天宮二號：中國邁向空間站的門檻

王珊

天宮二號在太空的“門牌號”和將來的空間站基本相同，它是通往空間站征途上的關鍵一戰，標志著中國載人航天正在向空間站時代闊步前進

柏林厚將天宮二號稱為“自己的孩子”，這是所有參與研制的科研人員對天宮二號的昵稱。

作為中國航天科技集團五院天宮二號系統總體主任設計師、發射場試驗隊技術組長，兩個月前，柏林厚就進駐了發射場，倒數他與“孩子”即將分別的日期。

2016年9月15日22時04分，在長征二號F T2運載火箭的托舉下，天宮二號奔赴太空。這意味著，柏林厚和他的同事們過去5年的努力終于可以畫上一個句號。目睹著這一瞬間，他有些舍不得。

天宮二號的一個重要任務就是對空間站技術進行提前驗證和技術積累。天宮二號的發射，意味著中國距離空間站建設的夢想又近了一步。

2016年10月，天宮二號要先后接受神舟十一號載人飛船、天舟一號貨運飛船的訪問。將會有兩名航天員入駐“天宮”，并在那里工作和生活30天，以驗證航天員中期在軌駐留等關鍵技術，包括如何長時間提供適合人生活的環境、物資供給等。這將是目前為止中國載人飛行時間最長的一次任務。

中國載人航天工程總設計師周建平說，天宮二號搭載的空間實驗室任務將在2017年上半年全部完成，隨后進入空間站建設階段。在他眼中，天宮二號是“通往空間站征途上的關鍵一戰，標志著中國載人航天正在向空間站時代闊步前進”。

“備胎”升級

全長10.4米，最大直徑3.35米，重量約8.6噸。如果僅從體積和外形來看，天宮二號和5年前升空的天宮一號并沒有太明顯的區別。

2011年，柏林厚就已經參與了天宮一號的研制工作。當時，出于安全等因素的考慮，他們同時設計了天宮一號的備份產品。天宮一號發射成功之后，備份產品解除了原有的使命。

工程師們決定在其基礎上研制生產天宮二號空間實驗室。柏林厚說，研制團隊首先從設備延壽開始做起。“設備產品就跟人一樣，也有壽命，時間長了就會受損。”

要想延長設備產品的壽命，首先要定位影響每一臺設備壽命的“敏感元素”。研制團隊對天宮二號上近300臺設備進行了壽命影響因素分析，通過分門別類地做試驗、調研，制定具有針對性的延壽方案。同時，他們還開展大量驗證試驗，對于驗證結果不合格或評估無法延壽的產品，果斷選擇再投產，確保天宮二號不帶一點問題上天。

在這個過程中，很多重要的器件同樣進行了備份生產。“這既是規避風險的措施，也是預案。”柏林厚告訴《中國新聞周刊》。

在此基礎上，他們還對天宮二號進行了全面改裝和升級。比如，天宮一號上天需要攜帶大量的推進劑，而天宮二號憑借新的在軌補加系統，它可以一邊飛行一邊“加油”，這將極大地提高它在軌運行時間。

每一個航天器在太空都有屬于自己的飛行軌道，這好比它們在太空的家庭住址。天宮一號的軌道高度為343公里，天宮二號的軌道高度則上升了50公里左右，達到了中國未來空間站的軌道高度。這意味著，“天宮二號在太空的‘門牌號和將來的空間站基本相同，中國載人航天一只腳已經邁進了空間站的‘門檻”，北京飛控中心副主任李劍曾如此表示。

空間站的建設是探索太空的重要手段，也是一個國家國力的體現。早在20世紀70年代，美國國家航空航天局就曾公開發表《為什么要探索宇宙》一文。文中寫道：太空探索不僅給人類提供一面審視自己的鏡子，它還能給我們帶來全新的技術、全新的挑戰和進取精神，以及面對嚴峻現實問題時依然樂觀、自信的心態。

自此以后，關于太空的探索熱一直未曾消寂。從1971 年蘇聯成功發射世界第一座空間站“禮炮”1號起，至今人類已把 10 座空間站送上太空，其中包括正在軌道運行的國際空間站。

國際空間站的設想于上世紀80年代提出，并于上世紀90年代中期開始實施。其建立以美國、俄羅斯為首，包括加拿大、日本、巴西和歐洲空間局等6個太空機構共16個國家參與。參與國際合作，不僅可以獲得更為先進的太空探索技術，還可以降低太空探索的成本。盡管做了諸多努力，中國從一開始便因各種因素而未獲得國際空間站的門票。

也因此，在1992年，中國政府提出實施載人航天工程三步走計劃，即第一步發展載人飛船，突破并掌握載人天地往返技術;第二步建立具有一定應用規模的短期有人照料、長期在軌自主飛行的空間實驗室;第三步則是建立長期有人照料的空間站，開展較大規模的空間科學技術試驗和應用。

載人航天工程啟動以來，中國已成功完成了5次無人飛船飛行和5次載人飛行，突破和掌握了載人天地往返技術、航天員出艙活動技術和空間交會對接技術，為空間站建設打下基礎。2010年9月，中國政府批準啟動載人空間站工程，工程分空間實驗室和空間站兩個階段實施。作為中國載人航天工程戰略的第三步，空間站計劃于2020年左右建成，2022年全面運行。

“如果天宮二號狀態良好，延期服役，太空上或將首次出現空間實驗室與空間站交相輝映的畫面。”中國航天科技集團公司天宮二號總設計師朱樅鵬如此對媒體表示。

在太空中看球賽

從“體型”上來說，天宮二號只能算是一個迷你版的空間站。它由實驗艙和資源艙兩艙構成。在艙內，航天員活動的范圍約為16到18立方米，按6立方米即可滿足住一人居住的人機功效看，對于兩位航天員來說，住得還算寬敞。

在一個失重的環境中生活30天，并不是一件容易的事。當時航天員在天宮一號上的生活的時間只有10天。“從10天到30天是一個不小的跨度，也是為了空間站建立成功后的長期駐留進行驗證。”柏林厚說。

為了保持航天員的舒適性，天宮二號首次系統開展了面向中期駐留的載人宜居環境設計。為了盡可能地擴大航天員的活動空間。研制人員研制出了直徑3米多的薄壁飛船結構，以符合既要大空間、又要輕巧結實的要求。

相比以往的載人飛船，天宮二號對航天員的生活質量、睡眠環境、娛樂等方面的條件提高了不少。在艙內，航天員可以和在地面一樣收看球賽直播;可以和父母打電話、使用無線音箱聽音樂;沒事的時候還能在太空自行車和太空跑臺上鍛煉一下。就連艙內的把手都提高了硬度，以方便航天員抓握、協助行走。此外，研制人員還制定出嚴格的生活區和儀器區控制指標，以保證航天員不被日夜不停工作的儀器設備發出的聲音搞得身心俱疲。

科研人員形象地說：如果把航天員楊利偉乘坐的神舟五號返回艙比作“一居室”，費俊龍和聶海勝乘坐的神舟六號返回艙和軌道艙相當于“兩居室”，那么天宮二號相當于套房，未來的空間站可能就相當于別墅了。

當然，除了生存任務之外，兩位航天員還要驗證在軌維修系統的可靠性。而這是天宮一號所不具備的。“在太空的時間久了，設備有可能會隨時出問題，換設備，換產品也變得有必要起來。” 柏林厚說。所以，不久后，你可能看到太空中傳來的一組畫面，在太空中，兩個航天員拿著工具，奮力修理出了故障的器件。當然，這只是想象的情形。不管是機械的維修還是新的載荷裝備，都要依靠天宮二號實驗的機械臂操作技術。

相比于2020年即將建設成功的空間站，天宮二號的實驗室要小得多，功能和任務也要比空間站少很多。比如說，天宮二號是單艙室，重量8噸左右，而空間站則是一個組合體，初期將由一個核心艙、兩個實驗艙構成，每個艙段都是20噸級。核心艙有5個對接口，可以對接一艘貨運飛船、兩艘載人飛船和兩個實驗艙。換句話說，空間站運營期間，最多時整個系統加起來將重達90多噸。

即將建立的空間站要在太空中工作十年或者更長的時間，壽命的維持需要靠有序添加的推進劑。為了對此做預演，天舟貨運飛船將要發射并與天宮二號對接，為其提供補給物資，包括推進劑、航天員生活消耗品、空間科研設施設備、空間站維修備品備份等。

中國的空間站更開放

伴隨著天宮二號一起上天的，還有14項空間科學與應用項目。這些項目，使得天宮二號成為中國歷次載人航天使命中搭載應用項目最多的一次。

搭載的實驗大多是當前世界最前沿領域的研究，這些任務涉及微重力基礎物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究應用以及應用新技術試驗等8個領域。

所有項目都是經過嚴格的遴選程序的。早在2005年，天宮二號上安排的空間科學實驗和應用項目便已經開始論證。“項目論證遴選過程，需要各領域對行業發展把握得非常準確的院士、專家，能夠比較準確地預見到未來幾年甚至十幾年科學發展的前沿方向和熱點。”中科院空間應用系統工程部副主任、空間應用系統副總設計師呂從民如此介紹。

以“天極”望遠鏡項目為例，這是天宮二號上搭載的唯一一個國際合作項目。“天極”的全稱是“天極”伽瑪暴偏振探測儀，由中科院高能物理研究所牽頭，瑞士日內瓦大學、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等多個機構共同參與。

伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡稱，從1973年公布發現伽瑪暴以來，關于它的研究一直是天文學和物理學中一個極其活躍的前沿領域。自1997年以來，有關伽瑪暴的觀測發現四次被《科學》雜志評為年度世界十大科技成就之一。

近十幾年來，人們對伽瑪暴的研究取得了長足進步，但有關伽瑪暴的一些基本問題還是沒有得到很好解決。作為國際上最靈敏的伽瑪暴偏振探測儀，“天極”的探測效率比國際同類儀器高幾十倍，它預期運行兩年，可以探測到大約100個伽瑪射線暴。“‘天極跟一般的望遠鏡不一樣，有很多敏感的元件用來探測偏振，類似于蜜蜂和蜻蜓等昆蟲的復眼。探測器由1600根塑料閃爍棒組成一個陣列，猶如1600個小眼組成一只復眼。”中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任、天宮二號伽瑪暴偏振探測儀首席科學家張雙南表示。

2005年天宮二號開始征集科學載荷的時候，張雙南等人就將“天極”的概念提了出來。他相信，可以憑借天極實現對伽瑪暴伽瑪射線偏振的有效測量。

除此之外，天空二號上搭載的空間科學實驗與探測項目還有冷原子鐘實驗、液橋熱毛細對流實驗、綜合材料制備實驗、高等植物培養實驗等;對地觀測及地球科學研究項目包括寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀;應用新技術試驗項目包括空地量子密鑰分配試驗、伴隨衛星飛行試驗等。

講起來如此高大上，但航天實驗距離公眾的生活其實并不遠。比如說，空間冷原子鐘將會提高衛星導航精度，讓人們的出行更加精確;寬波段成像光譜儀和紫外臨邊成像光譜儀，將提高天氣預報及空氣質量的預報水平。

其實，自1992年實施載人航天工程以來，累計形成近千項國家級發明專利，有2000余項技術成果被廣泛應用于國民經濟各行業。比如，果珍和脫水蔬菜滿足口腹之欲，載人航天環控生保技術用于煤礦事故救援，航天醫學成果成為治療中老年人骨密度降低疾病的良方;而神舟三號的中分辨率成像光譜儀、神舟四號多模態微波遙感器，都已經轉化到目前的海洋衛星應用上。

按照計劃，中國將在2018年發射三艙空間站也就是長期有航天員照料的空間站的首艙，組裝工作將于2020年完成，2022年投入全面運行。隨著艙段的增加，航天員的數量可能從最初的3名增加到6名。

外界猜測，國際空間站將在2020 年完成歷史使命并退役，屆時中國空間站可能將成為唯一的在軌運行的太空空間站。

事實上，運作多年的國際空間站一直被問題所困擾。2009年11月25日，美國政府問責局曾發布題為《“國際空間站”：巨大挑戰可能限制站上科研》的報告。該報告認為，至今，國際空間站的首要目標一直是建設工作，科研利用并未擺在首位。據《美國航空周刊》網站2009年12月報道，問責局稱，高昂的發射成本和緊張的資金狀況可能使美國永遠無法充分利用“國際空間站”。

或許是基于此項原因，一些美國媒體早已經在反思美國當年阻攔中國一起建設國際空間站的行為。

而相對于美國宇航局的保守姿態，中國的空間站顯然有著更為開放的態度。中國載人航天辦公室已經同俄羅斯聯邦航天署和歐洲航天局就科學家進入中國空間站達成協議。而且，中國空間站為大艙段對接預留的接口，也為更多的國際合作提供了可能性。