因?yàn)樗鞘紫缺话l(fā)射升空，作為對接的目標(biāo)之一在天上運(yùn)行的，地面的飛船發(fā)射上去之后跟它實(shí)現(xiàn)交會對接。從空間實(shí)驗(yàn)室到空間站要解決很多問題，首先必須要突破交會對接這個難關(guān)，還得突破載人交會對接的技術(shù)難關(guān)。在這個過程里，“天宮一號”可以做大量的技術(shù)實(shí)驗(yàn)。同時，因?yàn)樗鼘⒃谔胀Ａ魞赡?，具有地球無法提供的重力資源、環(huán)境、輻射等等，所以也會在上面進(jìn)行一些科學(xué)實(shí)驗(yàn)，新材料、新技術(shù)也都可以在這里使用，所以我們也稱它為空間實(shí)驗(yàn)室。

“天宮一號”里的配套設(shè)施一般必須包括氧氣呼吸裝置，廢氣吸收裝置，防止空間的輻射照射裝置以及航天員長期生活具備的各種條件。其中產(chǎn)生動力的推力艙、生活艙、接口等都是空間站上比較重要的裝置。若要在“天宮一號”里工作和生活，還要考慮應(yīng)對各種緊急突發(fā)事件的發(fā)生。其中包括氧氣裝置故障或控制陀螺失靈，甚至連廁所無法正常使用都能稱為是大問題。所以在建造時需要考慮到各種緊急應(yīng)急措施。此外，“天宮一號”在空間逗留兩年時間還要有防止空間碎片撞擊的相應(yīng)措施，如同穿上了盔甲一樣，即使受外力的猛烈撞擊也撞不壞。

能“馱”空間站的火箭“力士”

“天宮一號”實(shí)現(xiàn)與“神九”、“神十”載人飛船的交會對接后，2015年前，將再陸續(xù)發(fā)射“天宮二號”、“天宮三號”兩個空間實(shí)驗(yàn)室?！疤鞂m二號”將主要開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和試驗(yàn)?！疤鞂m三號”將主要完成驗(yàn)證再生生保關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)、航天員中期在軌駐留、貨運(yùn)飛船在軌試驗(yàn)等，還將開展部分空間科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)試驗(yàn)。

由于目前中國火箭的最大運(yùn)載能力只有10噸，不僅無法將體積更大、重量更重的空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空，而且也滿足不了空間實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行期間所需大量物資的運(yùn)輸要求。因此，在后續(xù)的發(fā)射中，將采用新一代大推力火箭——“長征五號”。

“長征五號”的外形與現(xiàn)在的火箭沒有太大差別，但是直徑會由長征二號F火箭的3.35米提高到5米。除了大推力之外，與現(xiàn)有火箭相比，新一代大型火箭還有三大優(yōu)勢：一是采用液氧煤油或液氫液氧發(fā)動機(jī)，做到無毒無污染；二是模塊化設(shè)計(jì)，能滿足不同重量有效載荷的發(fā)射需要，增加了選擇性和發(fā)射的靈活性；三是提高可靠性，能大幅度提高火箭發(fā)射成功率。

過去的火箭用的是單發(fā)動機(jī)，未來的“長征五號”運(yùn)載火箭將采用雙發(fā)動機(jī)技術(shù)。雙發(fā)動機(jī)分別用不同的推進(jìn)劑，一種是燒液氫液氧，另一種是液氧煤油?，F(xiàn)在的火箭用的推進(jìn)劑是有毒的四氧化二氮?！伴L征五號”火箭用的推進(jìn)劑是環(huán)保材料——液氫液氧和液氧煤油，液氫液氧產(chǎn)生的化合物只有水，所以它是清潔、環(huán)保的能源。液氫液氧推進(jìn)劑在我國火箭上早已開始應(yīng)用了，技術(shù)上也很成熟；而液氧煤油只在小發(fā)動機(jī)上使用過，目前國外使用這樣的推進(jìn)劑。因此，“長征五號”是無毒無污染的高性能運(yùn)載火箭。

“長征五號”運(yùn)載火箭身長59.5米，有4個助推器，起飛重量643噸，起飛推力833.8噸。與中國現(xiàn)有的運(yùn)載火箭相比，它的運(yùn)載能力系數(shù)達(dá)到0.0146，目前世界排名第二，其近地軌道的運(yùn)載能力可以提高到25噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力可以從現(xiàn)在的5.5噸提高到14噸；25噸的運(yùn)載火箭可以發(fā)射在低軌道空間站，也可以服務(wù)在高軌道的月球探測等其他深空探測。

“長征五號”火箭使用最前沿的技術(shù)和最新研制的材料。在火箭制造技術(shù)上，“長征五號”火箭推進(jìn)劑儲箱開始使用2219鋁合金，這是美國“土星五號”火箭直到航天飛機(jī)，以及前蘇聯(lián)能源火箭和歐日新一代運(yùn)載火箭廣泛使用的材料。箭體加工上使用了先進(jìn)的攪拌摩擦焊，這是1991年發(fā)明，1998年美國才在運(yùn)載火箭上首次使用的焊接技術(shù)。攪拌摩擦焊和輕質(zhì)鋁合金的使用減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了運(yùn)載能力。此外“長征五號”火箭還使用了電氣一體化設(shè)計(jì)與冗余，光纖通道火箭控制系統(tǒng)總線等先進(jìn)技術(shù)，這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的進(jìn)步奠定了新一代運(yùn)載火箭高水平的基礎(chǔ)。

“長征五號”為我國太空站增添了“年青的臂力”。根據(jù)現(xiàn)在的進(jìn)展，“長征五號”火箭將于2014年首飛?！伴L征五號”運(yùn)載火箭研制成功以后，我國進(jìn)入空間的能力將得到大幅度提升，火箭綜合性能達(dá)到國際一流水平。

向我們走來的中國空間站

“天宮一號”屬于短期有人照料、長期(兩年)在軌自主飛行的空間實(shí)驗(yàn)室的前期研究，在交會對接的技術(shù)，尤其是載人交會對接技術(shù)突破以后，我們就要實(shí)施構(gòu)建大型空間站的計(jì)劃。隨著技術(shù)的成熟，一艘又一艘飛船升空，然后利用這個交會對接技術(shù)進(jìn)行組裝，像搭積木一樣將飛船或艙體連接起來，最后將形成長期有人值守、短期無人照料的大型空間站。

空間站就像是一座空間大廈，是在太空軌道上逐步組裝起來的。比如說，“天宮一號”與“神舟八號”飛船交會對接成功后，接著就是發(fā)射“神舟九號”、“神舟十號”，然后把這三艘飛船與“天宮一號”進(jìn)行組裝對接，這就形成了一個小型空間站。當(dāng)各種部件在地面上設(shè)計(jì)完成以后，借助大型的運(yùn)輸工具，也就是能夠進(jìn)行大運(yùn)載的火箭把大的部件送入到太空。

我國首個空間站將是一個符合中國需要、適度規(guī)模的空間站，有核心艙、實(shí)驗(yàn)艙、結(jié)點(diǎn)艙。結(jié)點(diǎn)艙為一個球形，有很多接口，在上面可以對接好幾個航天器，可以如核心艙那么大，也可以比它小。就像插座一樣，可以根據(jù)我們的需要隨意組合，使空間站得到擴(kuò)展。

核心艙起碼要20噸重，需靠“長征五號”運(yùn)載火箭送上太空。如我國目前正在研制的“天宮”空間實(shí)驗(yàn)室采用兩艙結(jié)構(gòu)，分別為實(shí)驗(yàn)艙和資源艙。空間站大致包括一個核心艙、一架貨運(yùn)飛船、一架載人飛船和兩個用于實(shí)驗(yàn)等功能的其他艙，總重量在100噸以下。其中的核心艙需長期有人駐守，能與各種實(shí)驗(yàn)艙、載人飛船和貨運(yùn)飛船對接。此外，空間站在運(yùn)行期間也需要大運(yùn)載能力的貨運(yùn)飛船來回運(yùn)輸大量物資。這個空間站建成后，核心艙可不斷加艙。屆時，每年將往空間站發(fā)射若干個航天器。

大型空間站上面一般都有六七個宇航員，其實(shí)隨著太空技術(shù)的成熟，空間站內(nèi)部的條件會越來越接近地面環(huán)境，所以對航天員身體和心理素質(zhì)的要求也會逐漸降低，不僅女航天員可以上空間站，科學(xué)家上站自然也不是難題。甚至讓普通人去太空漫游也不是不可能的事情。

我國載人航天工程發(fā)言人曾宣稱：“我們爭取到2020年左右逐步建成有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間站?！?/p>