空間站:邁向太空的人類探索

景海鵬 辛景民 胡 偉 鄧一兵 鄭南寧

離開地球,翱翔太空,探索宇宙一直是人類的渴望、向往和追求.經過千百年的不懈嘗試和努力,伴隨著現代科學技術的發展和進步,以智慧和勇于探險的精神,人類終于在20 世紀實現了飛出地球搖籃的夢想,開啟了探索太空的航程.作為承載這個夢想的平臺,空間站成為了人類邁向太空的重要基地.

航天之父、現代航天學和火箭理論奠基人之一的前蘇聯康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基(Konstantin Tsiolkovsky)在世界上第一部噴氣運動理論著作《利用噴氣工具研究宇宙空間》 (1903 年),現代火箭和航天先驅之一的德國赫爾曼·奧伯特(Hermann Oberth)在航天學經典著作 《進入行星際空間的火箭》 (1923 年)分別提出了近地軌道站的設想和空間站方案,并明確提出液體燃料火箭是實現航天的理想工具,系統地奠定了現代航天理論基礎[1?4].現代火箭技術之父美國羅伯特·戈達德(Robert Goddard)不僅發明了多級火箭和液體燃料火箭(1914 年),而且成功發射了世界上第一枚液體燃料火箭(1926 年),為人類太空探索提供了實用化技術手段.導彈之父、二十世紀著名航天先驅之一的德裔美籍科學家沃納·馮·布勞恩(Wernher von Braun)在 《進入空間領域》 (1952 年)中也提出大型輪狀空間站設想,為空間站設計提供了思路.

1957 年10 月前蘇聯成功發射了世界第一顆人造地球衛星“斯普特尼克l 號”(Sputnik 1),開啟了人類航天時代,邁向太空的探索成為人類發展的必然趨勢.在前蘇聯/俄羅斯、美國、歐盟和中國等許多國家的不懈努力下建設空間站、探索和開發太空已經逐漸成為現實.到目前為止,全世界已經發射了12 個各種類型的空間實驗室/空間站,其中前蘇聯8 個、美國1 個和中國2 個都已退役,美國、俄羅斯等16 國共建的1 個目前在軌運行.

1967 年聯合國 《關于各國探索和利用包括月球和其他天體的外層空間活動所應遵守原則的條約》 (即 《外空條約》)規定,外空探索和利用是全人類共同的事業并應為全人類謀福利.《2016 年中國的航天》 白皮書明確指出,我國將繼續實施載人航天、月球探測等重大工程,深入開展空間科學研究,推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展,到2030 年左右我國將躋身世界航天強國行列.中國永久性空間站將于2022 年前后建成并投入使用,而且預計2024 年后隨著“國際空間站”的退役,屆時中國空間站將成為在太空運行的唯一空間站[5].

1 空間站概述

1.1 空間站

空間站(Space station)(也稱為軌道站、軌道空間站)是一種可在繞地球近地軌道上長時間運行、支持人類長期工作和生活的航天器.空間站不具備推進或著陸系統,需要依賴其他航天器完成地面與空間站間的人員和物資運送.與人造衛星、載人飛船、航天飛機等其他太空飛行航天器相比,空間站具有容積大、載人多、壽命長、綜合利用程度高等優點,是人類進入太空的重要基地.已退役的空間站包括禮炮(Salyut)系列(含金剛石(Almaz)軍用系列)(1971 年～ 1991 年)、“空間實驗室”(Skylab)(1971 年～ 1979 年)、“和平號”(Mir)(1986 年～2001 年)和我國“天宮一號”（2011 年～ 2016 年）、“天宮二號”（2016 年～ 2019 年）等空間站或空間實驗室,而目前在軌空間站是“國際空間站”(International Space Station,ISS)(1998 年至今,有人駐留).

大型空間站一般包括增壓的艙段(如居住艙、實驗(工作)艙)、節點艙(如對接艙、連接艙)等重要部分,以及非增壓的有效載荷、桁架等連接件、太陽能電池板、散熱器、機械臂系統、營救設備等典型部件.同時,為滿足航天員在太空工作和生活的多種需要,空間站必須具有許多特殊技術及系統,例如環境控制與生命保障系統(大氣環境控制、水處理、固廢處理、食物供給等)、通信系統、導航系統、電源系統、熱控系統、姿態控制系統、軌道控制系統、推進系統、逃逸救生系統等重要分系統,并涉及軌道選擇、飛行模式選擇、各分系統初始選擇等運行和安全性問題,其中空間站建造和運營的核心關鍵技術主要包括天地貨物補給、空間交會對接、推進劑在軌補加、載人環境控制與生命保障、航天員空間出艙、組合體控制以及在軌維修等.

空間站一般從結構上可分為單模塊(或單艙)式空間站、多模塊(或多艙)式空間站兩種.前蘇聯“禮炮1 號”至“禮炮7 號”、美國“天空實驗室”、我國“天宮一號”和“天宮二號”都屬于單模塊空間站,一般只有1 個艙段,可由火箭一次發射入軌,其中“禮炮6 號”和“禮炮7 號”為第二代實用型空間站,有兩個對接口,空間站壽命和航天員駐留時間較長.前蘇聯/俄羅斯的“和平號”空間站和多國共建的“國際空間站”屬于多模塊空間站,具有多個艙段,各模塊(艙段)由火箭分批送入軌道,然后在太空完成組裝,其中“和平號”為第一代多模塊空間站(即第三代空間站),由幾個艙段直接對接而成,而“國際空間站”為第二代多模塊空間站(即第四代空間站),采用桁架掛艙式構型和艙段對接相結合組裝而成.這兩種永久性空間站具有航天員的生活和工作空間大、靈活性強、運行時間長等優點,但技術復雜,運行費用和風險高.

現在的空間站主要是一個在軌的多用途、人可介入的實驗設施,可提供在地球上幾乎不存在或難以長期保持同一狀態的特殊近地空間環境條件(例如,失重或微重力、真空、空間輻射、極端溫度等)以及特殊實驗或試驗平臺,在科學研究、國民經濟等方面都有重大價值,對開展生命科學、生物技術、地球勘探、天文觀測、物理學、空間工程科學、材料科學等領域的科學研究以及工業和商業應用具有不可替代的重要作用.

空間站不具有返回地面的功能,因此空間站建設離不開火箭和宇宙飛船,其中火箭是唯一能突破第一宇宙速度將宇宙飛船和空間站送入太空的人造航天運載工具,而宇宙飛船是比航天飛機更簡單的可往返地面和太空間的載人航天器.此外,航天員必須通過載人飛船或航天飛機與空間站交會對接才能實現進站生活和工作,其中空間交會對接是空間站技術發展的前提和關鍵.

1.2 國外太空競爭簡況

如圖1 所示,空間站經歷了漫長的發展歷程,其中前蘇聯和美國間的相互競爭為人類太空探索做出了巨大貢獻[6].

圖1 國內外載人航天發展大事記Fig.1 Memorabilia in the development of manned spaceflight in China and other countries

20 世紀50 年代起,前蘇聯、美國兩個超級大國展開了激烈的太空競賽.1957 年10 月4 日前蘇聯成功發射了人類第一顆人造地球衛星“斯普特尼克l 號”(Sputnik 1)(重約84 公斤,直徑58 厘米,繞地1 440 圈,1958 年1 月4 日墜毀),從此引發前蘇聯和美國的激烈太空競爭[7].1958 年1 月31 日美國也成功發射了其第一顆人造地球衛星“探索者1 號”(Explorer 1)(重約14 公斤,直徑15 厘米,繞地58 000 圈,1970 年3 月31 日墜毀)[8],前蘇聯和美國的太空競爭全面展開.美國于1958 年成立國家航空航天局(National Aeronauticsand Space Administration,NASA)并通過第一個載人航天計劃,而前蘇聯在掌握彈道導彈技術后也啟動了載人航天飛行計劃.1961 年4 月12 日前蘇聯成功發射人類第一艘雙艙型載人飛船“東方1 號”(Vostok 1)(在距地約300 多公里的軌道上繞地球一周,歷時1 小時48 分鐘),實現了人類邁入太空的第一步,尤里·加加林(Yuri Gagarin)成為進入太空第一人,從此前蘇聯和美國間的太空角逐進入白熱化階段[9].1961 年5 月5 日美國成功發射單艙型飛船“自由7 號”(Freedom 7)(亞軌道飛行約15 分22 秒),艾倫·謝潑德(Alan Shepard)成為第一個進入太空的美國人[10].1965 年3 月18 日前蘇聯成功發射第二代雙艙型載人飛船“上升2 號”(Voskhod 2),阿列克謝·列昂諾夫(Alexey Leonov)艙外活動約12 分鐘,實現了人類首次太空行走[11].1966 年3 月16 日美國“雙子星座8 號”飛船與無人“阿金納”目標飛行器成功手動操作交會對接,實現了兩個航天器之間的首次太空交會對接.1969 年7 月16 日美國成功發射了三艙型載人飛船“阿波羅1 1 號”(Apollo 11),內爾·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和巴茲·奧爾德林(Buzz Aldrin)成為第一批踏上外星的人類,實現了人類登月的夢想[12].至此前蘇聯、美國間的太空競賽達到頂峰.

空間站能夠保障人類長期在太空生活和工作,在后續激烈的太空競賽中,前蘇聯和美國采取不同的技術途徑,實施了各具特色的載人航天計劃[13].1970 年前蘇聯在成功掌握載人飛船交會對接技術之后,專注于更實用的空間站和載人飛船的研發,并實施了人類第一個空間站計劃 —“禮炮號計劃”[14].在1971 年4 月19 日成功發射了第一個空間站“禮炮1 號”之后,前蘇聯在隨后的15 年間發射了8 個空間站,其中3 個軍用空間站、5 個科研實驗空間站,積累了遙遙領先于美國的空間站建設和運行的豐富經驗.盡管美國于1973 年5 月14 日成功發射了第一個“天空實驗室”試驗性載人空間站,但美國隨后選擇可重復使用的航天飛機作為太空發展重點[15].1981 年4 月12 日美國第一架航天飛機“哥倫比亞號”首次飛行成功,在太空飛行54 小時、環繞地球飛行36 周之后安全著陸[16].

20 世紀90 年代,隨著前蘇聯解體和國際政治形勢變化,美國與俄羅斯兩國也開始了太空合作.1986 年2 月前蘇聯發射“和平號”空間站[17],隨后俄羅斯與美國在“和平號”空間站開展了國際合作.接著,美國與俄羅斯聯合其他14 個國家于1998 年開始共建“國際空間站”,并于2011 年完成最后組件安裝[18].“和平號”空間站、“國際空間站”是人類先后建設的兩個永久性大規模空間站.“和平號”空間站已于2001 年退役,“國際空間站”預計2024 年前后也將退役.而中國第一個大型模塊化永久性空間站將于2022 年前后建成并投入使用,屆時中國空間站將成為在太空運行的唯一空間站.

2 國外空間站發展概況

2.1 前蘇聯及俄羅斯空間站

1)第一代空間站

禮炮號(Salyut)空間站是前蘇聯于20 世紀70 年代至80 年代實施的歷時最長的一項低軌道載人航天計劃.因當時尚未開展長時間太空停留對人體影響以及可靠生命保障系統等相關研究工作,與美國跨越式發展方式不同,前蘇聯以循序漸進的技術路線發射了7 個禮炮系列空間站,其中“禮炮1 號”至“禮炮5 號”空間站屬于第一代實驗性空間站,“禮炮6 號”和“禮炮7 號”空間站則屬于以搭積木方式建設的第二代實用性空間站[19?31].

“禮炮1 號”空間站于1971 年4 月19 日發射,1971 年10 月11 日墜毀,在軌175 天,繞地2 929 圈,飛行距離約1.19 億公里.如圖2 所示,它由軌道艙、服務艙和對接艙組成,包括主控制系統、方位與運動控制系統、發動機姿態與機動控制系統、遠距離通信系統、電源系統、生命保障系統等,并裝有各種試驗、照相攝影和科學實驗等設備,可居住6 名航天員.在軌期間,“禮炮1 號”空間站與“聯盟11 號”飛船成功對接,3 位航天員進入空間站工作和生活24 天,完成了植物種植等一系列醫學和科學實驗.“禮炮1 號”空間站標志著載人航天已經從規模較小、飛行時間較短的載人飛船進入規模較大、運行時間較長的空間應用探索試驗階段,也為后續的空間站建設提供了寶貴的經驗.

此后至1977 年前蘇聯又相繼發射了4 個第一代空間站,具體如下:

“禮炮2 號”(即第一艘金剛石軍用空間站(Almaz military space station)),1973 年4 月3 日發射,1973 年5 月28 日墜毀,在軌54 天,繞地866 圈,飛行距離約3.5 千萬公里,無航天員進站.

圖2 “禮炮1 號”空間站Fig.2 “Salute 1”space station

“禮炮3 號”(即第二艘金剛石軍用空間站),1974 年6 月25 日發射,1975 年1 月24 日墜毀,在軌213 天,與“聯盟14 號”載人飛船成功對接1 次,1 名航天員進站工作15 天.

“禮炮4 號”,1974 年12 月26 日發射,1977 年2 月2 日墜毀,在軌770 天,繞地12 444 圈,飛行距離約3.14 億公里,與“聯盟17 號”、“聯盟18 號”載人飛船成功對接2 次、無人飛船1 次,2 批4 名航天員進站合計工作92 天.

“禮炮5 號”(即第三艘金剛石軍用空間站),1976 年6 月22 日發射,1977 年8 月28 日墜毀,在軌412 天,繞地6 666 圈,飛行距離約2.7 億公里,與“聯盟23 號”、“聯盟24 號”載人飛船成功對接2 次,2 批4 名航天員進站合計工作67 天.

這些空間站都屬于試驗性質的第一代空間站,只配備了一個對接口,每次只可與一艘“聯盟號”系列飛船對接,儀器設備和主要物品需要發射前裝入空間站內.因此這些空間站所攜帶的有限的氧氣、燃料和食品等物資無法得到及時地補充,不僅制約了航天員空間站駐留時間,也限制了空間站在軌運行壽命.第一代空間站的在軌時間雖然短暫,但相比其他航天器有了較大的進步,而且這些試驗性空間站的建造與運行為前蘇聯建造永久性空間站積累了大量的寶貴經驗,包括催生了空間微重力材料學學科、植物種植實驗等.

2)第二代空間站

以第一代空間站經驗為基礎,通過改進系統的自動化程度提高安全性和可靠性以及減輕航天員工作強度,同時增加飛船對接口以提高空間站在軌運行壽命和擴展應用領域,前蘇聯研制了容積更大、結構更復雜的空間站“禮炮6 號”和“禮炮7 號”.特別是,具備2 個對接口將載人與運貨分開,可與“聯盟號”系列載人飛船和“進步號”無人貨運飛船同時對接,提高了燃料、水、食物和其他消耗品等物資的補給能力和實驗設備與物品的運輸能力,延長了空間站壽命和航天員在軌時間.同時,搭載了可確保生活和科研電源供應的三塊太陽能電池板、當時先進的多光譜望遠鏡或X 射線探測系統,并增加了醫療設備和鍛煉器材.從此前蘇聯空間站從基本工程研制向實用型轉變.

“禮炮6 號”空間站于1977 年9 月29 日發射,1982 年7 月29 日墜毀,在軌1 764 天,繞地28 024 圈,飛行距離約11 億公里.“禮炮6 號”由過渡艙、工作艙和中間室等3 個密封壓力艙以及科學實驗儀器艙和兩個非密封艙組成,并具有2 個對接口、變軌發動機以及太空燃料補給能力等.在軌期間,“禮炮6 號”先后成功對接19 艘“聯盟號”飛船、4 艘“聯盟T 號”飛船和12 艘“進步號”貨運飛船,共有前蘇聯、波蘭、東德、古巴等9 個國家16 批合計33 名航天員進站工作683 天,出艙活動3 次,其中兩名航天員列奧尼德·波波夫(Leonid Popov)和瓦列里·柳明(Valery Ryumin)創造185 天飛行記錄.特別是,“禮炮6 號”空間站成功對接“宇宙1267”(Kosmos 1267)無人空間艙并對接飛行458 天,為建設模塊式的“和平號”空間站提供了實驗依據.航天員們完成了科學觀測遙感、植物栽培試驗、生物醫學實驗、空間材料加工等大量任務,取得了一系列成果,積累了豐富的載人飛行經驗.

“禮炮7 號”空間站是典型的第二代空間站,也是前蘇聯禮炮系列的最后一個空間站,1982 年4 月19 日發射,1991 年2 月7 日墜毀,在軌3 216 天,繞地51 917 圈,飛行距離約21 億公里.如圖3 所示,“禮炮7 號”構造和功能與“禮炮6 號”基本類似,并配備了專用維修工具.“禮炮7 號”先后成功對接9 艘“聯盟號T”飛船、12 艘“進步”號貨運飛船和2 個空間站艙體,前蘇聯、法國和印度的12 批31 名航天員進入站工作816 天,其中三名航天員列昂尼德·基齊姆(Leonid Kizim)、弗拉基米爾·索洛維約夫(Vladimir Solovyov)和奧列格·阿特科夫(Oleg Atkov)創造了237 天飛行記錄.在軌期間,航天員進行了120 多項實驗,出艙活動13 次,對“禮炮7 號”實施了部件更換和修復工作,提高了空間站的可靠性,延長了飛行壽命.前蘇聯第二名女航天員斯韋特蘭娜·薩維茨卡婭(Svetlana Savitskaya)兩次進入“禮炮7 號”,并于1984 年7 月成為人類第一個太空行走的女性[31].

圖3 “禮炮7 號”空間站Fig.3 “Salute 7”space station

第二代艙段式實用性空間站外形簡單,不需復雜的在軌對接組合或裝配等過程,每個艙段都帶有獨立的發動機和發電系統,具有風險和難度較小,安全性較高等特點.但空間站規模小,各種載荷安裝十分緊湊,不僅限制了有效載荷規模,也增加了故障修理的難度.另外,不同艙段太陽能電池的相互遮擋也十分嚴重.第二代空間站為后續的“和平號”和“國際空間站”積累了建設經驗,而且“聯盟號”載人飛船和“進步號”無人貨運飛船也為后續的空間站大量的人員和物資往返運輸提供保障.

3)第三代空間站

在“禮炮”系列第一代、第二代空間站成功經驗的基礎上,前蘇聯建造了首個第三代長久性模塊化的“和平號”空間站,標志著前蘇聯空間站的新階段,其目的就是在太空中提供一個大型且可居住的科學實驗室[32].1986 年2 月20 日空間站核心艙發射,1996 年4 月完成所有組件安裝,2001 年3 月23 日墜毀,在軌5 510 天,有人駐留4 592 天,繞地86 331 圈,前蘇聯解體后歸俄羅斯所有.

如圖4 所示,“和平號”空間站采用組合式積木結構,其核心艙是一個基于第二代空間站設計的艙段結構,由增壓工作艙、球形增壓轉移艙(有徑向1 個、側部對稱4 個等5 個對接口)、不增壓服務動力艙和增壓轉移對接器(有1 個對接口)等4 個基本功能部分和6 個對接口組成.在核心艙發射后的10 余年間,前蘇聯為核心艙增加了量子1 號(Kvant-1)天體物理實驗艙(1987 年4 月)、量子2 號增強服務艙(1989 年11 月)和晶體號(Kristall)實驗擴展艙(可對接美國航天飛機)(1990 年5 月)等3 個艙段,俄羅斯為核心艙增加了光譜號(Spektr)電源艙(1995 年5 月)、航天飛機對接艙(1995 年11 月)、自然號(Priroda)地球遙感艙(1996 年4 月)等3 個艙段,“和平號”空間站的功能艙不斷增加、規模逐步擴大.1996 年4 月整個“和平號”空間站全部組裝完成,可與“聯盟號”載人飛船、“進步號”貨運飛船組成一個軌道聯合體,成為當時最龐大的太空設施,全長約87 米,總重約130 噸(與航天飛機對接時則重200 多噸),有效容積約470 立方米.

圖4 “和平號”空間站Fig.4 “Mir”space station

隨著蘇聯的解體和太空競賽的結束,擁有豐富載人航天和空間站建設及運行經驗的俄羅斯和擁有強大經濟與科技實力的美國于1993 年推出了“和平號航天飛機”計劃(Shuttle-Mir Program),“和平號”也成為兩國第一次大規模太空技術合作交流的舞臺[33].在軌15 余年間,先后與1 艘“聯盟T”載人飛船、29 艘“聯盟TM”載人飛船,64 艘“進步號”貨運飛船對接,9 次與美國航天飛機對接并聯合飛行.除3 次短期無人駐留外,前蘇聯/俄羅斯、美國、英國、法國、德國、日本等12 個國家、104 名航天員(其中11 人女性,1 名日本太空記者)、137 人次進站,實施了80 次太空行走,完成了24 個國際性科研計劃和約22 000 次科學實驗[34?37].俄羅斯航天員瓦列里·波利雅科夫(Valeri Polyakov)創造了太空連續駐留438 天的世界紀錄,謝爾蓋·阿夫杰耶夫(Sergei Avdeyev)先后3 次進入“和平號”累計駐留748 天,美國女航天員香農·露西德(Shannon Lucid)創造女性太空飛行188 天的最高記錄.

“和平號”誕生于激烈的太空競爭時期,研制上陣倉促,在設計和技術上存在著不同程度的問題(例如供電嚴重不足、天地往返輸送能力不足、姿控系統設計不良、振源多振動大、天地聯系不順暢等),而且后期因超設計壽命飛行,部件老化嚴重,運行和維修耗資巨大,運行效率較低,故障頻繁.另一方面,“和平號”的多模塊組合方式提高了空間站建設的操作靈活性,減少了對單個非常強大運載火箭的依賴.20 世紀90 年代俄羅斯和美國間的太空合作,也為后期“國際空間站”建設積累了豐富經驗.“和平號”作為當時體積最大、應用技術最先進、設施最完善、在軌時間最長的空間站,在生物學、人類生物學、物理學、天文學、氣象學和航天器系統等方面中進行了大量科學實驗和許多有益探索,取得了大量數據和具有重大實用價值的成果,為太空探索積累了豐富的經驗.

2.2 美國天空實驗室

“天空實驗室”是美國第一個試驗性空間站,屬于第一代非永久試驗性空間站(僅有一個對接口,無法進行貨運補給,無在軌推進系統).1973 年5 月14 日核心部件發射,1979 年7 月11 日墜毀,在軌2 249 天,繞地34 981 圈,飛行距離約14 億公里[38].

圖5 “天空實驗室”空間站Fig.5 “Skylab”space station

如圖5 所示,“天空實驗室”全長36 米,直徑6.7 米,重約80 噸,由軌道工作艙、過渡艙(氣閘艙)、多用途對接艙、太陽望遠鏡和“阿波羅”飛船5 部分組成.其中,工作艙是航天員主要工作和生活艙室,太陽望遠鏡是天空實驗室上的一個天文臺,可拍攝太陽的紫外光線和X 射線等.“天空實驗室”是通過兩次發射的核心部件與飛船在軌對接構成的完整空間站,其中核心部件(包括工作艙、過渡艙、對接艙、太陽望遠鏡)于1973 年5 月發射,“阿波羅”飛船分別于1973 年5 月、7 月和11 月發射(稱為天空實驗室—2、3、4).在軌運行期間,3 批9 名航天員進站分別工作28 天、59 天和84 天(合計171 天),共進行約300 項有關生命科學、天文觀測、材料科學、資源勘探等實驗,取得了豐富的科研成果,并進行了與軍事相關任務.

2.3 國際空間站

20 世紀90 年代隨著太空競賽的結束,1998 年美國國家航空航天局(NASA)、俄羅斯聯邦航天局(Roscosmos)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)、加拿大國家航天局(CSA)、歐洲航天局(ESA)和巴西航天局(AEB)等6 家空間機構啟動“國際空間站”合作,美國、俄羅斯聯合歐洲航天局11 個國家(德國、法國、意大利、西班牙、荷蘭、比利時、丹麥、挪威、瑞典、瑞士和英國)以及日本、加拿大和巴西等16 個國家聯合分工建設“國際空間站”(因美國反對,中國被排除在外).“國際空間站”是歷史上最大的國際科技合作項目和最雄心勃勃的太空探索項目,其主要目的就是建設一個低地球軌道的實驗室、觀測臺和工廠,并為未來可能的月球、火星和小行星探索任務提供運輸、維護以及中轉基地.“國際空間站”設計壽命為10 至15 年,指揮和控制由美國和俄羅斯雙方分擔,1998 年11 月20 日主體核心艙發射,2011 年12 月完成所有組件安裝,截至2018 年8 月4 日已在軌19 年8 月15 天、有人駐留17 年2 月9 天、繞地86 331 圈[39?40].

如圖6 所示,作為第四代和長期載人空間站,“國際空間站”采用桁架掛艙式構型,擁有幾十個艙段和大型構件,主要包括航天員居住艙、實驗艙、服務艙、對接過渡艙、桁架、太陽能電池等部分,其中以組裝式桁架為基礎結構,各種增壓艙和服務設施掛靠在桁架上.這種結構既可保證空間站剛度,又不影響各子系統、實驗設備等的工作性能,也便于設備裝配和維修.“國際空間站”被分為俄羅斯軌道段(ROS)和美國軌道段(USOS)兩個主要部分,USOS(包含歐洲和日本的艙段)中各個艙段統一使用桁架上的太陽能電池和散熱器,基本不包含動力系統,而ROS (即最早建成的部分)中每個艙段擁有獨立的發動機和太陽能電池.

“國際空間站”第一個組件“曙光號”功能艙(Zarya)由俄羅斯于1998 年11 月20 日發射,利用航天飛機和無人貨運飛船先后將太空艙、太陽能電池板、支持設備等各種模塊和補給品等運送到空間站,再通過航天員太空活動和操縱機械臂進行組裝,“國際空間站”于2011 年12 月完成最后1 個組件的安裝.建成后的國際空間站結構復雜,規模龐大,其中包括俄羅斯“科學號”(Nauka)(待發射)、美國“命運號”(Destiny)(兼國際空間站的指揮和控制中心)、歐洲航天局“哥倫布”(Columbus)、日本“希望號”(Kibo)等4 個實驗艙;“團結號”(Unity)、“和諧號”(Harmony)、“寧靜號”(Tranquility)等3 個連接艙;美國部分“尋求號”(Quest),俄羅斯部分“碼頭號”(Pirs)、“研究號”(Poisk)等3 個氣閘艙;加拿大2 號(Canadarm 2)、加拿大靈巧號(Dextre)、日本希望號實驗艙機械臂(JEM RMS)、歐洲航天局機械臂(ERA)(待發射)、德國Rokviss (待發射)等機械臂;“星辰號”服務艙(Zvezda)(俄羅斯建造的核心艙,由過渡艙、生活艙和工作艙等3 個密封艙和1 個非密封艙組成,有4 個對接口,可對接載人飛船或貨運飛船)、“曙光號”功能艙(俄羅斯建造的基本艙,可連接空間站的各實驗室和航天員的生活艙)以及對接艙、“萊昂納多號”儲物艙(Leonardo)、希望號后勤儲物艙、黎明號中轉艙(Rassvet)、穹頂艙(Cupola)以及阿爾法磁譜儀(AMS),多個大型桁架、外部儲物平臺、散熱器、太陽能電池板等各國研制的眾多組件.建成后國際空間站寬108.5 米,長88 米,高44 米,重約400 噸,軌道周期為91 分鐘.

圖6 “國際空間站”Fig.6 “International Space Station”

截至2018 年8 月4 日,美國“發現號”、“奮進號”、“亞特蘭蒂斯號”等航天飛機(2011 年7 月以前)、俄羅斯“進步M 號”、歐洲航天局自動轉移飛行器(ATV)、日本HTV“白鸛號”以及美國“獵戶座”、“龍”(Dragon)等貨運無人飛船等共110 次飛行完成大量設備等物資的天地運送,通過36 次美國航天飛機(2011 年7 月以前)和56 次俄羅斯“聯盟TM 號”、“聯盟TMA 號”載人飛船共92 次太空飛行,美國、俄羅斯、日本、加拿大、意大利、法國、德國、英國等18 個國家、235 名航天員(其中34 名女性,7 名游客)、405 人次進入空間站,實施了出艙活動211 次安裝和維修設備以及科研實驗[41?46].在近20 年間,“國際空間站”作為一個微重力和空間環境研究實驗室和開發太空資源的國際合作平臺,航天員在生物學、人類生物學、物理學、天文學、氣象學和其他領域進行各種各樣的實驗.俄羅斯航天員根納季·帕達爾卡(Gennady Padalka)先后5 次進入“國際空間站”,創造879 天的世界太空記錄.“國際空間站”已成為太空開發國際合作的標志.

3 中國載人飛船與空間站的建設

3.1 發展規劃

如前所述,一般載人航天分2 種途徑:以載人飛船為載人飛行器(前蘇聯為代表)或以航天飛機為載人飛行器(美國為代表).我國也選擇以載人飛船來發展載人航天.我國航天事業始于1956 年,1970 月4 月成功發射“東方紅一號”人造衛星,1975 年11 月成功發射并回收了第一顆返回式衛星.隨后,各種類型的衛星相繼研制和發射成功,以及長征二號等捆綁式大推力運載火箭及發動機高空點火控制技術相繼取得巨大進展,為我國載人航天打下了堅實的技術研究基礎,積累了豐富的工程經驗并提供了強有力的保障.

1992 年9 月我國載人航天工程(代號“921 工程”)正式實施,并確定“三步走”發展戰略:第一步,發射載人飛船,建成初步配套的試驗性載人飛船工程,開展空間應用實驗;第二步,突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術,發射空間實驗室,解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題;第三步,建造空間站,解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題.2005 年2 月,中央批準實施載人航天工程第二步第一階段任務,其主要任務目標為:1)實施航天員出艙活動,突破航天員出艙活動技術;2)實施航天器交會對接任務,突破和掌握航天器交會對接技術;3)開展有效的空間應用、空間科學與技術實驗;4)為工程進一步的發展創造基本條件.

2010 年9 月我國空間發展計劃 — 《載人空間站工程實施方案》 正式獲批,中國空間站計劃(China Space Station Plan)正式啟動實施,其中明確我國空間站工程的戰略目標是:在2020 年前后,建成和運營近地空間站,使我國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術,具備長期開展近地空間有人參與科學技術實驗和綜合開發利用太空資源能力的國家.我國載人空間站(簡稱中國空間站)是一個在軌組裝而成的具有中國特色的空間站系統,預計于2022 年左右建成,計劃在軌運營10 年以上,將成為中國空間科學和新技術研究實驗的重要基地,開展科學研究和太空實驗,促進中國空間科學研究進入世界先進行列,為人類文明發展進步做出貢獻.

如圖1 所示,從1999 年起我國載人航天工程通過發射11 艘神舟系列無人和載人飛船、1 艘天舟系列貨運飛船以及2 個天宮系列空間實驗室,先后實現了從無人飛行到載人飛行,從一人一天到多人多天,從艙內實驗到出艙活動,從單個飛行器飛行到兩個航天器交會對接等一系列重大突破,分別完成了我國載人航天工程的第一步“突破和掌握載人的天地往返技術”(1999 年～ 2005 年,即“神舟一號”～“神舟六號”)、第二步“掌握空間交會對接技術及建立空間實驗室”(2008 年～ 2017 年,即“神舟七號”～“天舟一號”).其中,第二步中的空間實驗室任務階段主要由“天宮二號”、“神舟十一號”載人飛船和“天舟一號”貨運飛船等飛行任務組成.

3.2 載人飛船建設歷程

與前蘇聯的“東方號”、“上升號”,美國的“水星號”、“雙子星”號所采用的兩艙設計相比,我國的神舟系列飛船一般采用三艙一段,即由軌道艙、返回艙、推進艙和附加段組成.其中軌道艙是一個圓柱體,長約2.8 米,最大直徑約2.3 米,一端與返回艙相通,另一端可連接空間對接機構,飛船入軌后作為航天員生活和工作的空間,返回艙返回后可繼續留軌利用,這也是我國飛船的特色;返回艙(即座艙)呈鐘形密閉結構,長約2 米,直徑約2.4 米,前端有艙門,也是飛船的指揮控制中心;推進艙(即儀器艙或設備艙)呈圓柱形,長約3 米,直徑約2.5 米,底部直徑約2.8 米,安裝推進系統、電源、軌道制動,并為航天員提供氧氣和水;附加段(即過渡段)主要用于與其他飛船或空間站交會[47].

1)“神舟一號”:實現天地往返重大突破

1999 年11 月20 日我國第一艘無人試驗飛船“神舟一號”發射,飛行約21 小時11 分,繞地14 圈,11 月21 日返回.飛船由軌道艙、返回艙和推進艙組成.作為我國載人航天工程的首次飛行,此次飛行不僅驗證了飛船關鍵技術和系統設計以及包括發射、測控通信、著陸回收等在內的整個工程大系統工作協調性,而且標志著我國在載人航天飛行技術上有了重大突破,成為中國航天史上的重要里程碑.

2)“神舟二號”:第一艘正樣無人飛船

2001 年1 月10 日“神舟二號”飛船發射,飛行約162 小時22 分,繞地108 圈,1 月16 日返回.飛船由軌道艙、返回艙和推進艙組成,是我國第一艘正樣無人飛船,其技術狀態與載人飛船基本一致,完全按照載人飛船的環境和條件進行發射.在軌期間,首次進行了微重力環境下的生命科學、材料、天文和物理等實驗.“神舟二號”標志著我國向實現載人航天飛行邁出了重要一步.

3)“神舟三號”:搭載模擬人

2002 年3 月25 日“神舟三號”飛船發射,飛行約162 小時39 分,繞地108 圈,4 月1 日返回.“神舟三號”是一艘飛船技術狀態與載人狀態完全一致的正樣無人飛船,由軌道艙、返回艙、推進艙和附加段組成,搭載了人體代謝模擬裝置、擬人生理信號設備以及模擬人,具備了航天員逃逸和應急救生功能.飛行期間,完成了空間生命、空間材料科學等實驗和探測任務.“神舟三號”標志著我國載人航天工程取得重要進展,為載人太空飛行打下了堅實的基礎.

4)“神舟四號”:創低溫發射記錄

2002 年12 月30 日“神舟四號”發射,飛行約162 小時36 分,繞地108 圈,2003 年1 月5 日返回.該飛船是第一艘可載人的處于無人狀態的飛船,由推進艙、返回艙、軌道艙和附加段組成,并搭載模擬人.此次飛行完成了對地觀測、材料科學、生命科學實驗和空間天文和空間環境探測等任務,也是在無人狀態下最全面的一次飛行試驗,標志著中國向實現載人飛行又邁出了重要一步,為最終實現載人飛行奠定了堅實基礎.

5)“神舟五號”:我國首位航天員進太空

2003 年10 月15 日我國第一艘載人飛船“神舟五號”發射,飛行約21 小時28 分,繞地14 圈,10 月16 日返回,航天員楊利偉成為第一位進入太空的中國人.飛船由軌道艙、返回艙、推進艙和附加段組成,主要考察航天員在太空環境中的適應性.此次飛行實現了我國首次載人航天飛行,標志著我國成為繼蘇／俄、美之后世界上第三個能夠獨立開展載人航天活動的國家,標志著我國載人航天事業邁出了關鍵的一步,是我國航天發展史上的一座重要的里程碑.

6)“神舟六號”:實現“二人多天”飛行任務

2005 年10 月12 日我國第二艘載人飛船“神舟六號”發射,飛行約115 小時33 分,繞地77 圈,10 月17 日返回艙返回,航天員費俊龍、聶海勝進入太空.飛船是我國第一艘執行“多人多天”任務的載人飛船,由軌道艙、返回艙和推進艙組成,取消了附加段.較以前飛船相比,增加了食物、水等生活物資量,提高了返回艙的環境控制能力和安全性,改進完善了軌道艙的生活功能.航天員進入軌道艙進行空間科學和技術實驗的操作,完成了我國首次真正意義上有人參與的空間科學實驗.此外,航天員返回后軌道艙留軌運行了707 天,繼續開展了大量的科學實驗,為長壽命空間飛行器的研制積累了經驗.此次飛行標志著我國多項載人航天技術達到世界領先水平和我國載人航天工程“三步走”發展戰略第一步的順利完成.

7)“神舟七號”:首次出艙太空行走

2008 年9 月25 日我國第三艘載人飛船“神舟七號”發射,飛行約68 小時30 分鐘,繞地45 圈,9 月28 日返回,航天員翟志剛、劉伯明和景海鵬進入太空.飛船由軌道艙、返回艙和推進艙構成,攻克了氣閘艙和艙外航天服等核心技術難關.此次飛行實現了中國航天員首次空間出艙活動(2008 年9 月25 日),翟志剛成為第一位出艙太空行走的中國人.飛行期間開展衛星伴飛、衛星數據中繼等空間科學和技術試驗.此次飛行標志我國已成為世界上第三個掌握空間出艙活動技術的國家,也是我國航天事業繼“東方紅一號”、“載人首次飛行”、“嫦娥一號”之后的第四個里程碑,開啟了我國載人航天工程“三步走”發展戰略第二步.

8)“神舟八號”:首次無人空間對接

2011 年11 月1 日“神舟八號”無人飛船發射,飛行約397 小時13 分,11 月17 日返回.飛船為改進型飛船,由軌道艙、返回艙、推進艙組成,軌道艙前端安裝自動式對接機構,具備自動和手動交會對接與分離功能.此次飛行完成了2 次“神舟八號”與“天宮一號”間的空間自動交會對接試驗,組成一座小型簡易空間實驗室(即短期無人照料的空間站),并開展了空間科學實驗.因此,此次飛行標志著我國已成功突破和掌握空間交會對接和組合體運行等一系列關鍵技術,實現了空間技術重大跨越,為后續空間站建造、管理和運營積累經驗,也是我國載人航天發展史上的又一個重要里程碑.

9)“神舟九號”:首次載人交會

2012 年6 月16 日“神舟九號”飛船發射,飛行約327 小時23 分,6 月29 日返回,航天員景海鵬、劉旺和劉洋進入太空,其中劉洋成為第一位進入太空的中國女性.飛船由推進艙、返回艙、軌道艙和附加段組成,軌道艙增加了前艙門.此次飛行實施了飛船與“天宮一號”空間實驗室的首次載人(前向)自動空間交會對接(6 月18 日)和首次航天員手動控制交會對接(6 月24 日),并第一次實現了地天間人員和物資的往返運輸與補給,而且航天員在“天宮一號”內完成了實驗操作.此次飛行標志著我國成為世界上第三個完整掌握空間交會對接技術的國家,并具備了以不同對接方式向在軌航天器進行人員輸送和物資補給的能力,為今后的載人航天的發展、空間站的建設奠定了良好的基礎.

10)“神舟十號”:首次應用性飛行

2013 年6 月11 日“神舟十號”飛船發射,飛行15 天,其中12 天與“天宮一號”空間實驗室組成組合體飛行,2013 年6 月26 日返回,航天員聶海勝、張曉光和王亞平進入太空.飛船由推進艙、返回艙、軌道艙和附加段組成,軌道艙增加了前艙門.此次飛行是第三次交會對接飛行和載人天地往返運輸系統的首次應用性飛行,實施了飛船與“天宮一號”載人自動交會對接(6 月13 日)、手動控制交會對接(6 月23 日)和首次航天器繞飛交會(6 月25 日)等試驗.航天員在“天宮一號”內開展了航天器技術、航天醫學和太空授課活動公益項目等多項在軌實驗/試驗活動.此次飛行任務標志著神舟飛船由研制飛行試驗型過渡到實用型的飛躍、“天宮一號”作為交會對接目標飛行器向空間多用途載人航天試驗平臺的轉變,為后續空間站工程建設積累經驗,標志著我國載人航天工程“三步走”發展戰略第二步任務第一階段完成.

11)“神舟十一號”:首次太空中期駐留

2016 年10 月17 日“神舟十一號”載人飛船發射,飛行33 天,11 月18 日返回,航天員景海鵬和陳冬進入太空.飛船為三艙結構,由軌道艙、返回艙和推進艙組成,其前端安裝自動式對接機構,長9 米,最大直徑2.8 米,起飛質量8 噸.在軌期間,飛船與“天宮二號”空間實驗室自動交會對接并形成組合體(10 月19 日),開展了地球觀測和空間地球系統科學、農作物培育、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的試驗,并實施了人類史上首次太空腦機交互實驗.航天員駐留“天宮二號”空間實驗室30 天,創造了中國航天員太空駐留新紀錄.此次飛行是我國飛得更高、實驗更多、持續時間最長(總飛行時間33 天)的一次載人飛行任務,是我國載人航天工程“三步走”發展戰略從第二步到第三步的一個過渡,為中國建造永久載人空間站做準備.

12)“天舟一號”:首艘貨運飛船

2017 年4 月20 日“天舟一號”貨運飛船發射,在軌飛行約154 天22 小時,9 月22 日再入大氣層燒毀.如圖7 所示,“天舟一號”是由貨物艙和推進艙組成的兩艙構型全密封貨運飛船,全長約10.6 米,最大直徑3.35 米,物資運輸能力約6.5 噸,推進劑補加能力約2 噸,具備獨立飛行3 個月的能力,貨物運載量是俄羅斯“進步號M”無人貨運飛船的2.6 倍,在功能、性能上都處于國際先進水平.飛船與在軌運行的“天宮二號”空間實驗室進行3 次自主快速交會對接試驗、3 次推進劑在軌補加試驗、繞飛試驗、在軌釋放立方星“絲路一號”科學試驗衛星,并開展空間應用及技術試驗,驗證了空間站貨物補給、推進劑在軌補加、自主快速交會對接等一系列重要關鍵技術,為中國空間站研制建設和運營管理積累了重要經驗.

此次飛行標志著我國已成為世界上第三個獨立掌握推進劑在軌補加技術的國家,填補了我國空間貨物運輸系統空白,為我國空間站組裝建造和在軌長期載人飛行奠定重要技術基礎.至此,我國載人航天工程第二步已勝利完成,也正式宣告我國航天邁進空間站時代.

3.3 空間實驗室

1)“天宮一號”:首個試驗空間實驗室

2011 年9 月29 日我國第一個目標飛行器“天宮一號”發射,飛行2 376 天,有人駐留20 天,2018 年4 月2 日墜毀.“天宮一號”是我國首個簡易空間實驗室,只有1 個交會對接口,屬于第一代空間站.如圖8所示,“天宮一號”由實驗艙和資源艙構成,全長10.4 米,最大直徑3.35 米,重約8.5 噸.實驗艙由密封艙和裝有對地遙感設備的非密封后錐段組成,其中密封艙是飛行器的控制艙,也是航天員的工作艙和生活艙,實驗艙前端裝有可與載人飛船交會對接的裝置.資源艙為非密封艙,主要為軌道機動提供動力、燃料和電能等,艙外裝有一對太陽電池翼及中繼衛星天線,其尾部裝有2 臺490 N 軌控發動機.

圖7 “天舟一號”貨運飛船示意圖Fig.7 Schematic diagram of the“Tianzhou-1”cargo vehicle

圖8 “天宮一號”空間實驗室示意圖Fig.8 Schematic diagram of the“Tiangong-1”space laboratory

如前所述,在軌期間,“天宮一號”先后和1 艘無人飛船(2011 年11 月1 日“神舟八號”)、2 艘載人飛船(2012 年6 月18 日“神舟九號”、2013 年6 月13 日“神舟十號”)完成了4 次自動和2 次航天員手控交會對接,2 批6 名航天員進入“天宮一號”,航天員短期在軌駐留,并開展了對地遙感應用、空間物理與環境探測和空間材料等實驗,獲取了大量有價值的數據信息和十分豐碩的應用成果.作為我國首個試驗空間實驗室,“天宮一號”完成了航天器組合體控制與管理、航天員在軌駐留保障、航天員在軌維修操作等一系列技術試驗驗證,為我國載人空間站研制建設和運營管理積累了十分寶貴的經驗.

“天宮一號”主要用于試驗未來空間站建設所需的交會和對接關鍵技術.“天宮一號”的發射是我國載人空間站的起點,標志著中國已經擁有建立初步空間站(即短期無人照料空間站)的能力,同時也標志著我國已邁入載人航天工程“三步走”發展戰略的第二步.

2)“天宮二號”:真正的空間實驗室

2016 年9 月15 日“天宮二號”發射進入太空,飛行1 037 天，2019 年7 月19 日以受控方式離軌.“天宮二號”屬于第一代空間站.“天宮二號”在外形、結構、尺寸、質量上與“天宮一號”基本一致,由實驗艙和資源艙組成,只有1 個交會對接口,但采用模塊化艙內設備設計,增加推進劑補加系統,配備在軌維修技術驗證和機械臂維修操作驗證系統.

在軌期間,“天宮二號”于2016 年10 月19 日與“神舟十一號”載人飛船自動交會對接形成組合體(如圖9 所示),航天員景海鵬和陳冬進入空間實驗室完成30 天的中期在軌駐留任務,并進行了較大規模的地球觀測、航天醫學、空間應用新技術、植物培育、釋放伴飛小衛星、首次太空腦機交互等實驗或試驗.如圖10 所示,“天宮二號”于2017 年與“天舟一號”無人貨運飛船先后完成了3 次自主快速交會對接試驗(4 月22 日、6 月19 日、9 月12 日)、3 次推進劑在軌補加試驗(4 月27 日、6 月15 日、9 月16 日),繞飛試驗(6 月19 日)、在軌釋放立方星(8 月1 日)等實驗或試驗.

作為我國第一個真正意義上的可開展各類空間科學實驗和空間應用試驗的空間實驗室,“天宮二號”是一個長期在軌自動運行、短期載人的航天器,并搭載了14 項應用載荷以及一些航天醫學實驗設備,在數量上和安裝復雜程度上都創造了我國歷次載人航天器任務之最,也是“飛得更高、實驗更多、時間更長”的飛行器.“天宮二號”完成了航天員中期駐留,考核和驗證了面向長期飛行的乘員生活、健康和工作保障等相關技術、推進劑在軌補加技術等,為未來空間站建成并運行奠定了重要基礎.因此,“天宮二號”是中國空間站建設的最后一次全面技術驗證,標志著我國全面進入空間實驗室任務實施階段.

3.4 未來中國空間站

空間站建設是我國載人航天工程三步走戰略的第三步.如圖11 所示,中國載人空間站(名稱“天宮”,代號“TG”)是一個在軌組裝成的具有中國特色的空間實驗室系統,初期的空間站將建造三個艙段,采用對稱T 形構型,包括一個核心艙和兩個實驗艙,核心艙居中,實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接于兩側,每個規模20 多噸.核心艙設有多個交會對接口,其中前端兩個對接口主要接納載人飛船(名稱“神舟”)停靠往返運送人員,而后端的后向對接口主要用于貨運飛船(名稱“天舟”)停靠完成物資補給和廢棄物下行.同時,空間站上設氣閘艙用于航天員出艙,并配置機械臂用于輔助對接、補給、出艙和科學實驗.空間站軌道高度為400 至450 公里,設計壽命為10 年,總重量可達90 噸.長期駐留3 人,乘組輪換時最多可達6 人.空間站運營期間,最多的時候,將可對接1 艘貨運飛船、2 艘載人飛船,這些飛船又可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項任務[48].

圖9 “天宮二號”空間實驗室與“神舟十一號”載人飛船交會對接模擬圖Fig.9 Schematic diagram of the rendezvous and docking between the“Tiangong-2”space laboratory and the“Shenzhou-11”manned spaceship

圖10 “天舟一號”無人貨運飛船與“天宮二號”空間實驗室交會對接示意圖Fig.10 Schematic diagram of the rendezvous and docking between the“Tianzhou-1”unmanned cargo vehicle and the“Tiangong-2”space laboratory

圖11 中國空間站示意圖Fig.11 Schematic diagram of China's space station

在運營階段,將可以根據科學研究的需要增加新的艙段,擴展規模和應用能力.中國空間站初期的5 個模塊具體如下.

1)核心艙

全長約18.1 米,最大直徑約4.2 米,發射質量20 至22 噸.核心艙模塊分為節點艙、生活控制艙和資源艙,核心艙有5 個對接口,可以對接1 艘貨運飛船、2 艘載人飛船和2 個實驗艙,另有一個供航天員出艙活動的出艙口.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停靠并開展少量的空間應用實驗,是空間站的管理和控制中心.

2)實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ

全長均約14.4 米,最大直徑均約4.2 米,發射質量均約20 至22 噸.實驗艙II 以應用實驗任務為主,實驗艙I 兼有組合體控制任務、應用實驗任務二個功能.實驗艙I、II 先后發射,具備獨立飛行功能,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.

3)貨運飛船(名稱“天舟”,代號“TZ”)

貨運飛船采用模塊化設計,具有全密封貨艙、半密封/半開放貨艙、全開放貨艙三種構型,可以把不同的載荷包括小型艙段運輸上去,由航天員和機械臂將其裝配到空間站上,最大直徑約3.35 米,發射質量不大于13 噸.“天舟”是唯一擁有大載荷的運輸能力又能進行太空補加的貨運飛船,載重量在6 噸左右,與歐洲ATV 系列貨運飛船和日本HTV系列貨運飛船的載重量基本相當,遠遠大于前蘇聯“聯盟號”飛船載重量(僅300 公斤左右)及其改裝型“進步號”貨運飛船載(約2.5 噸).

作為空間站的地面后勤保障系統,貨運飛船的作用是為未來空間站補給燃料、食物等物品,提供能源動力及后勤保障.貨運飛船主要任務:1)補給空間站的推進劑消耗,空氣泄漏,運送空間站維修和更換設備,延長空間站的在軌飛行壽命;2)運送航天員工作和生活用品,保障空間站航天員在軌中長期駐留和工作;3)運送空間科學實驗設備和用品,支持和保障空間站具備開展較大規模空間科學實驗與應用的條件.

4)未來艙段

中國空間站具備擴展能力.在運營階段,將可以根據科學研究的需要增加新的艙段,擴展規模和應用能力.

4 思考與展望

我國在載人空間站建設方面起步較晚,空間站的研發和建設遵循規模適度原則,有利于控制工程的成本,重點突出載人航天的特色,突出發揮人在太空中的作用,以“由小艙到大艙,由單艙到三艙”為技術路線,穩步前進并已經取得了輝煌的成就.

盡管在通信、網絡、數據管理和應用等方面,我國空間站研發采用了不少較國外空間站更為先進的技術,突破了推進劑補加、物化式再生生命保障、電源和空間機械臂等關鍵技術,為給航天員的生活、工作、實驗提供很好的條件,保證滿足空間科學研究的需要.但我國空間站建設仍面臨許多控制技術、能源技術、再生技術等方面的挑戰,例如:

1)大推力運載火箭是發展航天技術的基礎,我國空間站建設迫切需要研制大推力運載火箭為人員和物資輸送提供有力保障.

2)需要建立物質閉合度更高的再生式生命保障系統,提高固廢和水的循環利用率,實現部分食物的自給自足,為長期太空駐留、載人深空探測以及未來地外星球基地開發等生命保障提供新途徑.

3)需要采用新的電推進技術作為空間站軌道維持的動力裝置,降低空間站運行期間的推進劑補給需求.

4)需要大力發展基于混合增強智能的生命保障技術,提高空間站生命保障系統智能化和自動化水平,從而提高空間站運行和航天員工作的效率.

我國空間站、載人登月及其前沿科學探索、太空技術研究、太空資源的開發和利用以及太空技術合作、國際交流與合作勢必將創造可觀的經濟社會效益,進一步促進和帶動我國經濟發展,并給人民群眾的生活帶來巨大的變化,也將造福人類.

“地球是人類的搖籃,但人類不可能永遠被束縛在搖籃里”.可以預見,我國空間站和載人航天必將為深空探測以及把人類的活動疆域從近地空間拓展到整個太陽系范圍做出重要的貢獻.

附錄

圖2 引自http://w.todayshistory.org/19-april-1971-2/10892/

圖3 引自http://w.spacefacts.de/english/salyut.htm

圖4 引自https://en.wikipedia.org/wiki/Mir

圖5 引自https://w.nasa.gov/mission_pages/skylab

圖6 引自https://w.nasa.gov

圖7 引自http://w.cast.cn

圖8 引自http://w.cmse.gov.cn

圖9 引自http://w.cmse.gov.cn

圖10 引自http://w.cmse.gov.cn圖11 引自http://w.cmse.gov.cn