中国奔向载人空间站时代

从无人实验飞船到模拟载人飞行,从多人多天飞行到圆梦太空行走,短短10多年间,中国航天实现了一个又一个历史性跨越,而随着长征二号FT1运载火箭冲天而起,把天宫一号送入太空,中国由此迎来“空间站元年”。

作为中国航天高技术水平、高可靠性能的最新代言,天宫一号在突破技术难关、开启中国未来空间站建设大幕的重大工程中,承担了哪些使命,又作出了哪些贡献?

中国航天科技集团公司五院天宫一号目标飞行器总设计师张柏楠在接受采访时评价:“作为我国空间实验室的雏形,天宫一号突破了很多关键技术,也验证了很多创新尝试,这些都足以让它在历史长卷中留下浓重的一笔。”

天宫一号目标飞行器,是中国空间实验室的雏形。张柏楠介绍,天宫一号目标飞行器是我国第一个低轨道、长寿命的大型载人航天器,设计寿命为两年。这个主体为圆柱形的飞行器重量为8.6吨,总高度10.4米,最大直径3.35米。

天宫一号类似于一个小型空间实验站。在发射天宫一号后的两年内,中国将相继发射神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船,分别与天宫一号完成空间交会对接。

从外形来看,天宫一号是一个短粗的圆柱体,内部为两舱结构,由实验舱和资源舱组成。

前半部分是实验舱,实验舱前端安装了一个对接机构,以及交会对接测量和通信设备,用于支持与飞船实现交会对接。在实验舱里,为航天员准备了一些实验袋,在里面可以进行一些医学实验、再生生保实验等。

资源舱为轨道机动提供动力,为飞行提供能源,也是航天员生活工作的一个密封舱,它可以提供各种载人环境,包括在轨飞行期间需要的温湿度、氧气、噪声环境等。

天宫一号最重要的功能是完成与飞船进行交会对接的试验。为此,它的实验舱前端安装有交会对接机构,交会对接机构和相关的测量通信设备,是天宫一号与神舟八号飞船完成交会对接的关键所在。

航天员进入天宫一号实验舱后,将在一个15立方米的密封舱内活动,较之以往的神舟飞船六七立方米的小空间而言,有了很大扩展,更加适合航天员长时间居住。

实验舱四壁布满了机柜,里面装满了设备,有仪表盘、实验设备以及生活必备的用品。

天宫一号在轨飞行期间,整个飞行器与地球保持水平,天宫一号内会通过色彩的区分让航天员真切感受到天与地。它的头顶是浅乳白色,底部是土黄色。同时,为了让航天员在舱内感受到舒适的环境,天宫一号实验舱设置了两个睡眠区,可同时供两个航天员休息。

中国航天科技集团公司相关专家介绍,由于此次任务的特殊性,天宫一号的研制攻克了三大难关。

一是在轨工作时间长对飞行器高可靠性提出严峻挑战。天宫一号将创我国载人飞行器的服役纪录。在两年的服役期内,天宫一号要相继完成三次交会对接任务,即要分别与神舟八号、神舟九号和神舟十号进行对接。

二是诸多新技术将在此次载人航天飞行任务中接受检验。以电源分系统为例,其特点迥异于前7次飞行。本次任务将100伏高压供电体引入其中,将极大地提高飞行器用电效率;此外,半刚性太阳能帆板将有助于为天宫一号目标飞行器“减重”,为今后大型空间飞行器开展大型空间试验打下技术基础。

三是作为目前国内在研型号里重量最大、体积最大的飞行器,天宫一号给运载火箭系统在整流罩设计等方面带来了新的适应性难题,此次飞行任务将会验证大型飞行器对运载系统的多项适应性改进新技术。

对接的“班组长”试验的“先遣兵”

中国载人航天工程分三步走:一是航天员上天;二是多人多天飞行、航天员出舱,实现飞船与空间舱的交会对接,并发射短期有人照料的空间实验室;三是建立永久性空间站。

张柏楠介绍:“天宫一号在整个载人航天工程中主要承担着两项重要使命,一是突破交会对接技术和组合体控制技术,二是作为空间实验室的雏形,验证空间站关键技术,为将来的空间站建设打基础。”

在交会对接任务中,天宫一号目标飞行器扮演着一个引导者和指挥管理者的角色,就像一个团队中的“班组长”,始终掌控着工作进度。

当神舟八号飞船进入预定轨道,并开始搜寻和探索天宫一号的倩影之时,天宫一号就会相应地向对方提供引导信号,告诉对方“我在这里”,并给追踪飞行器提供引导信息。

等到双方相会,实现对接后,神舟八号飞船就将“大权”上交,安心地停靠在天宫一号身边,按照其指令和控制来飞行。

这时,天宫一号就义不容辞地承担起了“班组长”的职责,不仅要控制好自己,还要照顾并控制好神舟八号的状态,也就是突破组合体控制技术。

“完成组合体的控制和管理,并非易事。以前卫星也好、飞船也好,都是自己管自己,而现在天宫一号却不能再独善其身。”张柏楠解释道,对接完成后,天宫一号要为神舟八号飞船供电,起码满足500瓦的供电能力,以补充飞船能源不足的问题。这同时也是对将来空间站整个能源系统统一调配、统一管理技术进行试验验证。

整个组合体的姿态和轨道也都要由天宫一号来统一控制,控制重量翻了一番,等于从轻装上阵到负重前行,无论是指令还是遥测,双方都要重新适应。

天宫一号还将扮演空间站建设“先遣兵”的角色。

航天强国俄罗斯的经验值得借鉴。张柏楠介绍,俄罗斯从“礼炮1号”到“礼炮7号”,前后反复试验,不断进行空间站技术验证,并最终完成和平号空间站的建设工作,这是个循序渐进的过程。

用最小的试验样本突破关键技术,并获取最大的实验成果,即用最少投入换取最大产出,这也是中国特色的载人航天发展之路。

天宫一号里有很多未来空间站会用到的技术和设备,比如大型控制力矩陀螺。据张柏楠介绍,飞船短期飞行靠发动机控制,中型卫星靠动量轮控制,而空间站这种大型空间设施则要靠力矩陀螺才能控制。

此外,天宫一号应用的电池发电效率高达27%~28%,已经跟国际先进水平相差无几。在信息传输上,也改变了以往依赖地面的被动局面,转而依靠中继卫星实现更快更高效的通讯。

在轨补加技术也是未来空间站的一个关键技术,而天宫一号就可以实现推进剂在轨补充,其先进的金属膜壳储箱未来就可以直接应用于空间站的推进系统之中。

对于一个国家来说,建设空间站到底有多重要?

“它是人类向深空进军的重要试验平台,许多关键技术需要在空间站进行验证。同时,空间站也是开展空间科学实验、造福地球的重要平台。”中国工程院院士、中国载人航天工程首任总设计师王永志给出了这样的阐释。

中国载人航天工程新闻发言人曾表示,我国将在2020年前后建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。

其中,2016年前,研制并发射空间实验室,突破和掌握航天员中期驻留等空间站关键技术,开展一定规模的空间应用;2020年前后,研制并发射核心舱和实验舱,在轨组装成载人空间站,突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术,并开展较大规模的空间应用。

“由此可见,空间站潜在的技术突破和可能取得的重大实用价值得到了世界的认可,建造空间站是通向未来更高更远目标的必由之路。”张柏楠介绍。

由于多种原因,中国尚未成为国际空间站的成员国,但随着天宫一号的发射和未来空间实验室设想的不断实现,我国将会更深入地参与国际空间站的活动。

美国宇航局专家詹姆斯·奥伯格曾评价,中国载人航天的飞速发展,不仅证明高科技水平日趋提高,也将使其获得与国际空间站完全合作的机会。

中国建设载人空间站已成为航天事业发展的催化剂。

据介绍,这项工程的启动,直接推动了新一代长征五号大推力运载火箭等新兴航天项目的发展。

中国航天科技集团副总经理袁家军透露:“待到中国在2020年前后建成一个60吨级的载人空间站后,还会开展较大规模的长期有人在轨照料的空间科学实验和应用活动。”

天宫一号已经飞天,历经55年跨越式发展的中国航天事业,终于向载人空间站时代迈进了一大步。未来,航天人还要箭指苍穹,筑起中国的“太空家园”。