“天空二號”開啟空間站時代大門

尹懷勤

空間站代表了人類的最高科技和現(xiàn)代文明水平。中國航天人已經(jīng)站在太空空間站時代的大門口。繼2011年9月29日發(fā)射“天宮一號”目標(biāo)飛行器之后，我國將于今年9月中旬發(fā)射“天宮二號”空間實驗室?！疤鞂m二號”升空后將分別與今年10月中旬發(fā)射的“神舟十一號”載人飛船、2017年4月中旬升空的新研制的“天舟一號”貨運飛船先后進行交會對接，為在2020年前后完成中國空間站的建造工作提供技術(shù)借鑒?？臻g實驗室任務(wù)完成之后，我國將真正邁入空間站時代的大門。

早在1992年，我國就確立了以建設(shè)空間站為目標(biāo)的載人航天計劃，并將其劃分為三個步驟。第一步是載人飛船階段，目標(biāo)是建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗。這一任務(wù)早已完成。

第二步是空間實驗室階段，目標(biāo)是突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器的交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。這一階段重點是要解決航天器在近地軌道上的交會對接、組裝、補給以及循環(huán)利用等四大技術(shù)。這些技術(shù)關(guān)系到空間站的組裝、航天員在空間站上的生存等關(guān)鍵問題?！疤鞂m一號”就是為了解決交會對接難題而發(fā)射的一個目標(biāo)飛行器，它處于我國航天“三步走”戰(zhàn)略第二步的第二階段。與“神舟八號”無人飛船以及“神舟九號”、“神舟十號”載人飛船成功進行了交會對接的實踐表明，通過對接，“天宮一號”可以被改造成一個短期有人照料的空間實驗室?？臻g交會對接技術(shù)成熟之后，發(fā)射“天宮二號”，建成我國正式的空間實驗室就被提上了議事日程，它擔(dān)負著為此后全面建設(shè)中國空間站進行多項技術(shù)驗證的重任。

“天宮二號”是在“天宮一號”平臺基礎(chǔ)上研制的，重量、外形與“天宮一號”相似，但是載荷會發(fā)生很大變化，在應(yīng)用上有很多不同功能，將開展多項技術(shù)試驗。從“天宮一號”的相關(guān)數(shù)據(jù)中不難想象“天宮二號”的形狀——可能重達8.5噸，全長10.4米，最大直徑3.35米，結(jié)構(gòu)可分為前部的實驗艙和后部的資源艙?！疤鞂m一號”的在軌壽命雖然設(shè)計為2年，但是在距離地球343千米的高度上已經(jīng)工作了近5年時間，乃系我國最長壽的近地軌道飛行器。這就意味著，當(dāng)“天宮二號”發(fā)射后，它將會和前輩“天宮一號”一起在軌飛行，完成更多的空間科學(xué)實驗任務(wù)。

至此，所有的前期工作就都完成了。到2020年前后的第三步任務(wù)，就是建立永久性的空間實驗室，建成中國自己的空間工程系統(tǒng)。

任務(wù)新 亮點多

按照計劃，“天宮二號”空間實驗室和搭載有2名男性航天員的“神舟十一號”飛船將先后從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心起飛，使用的都是長征二號F運載火箭。已經(jīng)完成研制工作的第一艘貨運飛船“天舟一號”，將啟用新研制的“長征七號”運載火箭從海南文昌發(fā)射場發(fā)射升空。酒泉發(fā)射場、文昌發(fā)射場、測控通信系統(tǒng)和著陸場系統(tǒng)，正按計劃進行任務(wù)準(zhǔn)備工作。

“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船對接之后，2名航天員將完成長達30天的在軌駐留，而此前我國航天員在軌駐留的最長時間紀錄是在“神舟十號”上創(chuàng)造的15天。在軌駐留時間的加倍，考驗著一套可以長期穩(wěn)定運行的，能夠維護航天員生命健康的設(shè)備。此次“天宮二號”上搭載的環(huán)境控制與物理化學(xué)式再生環(huán)控生保技術(shù)、受控生態(tài)生保技術(shù)實驗保障系統(tǒng)，將對航天員提供30天的保障。

此外，“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船組合體飛行任務(wù)期間，對任務(wù)籌劃提出了更高要求。北京航天飛行控制中心不僅要完成軌道控制、上行控制等任務(wù)，還要配合航天員在軌期間組織天地協(xié)同，以及開展載荷試驗、科普教育等活動。

之前“天宮一號”在距地面343千米的軌道上運行時，對星下同一地點的重訪周期為2天;而“天宮二號”軌道距地面近400千米，重訪周期約為3天，這一高度與未來的中國空間站運行軌道基本相同，其軌道控制與任務(wù)組織模式也將更加接近于未來的中國空間站。之前完成軌道確定工作至少在一圈半到兩圈以上，此次任務(wù)則要求在一圈之內(nèi)完成，短弧段定軌對北京航天飛行控制中心提出了更高的精度要求。

相較于“天宮一號”任務(wù)時只有電子郵件上行功能，“天宮二號”則增加了郵件下行功能。航天員在“天宮二號”艙內(nèi)就可以進行收發(fā)郵件操作，即航天員可向地面發(fā)送郵件，或者說，這次任務(wù)北京航天飛行控制中心將實現(xiàn)航天員與地面無障礙通信，傳輸速度可滿足音頻、視頻發(fā)送需求，更有利于天地溝通。

“天宮二號”任務(wù)中將先后對接“神舟十一號”載人飛船和“天舟一號”貨運飛船，尤其是首次對接我國自主研發(fā)的第一艘貨運飛船，這是此次任務(wù)最大的亮點。“天宮二號”與“天舟一號”貨運飛船對接后，要通過自動系統(tǒng)對實驗室進行推進劑補加。這個主要是驗證貨物運輸和推進劑在軌補加等空間站建造與運營的關(guān)鍵技術(shù)。在今后的空間站建造和運營中，貨運飛船將擔(dān)負重要的任務(wù)。

從外形上看，“天舟一號”貨運飛船與“天宮一號”較為相似，但在功能上卻有很大不同?！疤熘垡惶枴庇商幱谇安康呢浳锱摵秃蟛康耐七M艙構(gòu)成，這是最主要的兩大部分。它的發(fā)射質(zhì)量為13噸左右，上行貨物運輸重量大于6.5噸，下行運力為6噸左右。下行貨物就是把空間實驗室貨物，尤其是未來的空間站在長期運營過程中產(chǎn)生的垃圾攜帶返回，最終在大氣層中銷毀。

我國在研制“天舟一號”貨運飛船的過程中，分別以俄羅斯的“進步號”貨運飛船和歐洲空間局的自動貨運飛船為目標(biāo)，有效解決了它們在研制過程中的問題，其性能較之前兩者更為優(yōu)越。“天舟一號”貨運飛船采用模塊化設(shè)計，具有全密封貨艙、半密封/半開放貨艙、全開放貨艙三種構(gòu)型，可以把不同的載荷運往空間站，甚至可以將小型艙段運輸上天，并由航天員和機械臂將其裝配到空間站上，此舉是大型空間設(shè)施建造技術(shù)上的巨大跨越。這就要求航天員必須掌握大型空間設(shè)施的建造技術(shù)和運營管理技術(shù)，具備強大的維護維修升級能力?！疤鞂m二號”開展的大量實驗和“天舟一號”的飛天，都是瞄準(zhǔn)空間站運行模式所進行的嘗試。

此次“天宮二號”的任務(wù)之一就是要把貨運飛船納入運營體系中，通過自動系統(tǒng)對實驗室進行推進劑補加。此前無人及載人飛船與“天宮一號”的對接機構(gòu)主要是電路連接，這次為了補加燃料，還將增加液路連接。推進劑補加過程控制步驟多，流程雜，需要多天完成，若出現(xiàn)應(yīng)急情況還要進行在軌處置，需要地面飛控系統(tǒng)進行復(fù)雜的操作。

為了確保升空后運行的萬無一失，北京航天飛行控制中心已在地面與“天宮二號”空間實驗室、“神舟十一號”載人飛船和“天舟一號”貨運飛船建立無線通信鏈路，用真實的測控站和任務(wù)軟件模擬了任務(wù)全過程，確保了接口匹配，控制協(xié)同。這一聯(lián)試過程比真實任務(wù)更為復(fù)雜，覆蓋了各種應(yīng)急控制分支。從飛船發(fā)射后的大氣層外救生到應(yīng)急返回，北京航天飛行控制中心對各類應(yīng)急預(yù)案均進行了檢驗，已經(jīng)完成了任務(wù)全態(tài)模式演練。這也是空間實驗室和飛船要達到發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)必須經(jīng)歷的一個環(huán)節(jié)。目前，該中心針對長征七號火箭首飛、“天宮二號”空間實驗室、“神舟十一號”載人飛船、“天舟一號”貨運飛船等任務(wù)建立了多個型號任務(wù)團隊，同步開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作，為后續(xù)執(zhí)行各項任務(wù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

新征程 新使命

“天宮二號”堪稱中國載人航天工程里最忙碌的空間實驗室?！疤鞂m二號”要進行14項空間科學(xué)和應(yīng)用實驗任務(wù)，涉及微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)等9大領(lǐng)域。其中，有2項需要航天員直接參與操作，1項是國際合作聯(lián)合研究的項目。為此，這次任務(wù)搭載的有效載荷達51臺，其中新研制的就有42臺，自主研發(fā)核心部件20余個，攻克核心技術(shù)30余項。同時，“天宮二號”上還搭載了香港中學(xué)生太空科技設(shè)計大賽獲獎的3個實驗項目，計劃在太空開展科普實驗活動?！疤鞂m二號”任務(wù)是我國開展載人航天工程以來，應(yīng)用項目最多的一次。

此次“天宮二號”任務(wù)還安排了天地量子密鑰傳輸試驗、激光通信試驗等，這些項目大多處在當(dāng)前世界最前沿的空間科學(xué)探索領(lǐng)域，在信息安全方面有著廣泛的應(yīng)用前景?！疤鞂m二號”將搭載全球第一臺空間冷原子鐘，它充分利用了太空微重力條件，穩(wěn)定度高達10-16。超高精度的原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，這一技術(shù)可以將我國航天器自主守時精度提高兩個數(shù)量級，大幅提高導(dǎo)航和定位精度。同“天宮二號”一起升空的伴飛小衛(wèi)星，還將對交會對接全過程進行近距離成像觀測。

同時，“天宮二號”還將攜帶三維成像微波高度計，能夠在一個寬幅的三維海平面測量中，得到精度優(yōu)于5厘米的測量結(jié)果，可以精確測量出海浪的高低值。此外，在“天宮二號”空間實驗室還將開展材料制備實驗，研究納米復(fù)合光學(xué)材料、高性能熱電轉(zhuǎn)換材料、高性能合金材料等新型材料。這些實驗不僅具有很高的科學(xué)價值，而且還有可能在未來對我國的航天技術(shù)帶來新的推動力。

被寄予厚望的“天宮二號”將解決具有一定規(guī)模、短期有人照料的空間應(yīng)用問題，今后科學(xué)家、航天員們將在空間實驗室內(nèi)開展各項科學(xué)實驗。借鑒“天宮二號”積累的經(jīng)驗，我國將來就可更有效地研制體積更大、可靠性更強的核心艙和實驗艙，增加太空實驗的項目和種類，為最終建成空間站奠定基礎(chǔ)。

天宮，是中華民族的優(yōu)美神話和美好想象。在不久的將來，地球軌道上又將多一個人造天宮。太空從此有了中國人的歡笑，“天街”也熱鬧起來……