中國距離建立空間站還有多遠？

吳麗瑋+劉周巖

未來在中國自己的空間站里，“非軍人出身的科學(xué)家和工程師、醫(yī)學(xué)專家都有可能成為中國的航天員”。焦立中這樣告訴本刊記者。他曾在美國國家航空航天局服役15年，4次乘坐飛行器飛向太空，共計完成6次太空行走，并且是世界上第一名華裔國際空間站站長，他在太空停留總時長累計超過229天，同時也是在太空一次性停留時間最長的美國宇航員之一。另一名專訪對象焦維新教授來自北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，同時他也是中國空間科學(xué)學(xué)會空間探測專業(yè)委員會委員。

“三步走”與空間站目標(biāo)

三聯(lián)生活周刊：中國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略里，第三步是要建造空間站，“神舟十一號”飛船返回地球后，中國距離建立空間站的目標(biāo)更近了一步。明年還要發(fā)射“天舟一號”貨運飛船，與“天宮二號”對接，進行推進劑補加等試驗。在此之后，是否我國建立空間站的準(zhǔn)備工作都已經(jīng)完成？

焦維新：載人航天兩個最關(guān)鍵的技術(shù)，一是太空行走，一是空間交會對接。太空行走在“神舟七號”就完成了，而空間交會對接難度更大，所以從“神八”開始，“神八”“神九”“神十”，主要目的都是攻破、掌握空間交會對接技術(shù)。

“天宮二號”跟“天宮一號”都是我們載人航天第二步走的重要內(nèi)容，但是它倆分工不一樣?！疤鞂m一號”屬于第二步走的第一階段，它主要扮演的角色就是空間交會對接的目標(biāo)飛行器?！吧癜恕眮砹耍吧癜恕备鼘?，“神九”“神十”也一樣。通過“天宮一號”，我們基本上掌握了空間交會對接技術(shù)，這是建立空間站和維護空間站最關(guān)鍵的技術(shù)。

“天宮二號”就更進一步了。整個第二步走都是在為空間站建設(shè)做準(zhǔn)備，但準(zhǔn)備的內(nèi)容不一樣?！疤鞂m二號”跟“天宮一號”的最大不同，就是攜帶的科學(xué)實驗的項目多了?！疤鞂m一號”也就是兩三項科學(xué)實驗，我們這次有14項科學(xué)實驗，是為了以后空間站開展各式各樣的科學(xué)實驗做準(zhǔn)備。通過這14項科學(xué)實驗，我們可以進一步獲知，未來選擇哪些類型的科學(xué)實驗效益更好一些，同時實驗設(shè)備該如何制作。當(dāng)我們國家的空間站完全建成后，里面要放置大概10個實驗柜，每個實驗柜里邊放不同的實驗裝置，大大小小的項目都算起來有近百項科學(xué)實驗。首先需要論證做哪些實驗的效果更好。而且地面做實驗是有人操作的，在太空做實驗大多是自動完成，所以實驗裝置怎么設(shè)計等等，都需要經(jīng)驗。“天宮二號”就是為將來我們空間站建成以后那么多的科學(xué)實驗積累經(jīng)驗。

2015年10月19日， Expedition 45遠征隊員聚集在國際空間站的美國“命運號”實驗艙商量如何應(yīng)對當(dāng)時的突發(fā)情況

“天宮二號”的第二項目的，就是把航天員在太空駐留的時間逐漸延長，現(xiàn)在叫中期駐留，原來一兩周叫短期駐留，長期駐留要至少半年以上?，F(xiàn)在國際空間站的航天員基本上都是駐留半年，也有個別航天員一次駐留超過一年。他們在太空長時間飛行，本身也是項科學(xué)實驗?？纯慈祟愰L期在微重力環(huán)境下，到底身體狀態(tài)怎樣。長期在微重力環(huán)境下，到底人體有哪些反應(yīng)，待一個星期就回來了可能不太明顯。當(dāng)然一個月也不是我們的目標(biāo)，我們今后的實驗?zāi)繕?biāo)至少要駐留半年。

第三步建立空間站要解決的技術(shù)問題主要是新的核心艙和實驗艙的研制。這些艙不僅僅是外殼的問題，還有里面的控制系統(tǒng)以及最主要的科學(xué)實驗項目的準(zhǔn)備。未來要有近百項空間實驗，實驗柜怎么安排、使實驗便于操作又不互相干擾，這些工作對我們來說都是全新的。

另外就是空間站組合體的控制技術(shù)。載人飛船和載貨飛船都要和核心艙對接，大的組合體控制是我們面臨的新問題?，F(xiàn)在這個組合體只是一個飛船跟一個實驗室，那將來若干個艙在一起會是怎樣的姿態(tài)現(xiàn)在還不太清楚，它們不一定都在一個平面上，這就會出現(xiàn)姿態(tài)控制的問題。

還有發(fā)射這些大噸位艙需要的新型運載火箭。新艙重20多噸，之前升空的運載火箭運載能力都沒這么大。11月3日“長征五號”運載火箭在海南文昌的發(fā)射場成功發(fā)射，這是目前國內(nèi)運載能力最大的火箭，未來空間站的發(fā)射都要依靠“長征五號”。

三聯(lián)生活周刊：此次“天宮二號”與“神舟十一號”任務(wù)實現(xiàn)了多項技術(shù)驗證，同時進行了14項空間實驗，這其中你認(rèn)為最重要的成績是什么？

焦維新：這些實驗是經(jīng)過反復(fù)論證和選擇過的，有些看似簡單，但意義都很重大。這次的實驗主要分為三類。

第一類是在微重力環(huán)境下的空間科學(xué)實驗。比如說微重力環(huán)境下流體力學(xué)的實驗、微重力環(huán)境下的環(huán)境科學(xué)實驗、微重力環(huán)境下的燃燒科學(xué)實驗等，這一類屬于探索基礎(chǔ)科學(xué)規(guī)律的。

歐洲空間局工程師在國際空間站拍攝的地球照片

第二類是新技術(shù)驗證的實驗。這次我們有一個實驗是空間冷原子鐘。如果這個實驗獲得成功的話，會使我們的原子鐘授時精度提高兩個量級，這對于提高我們的導(dǎo)航衛(wèi)星精度有很大幫助。鐘表經(jīng)歷了擺鐘、石英鐘、原子鐘等發(fā)展，精度越來越高。原子鐘利用不同能級之間的振蕩，發(fā)出信號，信號的頻率非常的穩(wěn)定。不過原子鐘也要熱運動，熱運動影響精度，于是專門用特殊的激光束作用，使它運動緩慢下來，又可以提高精度，就是冷原子鐘。再進一步，冷原子鐘在地球重力的作用下，做加速運動，又影響授時的精度。在空間微重力的環(huán)境，那又可以使它的精度提高一兩個量級，這就是空間冷原子鐘。這可以大大提高我們北斗系統(tǒng)的定位精度。新技術(shù)驗證還有很多，還比如說激光通信。太赫茲是無線電中最高的頻率，頻率越高能攜帶的信息越多。這個非常有用，將來探測火星等的通訊都可能應(yīng)用太赫茲頻率。但是太赫茲受大氣層衰減，地面上這個實驗就不行，要放到空間上做。我僅僅舉這兩個代表性的，就是說在我們有空間站建成以后，利用這個平臺，可以發(fā)展許多新技術(shù)。

第三種類型是太空產(chǎn)品開發(fā)。比如說計算機的芯片，芯片最原始的就是晶體，在地面產(chǎn)生的各種比如硅單晶、鍺單晶、銫單晶等，有重力情況下單晶就小，而且結(jié)構(gòu)不均勻，在微重力環(huán)境下，單晶結(jié)構(gòu)又大又均勻，性能就好，我們把它做成大規(guī)模集成電路，這就是太空產(chǎn)品了。還有各式各樣的蛋白質(zhì)晶體、太空制藥等等。制藥的時候不可能是一種元素組成的，都是復(fù)雜的高分子化合物，可是混在一起比重不一樣，也不可能做到均勻的混合?？墒窃谖⒅亓ο虏淮嬖诒戎氐膯栴}，所有的物質(zhì)都沒有重量，可以均勻地混合，藥的療效可能也就更好。

在這之前呢，國家做了大量的準(zhǔn)備工作，包括我們北大的先進技術(shù)研究院，召集理科各院系的老師，大家可以提出自己想在空間科學(xué)實驗室做的實驗。經(jīng)過有關(guān)專業(yè)專家批準(zhǔn)，可以進行預(yù)研，再進行下一步工作。這些項目都是一級一級在準(zhǔn)備，畢竟成本非常高，一公斤有效載荷運到太空的成本大概是兩萬美元?？臻g站還沒建成，實際上早期的研究工作好多年之前就開展起來了。實驗內(nèi)容籌備是我們載人航天一個關(guān)鍵問題，我們的空間站能否超越現(xiàn)有空間站，不在于外形設(shè)計新穎不新穎，關(guān)鍵還是能取得更多的科學(xué)反饋?？臻g站本身只是一個平臺，就像一座大樓，重要的還是里面的內(nèi)容，也就是開展的空間實驗項目。

空間站里的航天員

三聯(lián)生活周刊：明年我國將啟動第三批航天員的選拔工作，新一批航天員將會有什么新的選拔要求，從而能滿足在空間站工作的人才需求？

焦維新：我們現(xiàn)在都是飛行員為基礎(chǔ)的航天員上天，將來空間站形成一定規(guī)模以后，就該有任務(wù)工程師上天了。之前的航天員都是從飛行員中選拔的。航天員必備的三個素質(zhì)，身體素質(zhì)、心理素質(zhì)和業(yè)務(wù)素質(zhì)，前兩批航天員主要注重身體素質(zhì)和心理素質(zhì)，未來對業(yè)務(wù)素質(zhì)，包括許多空間實驗的科學(xué)知識和操作方面的要求會逐漸增加，也會考慮從青年學(xué)者當(dāng)中選拔任務(wù)工程師。包括一些年輕的博士生，只要他身體可以，經(jīng)過一定訓(xùn)練，能適應(yīng)發(fā)射返回的過程，空間站里將靠他們來真正做實驗。前兩批航天員本身是飛行員出身，不是實驗項目領(lǐng)域的專家，雖然現(xiàn)在的實驗操作都是在地面上教過的，但他們很難理解實驗背后本質(zhì)的東西，如果實驗過程出現(xiàn)新的現(xiàn)象，或者出現(xiàn)問題需要解決，可能就無能為力。如果我們探索更新的東西，就需要行業(yè)的專家親自去天上做實驗，像美國的航天飛機上早就有任務(wù)工程師的角色了。

焦立中：美國和蘇聯(lián)一樣，第一批航天員都是從空軍中選拔出來的。美國也是在空間探索的經(jīng)驗日益豐富之后，開始吸收科學(xué)家和工程師進來，這很正常，中國毋庸置疑也會按照這樣的模式為空間站做準(zhǔn)備。不同學(xué)科背景的航天員根據(jù)個人所長進行選拔，在掌握必備的技術(shù)和知識之外，每個人也會因此被施以不同的訓(xùn)練內(nèi)容。

1990年我被NASA（美國國家航空航天局）錄取，在此之前我在企業(yè)的實驗室工作，我從學(xué)士一直到博士時，所學(xué)的專業(yè)都是化學(xué)工程，后來在實驗室研究太空復(fù)合材料。在成為宇航員之后，我在飛行過程中擔(dān)任的職務(wù)是任務(wù)專家，飛行過程中，還有飛行員、飛行工程師、任務(wù)指揮官等職務(wù)。任務(wù)專家的任務(wù)是醫(yī)學(xué)實驗和技術(shù)探索，比如太空梭空電整合實驗室里航天飛機飛行軟件確認(rèn)等等。我一共飛行過4次，1994年第一次飛向太空乘坐的是“哥倫比亞號”航天飛機，當(dāng)時我負(fù)責(zé)進行科學(xué)實驗;第二次飛行是1996年，當(dāng)時我進行了兩次太空行走，目的是為了實驗建造國際空間站的設(shè)備和裝配技巧，并且測試改善后的太空服的保暖性能;第三次飛行是2000年，當(dāng)時的主要工作是領(lǐng)導(dǎo)出艙的宇航員隊伍，為建立國際空間站做更多準(zhǔn)備;我最后一次升空是2004年，當(dāng)時作為國際空間站的站長，在空間站駐留了半年，主要負(fù)責(zé)大多數(shù)的美國實驗，同時也給其他的俄羅斯航天員幫忙。國際空間站的站長要對這次任務(wù)全權(quán)負(fù)責(zé)。正常情況下，每天要先跟地面任務(wù)控制中心開一個短會，討論當(dāng)天的活動，隨后宇航員根據(jù)各自的日程開始工作，周末時工作會相對輕松一些。

我曾經(jīng)訪問過中國航天員中心，航天員中心的訓(xùn)練方法非常專業(yè)，和美國以及俄羅斯都有很多相似之處。未來隨著中國載人航空事業(yè)的成熟，非軍人出身的科學(xué)家和工程師、醫(yī)學(xué)專家都有可能成為航天員。這些人需要具備在中國空間站里完成復(fù)雜實驗的能力。我也和楊利偉、費俊龍、聶海勝都見過面，我知道中國的航天員選拔非常嚴(yán)格，在我看來，他們的技術(shù)都非常好。

空間站與國家競爭

三聯(lián)生活周刊：隨著本次任務(wù)的圓滿完成，中國的空間站計劃正在穩(wěn)步推進，預(yù)計2020年前后初步建成獨立的空間站。是否可以認(rèn)為，空間站是當(dāng)前中國航天的核心項目？空間站工程與探月工程、火星探測工程、深孔探測工程等的相互關(guān)系是什么？

焦維新：空間站項目是我們載人航天事業(yè)的核心。我們載人航天“三步走”的最終目標(biāo)就是建立空間站，我們既然費這么大力氣造出空間站，以后就不會喜新厭舊再搞別的東西，而是肯定充分利用空間站，腳踏實地把這個工作做得有特色，真正得出一大批具有國際先進水平的成果，對推動我們國家技術(shù)的發(fā)展也會起到很大作用。

載人登陸火星對我們來講還太遙遠了，現(xiàn)在不去考慮。但是未來空間站之后很有可能進行載人登陸月球。我們載人登陸月球絕不是簡單重復(fù)美國幾十年前做的事情，我們再登陸就是完全不同的。

當(dāng)年美國阿波羅計劃主要目的是政治競爭。現(xiàn)在沒有那種“冷戰(zhàn)”思維了，我們完全是根據(jù)自己的需要搞載人登月。我們要搞載人登月最重要的目標(biāo)就是要建立月球基地。我們?yōu)槭裁匆谀蠘O設(shè)立科考站，有科學(xué)家長期駐守，而不是去兩三天就回來？因為得到的科學(xué)成果肯定不一樣。我們建立月球基地，就相當(dāng)于在月球又建立了空間站，對于研究月球各種各樣問題非常有價值。都說月球含有豐富的氦三，我們可以讓航天員在月球?qū)嶋H做實驗，在月球不同地點取到不同深度，得到月球不同區(qū)域氦三含量。另外詳細測量月球的地質(zhì)特征，這樣可以跟遙感測量對比，來矯正遙感測量的結(jié)果。在六分之一地球重力的環(huán)境下，也可以開展生命科學(xué)實驗，比如看動物產(chǎn)卵是否會有變異。天文學(xué)家還提出在月球背面建立射電望遠鏡。我們要做出真正的科學(xué)成果來，長久以來我們國家在深空探測方面都非常落后，中國人關(guān)于火星、土星等的知識都是西方提供的。我們不能過了幾千年了還和孩子們說四大發(fā)明，中華民族要為人類知識做出貢獻，月球是一個合適的起點。

另外還有月球資源的問題，我們還完全沒有搞清楚。即使是我們每天生活的地球，還年年有新的成果，高校每年還要招收地質(zhì)學(xué)的學(xué)生，科學(xué)家在不斷發(fā)現(xiàn)新的油氣田。

再一方面就是技術(shù)上的發(fā)展。如果我們一開始沒有探測月球，可能就不會有“長征五號”火箭。同樣，如果不搞載人登月，可能我們的運載火箭就停留在“長征五號”上了，有新的目標(biāo)了，就會促進技術(shù)發(fā)展。我們將來運載火箭目標(biāo)是130噸，而現(xiàn)在“長征五號”只是20多噸。有了這么大的運載火箭，對于我們科技實力、國防實力的增加，都是無法想象的。像阿波羅登月，其實它整個推動了電子、材料的發(fā)展，美國的工業(yè)邁上了新的臺階。我們的火箭、導(dǎo)航、通訊等技術(shù)也會隨著載人登月而發(fā)展。

焦立中：中國選擇空間站作為目前最重要的一個目標(biāo)，這個計劃非常合理?？臻g站為更多的太空探索提供了研究保障，同時也使得中國能拓展其在航空領(lǐng)域的國際合作。未來在中國的空間站里，也是應(yīng)該以生物醫(yī)學(xué)研究為主，之前美國和蘇聯(lián)都是同樣的研究目標(biāo)。

三聯(lián)生活周刊：國際空間站在幾年之后將會退役，美國和其他國家就目前來說，未來也并沒有新的空間站計劃。這是否意味著空間站項目的研究成果有限，未來發(fā)展前景不大？我們所努力的空間站計劃，是否能夠超越美國和其他國家在這個領(lǐng)域上的成績？

焦維新：空間站已經(jīng)有很長的歷史了，這方面蘇聯(lián)資格最老，前三代都是蘇聯(lián)搞的，國際空間站是第四代。但是我們今天搞空間站并不是說別人有什么我們就搞什么、別人不搞我們也不搞，還是從自身需求出發(fā)進行的。而且年代也不一樣，比如說20世紀(jì)七八十年代的空間站上的電子技術(shù)和現(xiàn)在能比嗎？我們今天搞的也是不一樣的東西，不是簡單重復(fù)。

況且國際空間站在實驗方面組織得不是那么好，都是各干各的。實驗艙基本都是獨立的，俄羅斯有“星辰號”實驗艙，美國的叫“命運號”實驗艙，歐洲空間局的“哥倫布”實驗艙以及日本的實驗艙，實驗艙通過過渡段連接。實驗都是各國搞各國的，也有些交流，但主要還是各顧各的。我們基本的理念就是面向未來科技的發(fā)展，根據(jù)我們國家自身的需要獨立自主地來設(shè)計有針對性的實驗。

國際空間站還有一個問題是科技成果沒有及時返回，它過分重視往上面運材料、人員，沒有足夠重視把取得的科研成果及時研究應(yīng)用。比如一些材料科學(xué)的實驗結(jié)果，應(yīng)該及時返回地面進行擴大規(guī)模的應(yīng)用，但是往往是許多成果在上面待了很長時間，接航天員返回的時候才帶回來，但實際上應(yīng)該用專門的貨運飛船及時運送回來，這方面重視不夠。

美國航天事業(yè)的一個特點是喜新厭舊。探月競賽結(jié)束以后，那么先進的阿波羅飛船扔在一邊不要了，去搞航天飛機。而同時蘇聯(lián)去發(fā)展空間站。事后證明蘇聯(lián)的這條路是對的。蘇聯(lián)“和平號”空間站運行了15年，而航天飛機一次上去也就兩周，在空間科學(xué)實驗方面沒法比。航天飛機其他一些好處也因為事故和預(yù)算超支等等沒能完全實現(xiàn)。

焦立中：首先，國際空間站原定運行到2024年，但我認(rèn)為很有可能會延長至2028年甚至更久。而我在今年5月曾發(fā)表一篇文章指出，美國的空間計劃因為資金缺乏遭到嚴(yán)重阻礙，更為嚴(yán)重的是，美國的空間發(fā)展失去了方向。美國現(xiàn)在眼睜睜地看著中國和俄羅斯取代了它的地位，在月球探索以及未來的火星探索中成為主導(dǎo)國家?？臻g計劃曾是美國的威望來源和軟實力的象征，但隨著總統(tǒng)選舉如火如荼地進行，對于宇宙探索的話題似乎被擱在一邊，無人問津。NASA目前面臨著資金不足的困境，在財政預(yù)算不斷增加的同時，NASA的資金投入從20世紀(jì)60年代的4%，下降到了90年代的1%，現(xiàn)在甚至連1%也不到了。另一方面，以美國為核心的國際合作即將瓦解，據(jù)我所知，歐洲、日本、加拿大這幾個國際空間站的合作國家，都紛紛開始與中國商討未來在中國的空間站進行合作的計劃，甚至合作還將延續(xù)至不甚明朗的月球探測計劃中。

三聯(lián)生活周刊：國際空間站時代，中國是被排斥在外的，未來我們將以何種態(tài)度面對國際合作？

焦維新：美國一開始發(fā)展航天飛機，后來意識到空間站的用處，想獨立搞空間站，但是力不從心，因為技術(shù)積累都在蘇聯(lián)那邊。蘇聯(lián)搞過若干代空間站，“和平號”空間站墜毀以后，曾經(jīng)想搞和平二號。但蘇聯(lián)很快解體了，俄羅斯政治經(jīng)濟都不景氣，無暇顧及。美國有錢沒技術(shù)，俄羅斯有技術(shù)沒錢，所以他們一拍即合。歐洲空間局也想搞自己的實驗艙，日本也想搞。加拿大搞不了實驗艙，但是機械手的技術(shù)還算先進，也參與進來，所以就有錢出錢，沒錢出力，十六國共同建造起了國際空間站。

當(dāng)初國際空間站中國被排斥在外就是因為美國的反對，怕我們通過合作偷走技術(shù)。美國排斥我們也促使我們下定決心，獨立自主地開展自己的載人航天事業(yè)，“921計劃”就是在這樣的背景下誕生的。

未來我們會抱著開放的態(tài)度開展國際合作。畢竟像俄羅斯、歐洲都有自己的實驗艙，也做一些實驗了，有科學(xué)經(jīng)驗。所以2024年國際空間站退役以后，可能在太空運行的只有我們中國的空間站一家。美國也好，歐洲也好，或者俄羅斯和其他國家，你有好的點子，有一些想法愿意到我們這里實現(xiàn)，我們都抱著一種開放的態(tài)度來討論。兩國科學(xué)家討論之后，看以怎樣的具體方式實現(xiàn)，無論是共同設(shè)計實驗，還是說允許其他國家的單獨實驗艙連接空間站，既然我們抱著開放的態(tài)度，那就都有可能。