“天宮”的征途:奔向載人空間站時代

近年來，中國航天大戲不斷上演，從“嫦娥奔月”到航天員太空漫步，載人航天實現了一個又一個大跨越。2011年9月29日，隨著“長征二號F”運載火箭在甘肅酒泉衛星發射中心的沖天而起，舉世矚目的“天宮一號”目標飛行器被順利地送入太空軌道，這是中國航天事業取得的又一重大成就，標志著中國向載人空間站時代邁出了歷史性的一大步。

“天宮一號”拉開中國載人空間站工程大幕

在眾多媒體的報道中，“天宮一號”被稱之為“空間實驗室”。其實，“天宮一號”還不是真正意義上的空間實驗室，它只是空間實驗室的雛形，是中國為建造首個載人空間實驗室和空間站做技術準備而發射的“目標飛行器”。

早在1992年9月21日，中國正式啟動了代號為“921工程”的載人航天工程。工程的發展戰略分三步走：第一步是把航天員送上天。第二步是實現多人多天飛行、航天員出艙，突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術，并在2016年以前發射空間實驗室，突破和掌握航天員中期的駐留等空間站的關鍵技術，然后進行一定規模的空間應用實驗。第三步是在2020年前后建造載人空間站，突破和掌握近地空間站組合體的建造和運營技術、近地空間站長期載人飛行技術并開展較大規模的空間應用。

2003年10月16日，隨著“神舟五號”航天員楊利偉的安全返回，中國載人航天工程的第一步目標已經實現。2008年9月27日，“神舟七號”航天員在太空的出艙活動，則完成第二步目標的前一部分。而在“天宮一號”發射成功之后，地面將把“神舟八號”飛船發射上去，用于和“天宮一號”交會對接。這是在完成第二步目標的后續任務，并為完成第三步目標，即建立中國載人空間站打下基礎。因此說，“天宮一號”的成功發射，對中國載人空間站的發展具有里程碑式的意義和影響。

“天宮一號”的結構和技術特點

在太空中，“天宮一號”有兩個美麗的翅膀，太陽能帆板就附著在翅膀上。對太空中的“天宮一號”來說，每24個小時就有16個晝夜。大約每晝30分鐘，每夜60分鐘。30分鐘面對太陽的時間，就是“天宮一號”太陽能帆板發電的時候。帆板發電時，一部分電量直接供給“天宮一號”，一部分電量則儲存在鎳氫電池里，供黑夜時使用。

“天宮一號”采用兩艙構型，由實驗艙和資源艙組成。資源艙為非密封環境，安裝有發動機、電源裝置并外接太陽能帆板，為飛行器提供軌道維持能力和電力供應。實驗艙是密封艙，由密封的前錐段、柱段和后錐段組成，可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用于航天員駐留期間在軌工作和生活。在實驗艙的內部，大約有15立方米的空間可供航天員活動。在實驗艙前端的前錐段，安裝有對接機構以及交會對接測量和通信設備，用于支持與飛船實現交會對接。從外表上看，對接機構類似于一扇圓形的門，內部直徑約0.8米，航天員可以通過這扇門從飛船進入“天宮一號”。

“天宮一號”將為后繼的空間實驗室和空間站進行新技術驗證，采用了一系列新技術、新工藝，實現電子設備的小型化和多功能化，在技術上是一個很大的跨越。

“天宮一號”將有3次空間交會對接任務

在“天宮一號”目標飛行器成功發射后之后，中國將相繼發射“神舟八號”、“神舟九號”和“神舟十號”三艘飛船，分別與“天宮一號”完成空間交會對接。交會對接是兩個步驟：交會是一個步驟，對接又是一個步驟。打個比方，“交會”是“太空約會”，“對接”是“太空之吻”。“天宮一號”與三艘飛船的空間交會對接，基本上要在兩年之內完成，因為“天宮一號”的設計壽命只有兩年。

“神舟八號”與“天宮一號”的對接為無人對接，神舟十號與“天宮一號”的對接為有人對接。神舟九號與“天宮一號”的對接是否是有人對接，將根據“神舟八號”與“天宮一號”對接試驗的具體結果來確定。

“天宮二號”空間實驗室的發射時間在2013年前后，它將分別與其后發射的兩艘載人神舟飛船進行交會對接。與“天宮一號”不同，“天宮二號”是正式的空間實驗室，科學家、航天員們將在里面展開各種工作和地球觀察、空間應用技術和航天醫學試驗。

2015年左右，將發射 “天宮三號”空間實驗室?！疤鞂m三號”主要驗證再生生保關鍵技術、航天員中期在軌駐留、飛行器長期在軌自主飛行和貨運飛船在軌試驗等技術，還將開展部分空間科學和航天醫學試驗。“天宮三號”很可能具備兩個對接裝置，它在軌飛行期間總計與兩艘載人神舟飛船和一艘貨運飛船對接。貨運飛船將輸送補給，并為“天宮三號”提升軌道。

2016年前是空間實驗室的實施階段，2016年后才是中國載人空間站的建設階段?？臻g實驗室和空間站是既有聯系又有很大區別的兩個概念?？臻g實驗室的壽命不大于5年，空間站擁有5～10年的壽命，甚至更長?？臻g實驗室規模較小，對接口少，缺乏擴展能力；空間站至少兩個對接口，能同時對接載人飛船和貨運飛船、各艙段。航天員在空間實驗室短期逗留，最多幾十天；而航天員在空間站長期工作時間多在百天以上?？臻g實驗室補給物資一次攜帶，空間站定期利用貨運飛船補給?？臻g實驗室攜帶的各種設備一般一次性使用到壽命，空間站可以多次更換設備和逐步增加設備。

突破空間交會對接技術瓶頸

“天宮一號”要想在兩年內完成與三艘“神舟”飛船的交會對接任務，就必須先跨過交會對接這道國際航天界公認的技術瓶頸。茫茫太空中，要讓兩個以第一宇宙速度（相當于每小時28440公里）移動的飛行器交會對接絕非易事。一旦在交會對接過程中調控失誤，就可能發生相撞事故。

交會對接中，一個飛行器是被動的，稱為目標飛行器；另一個是主動的，稱為追蹤飛行器。目標飛行器一般是空間站、空間實驗室或其他的大型飛行器等，如“天宮一號”。追蹤飛行器一般是地面發射的宇宙飛船、航天飛機等，如“神舟八號”。在交會對接過程中，追蹤飛行器的飛行可以分為以下四個階段：

遠程導引段：在地面測控的支持下，追蹤飛行器經過若干次變軌機動，進入到追蹤飛行器上的敏感器能捕獲目標飛行器的范圍(一般為15～100公里)。

近程導引段：追蹤飛行器根據自身的微波和激光敏感器測得的與目標飛行器的相對運動參數，自動引導到目標飛行器附近的初始瞄準點(距目標飛行器0.5～1公里)。

最終逼近段：追蹤飛行器首先捕獲目標飛行器的對接軸，當對接軸線不沿軌道飛行方向時，要求追蹤飛行器在軌道平面外進行繞飛機動，以進入對接走廊，此時兩個飛行器之間的距離約100米，相對速度約1～3米/秒。

對接?？慷危鹤粉欙w行器利用由攝像敏感器和接近敏感器組成的測量系統精確測量兩個飛行器的距離、相對速度和姿態，同時啟動小發動機進行機動，使之沿對接走廊向目標最后逼近。在對接前關閉發動機，以0.15～0.18米/秒的?？克俣扰c目標相撞，最后利用栓-錐或異體同構周邊對接裝置的抓手、緩沖器、傳力機構和鎖緊機構，使兩個飛行器在結構上實現硬連接，完成信息傳輸總線、電源線和流體管線的連接。

飛行器空間交會對接技術的實施，必須由高級控制系統來完成。根據航天員及地面站的參與程度，可將交會對接的控制方式歸結為人工控制方式和自動控制方式兩種。用人工控制來完成太空交會對接，可以提高交會對接的成功率。自動控制交會對接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問題。未來的發展趨勢是人工控制和自動控制相結合，以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。

中國首次交會對接技術無論是總體方案還是具體實施，全部為獨立自主研發。中國的交會對接技術與美國和前蘇聯的做法有所不同，美、蘇都采用了飛船與飛船對接，而中國則研制了一個“目標飛行器”作為對接目標，追蹤飛行器則采用“神舟”系列飛船。

“神舟”系列飛船從“神舟八號”開始有了許多技術改進，成為一種嶄新的天地往返飛行器。其中，交會對接功能是其最主要的特色，航天員可以根據電視圖像操縱飛船，使其緊跟目標飛行器。為了充分保證航天員的安全，“神舟八號”飛船與“天宮一號”主要采用無人自動對接的方式。

中國首個空間站2020年前后建成

到目前為止，人類一共發射或建造過11艘空間站。其中包括前蘇聯在1971～1986年間發射的“禮炮號”1號至7號共7艘空間站；美國于1973～1974年間發射的“天空實驗室”；前蘇聯/俄羅斯于1986～1999年間建造的“和平號”空間站，以及于2011年由美國、俄羅斯、歐洲航天局、日本等16國聯合建成、至今還在軌道上運行的“國際空間站”。如今，自主建設空間站的只有美國和俄羅斯兩個國家。

2020年前后，中國將建成一個大型載人空間站?？臻g站軌道高度為400～450千米，設計壽命為10年，長期駐留3人，總質量可達60噸。未來的空間站采用積木式構型，由核心艙、實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ、載人飛船和貨運飛船五個模塊組成。各飛行器既是獨立飛行器，具備獨立飛行能力，又可以與核心艙組合成多種形態的空間組合體，在核心艙統一調度下協同工作，完成空間站承擔的各種任務。

核心艙全長約18.1米，最大直徑約4.2米，發射質量20～22噸。核心艙模塊分為節點艙、生活控制艙和資源艙。主要任務包括為航天員提供居住環境，支持航天員的長期在軌駐留，支持飛船和擴展模塊對接?？坎㈤_展少量的空間應用實驗，是空間站的管理和控制中心。

實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ全長約14.4米，最大直徑約4.2米，發射質量約20～22噸?？臻g站核心艙以組合體控制任務為主，實驗艙II以應用實驗任務為主，實驗艙I兼有二者功能。實驗艙I、II先后發射，與核心艙對接后形成組合體，可開展長期在軌駐留的空間應用和新技術試驗，并對核心艙平臺功能予以備份和增強。

中國載人空間站建成后，將會由貨運飛船通過“上行下載”的方式，每年為空間站輸送補給物資，并從空間站帶回實驗樣品。中國目前正在研制的貨運飛船最大直徑約3.35米，發射質量不大于13噸。

中國載人空間站技術起點較高，技術含量可以與國際空間站比肩，但規模較小，無法與國際空間站10個艙室、419噸質量、駐6～7人的規模相比。但中國的空間站是完全獨立完成的，而目前在軌的“國際空間站”則是由16國共同出資建造的。除了俄、美、法，其他參與方從中并未獲得多少自主的技術。

在漫長的航天之旅中，中國正在加速奔跑。我們相信，中國載人空間站建成后，將進一步推動我國航天技術向更高水平發展，為推動國家科技進步和創新發展、提升綜合國力、提高民族威望做出重要貢獻。