中國載人航天30年逐夢蒼穹

龐之浩

9月21日，是中國載人航天工程立項、實施整整30周年。30年來，我國先后研制、發射了載人飛船、貨運飛船、空間實驗室，突破和掌握了空間出艙活動、空間交會對接、在軌加注燃料、航天員中長期在軌駐留等許多關鍵技術，并將于今年年底前建成首座先進的大型空間站，完成中國載人航天工程立項時制定的“三步走”發展戰略的最后一步，把中國載人航天工程推向高潮。

航天飛機與載人飛船的抉擇

其實，我國在1964年至1966年就發射了多枚生物火箭，先后把小白鼠、大白鼠和小狗等動物送上了天，而且所有試驗生物都安全地回收了。這些生物火箭試驗開創了我國宇宙生物試驗的先河，為航天醫學的發展積累了寶貴的經驗。

改革開放以后，我國的經濟和技術水平有了較大提高，為此，我國從1986 年起開始實施“863”計劃，即發展高技術，其中包括發展載人航天技術，中國載人航天終于再次迎來了難得的發展機遇。

1966年，我國制定第一個“載人宇宙航行規劃”，設想在1973年至1975年發射我國第一艘載人宇宙飛船，并開始了我國載人飛船的總體方案論證工作。在1968年1月召開的載人飛船總體方案設想論證會上，我國第一艘載人飛船被命名為“曙光”1號。同年4月1日，我國正式組建了代號為“507”的航天醫學工程研究所，承擔有關航天員生命保障、醫監醫保以及航天員選拔訓練的任務。

1970年7月14日，黨中央批準實施“曙光”1號載人飛船工程，也叫“714”工程。1971年，我國從1000名空軍飛行員里最終選拔出了20名預備航天員，并全面開展了載人飛船方案論證工作。

但由于我國當時經濟和技術等基礎非常薄弱，“曙光”1號飛船工程自1971年10月以后就幾乎處于停滯狀態。1975年3月，國家正式宣布我國首個載人航天工程下馬，把航天的重點放在了研制應用衛星上。

我國早期載人航天研究。圖片|北京日報

改革開放以后，我國的經濟和技術水平有了較大提高，為此，我國從1986年起開始實施“863”計劃，即發展高技術，其中包括發展載人航天技術，中國載人航天終于再次迎來了難得的發展機遇。

在載人航天器中，空間站具有體積大、壽命長、功能強的特點，適合長期載人航天開展太空科研工作，但不能天地往返，所以在研制、發射空間站之前要先研制可以天地往返但體積小、壽命短的宇宙飛船或航天飛機，主要用于接送航天員和貨物。

當時我國專家就研制哪種天地往返運輸器有很大爭議，在呼聲較高的5種方案中有4種是研制航天飛機的方案，只有一種是研制載人飛船方案。經過幾年的深入論證，根據我國的國情和國力，遵照“有限目標、突出重點”的“863”高技術研究發展的指導思想，專家們最后一致同意從載人飛船起步，并且決定不走美蘇研制載人飛船的老路，直接研制達到世界第三代載人飛船水平的“神舟”。

2003年10月16日，“神舟”5號載人飛船在內蒙古主著陸場成功著陸后，中國首位進入太空的航天員楊利偉自主出艙。圖片|北京日報

1992年9月21日，黨中央正式批準中國載人航天工程立項啟動，因此它又被稱為“921”工程。實踐證明，我國以研制載人飛船起步的這一決策非常正確。美國花了2000億美元，研制了6架航天飛機，發射了5架，進行了135架次飛行，但損失了2架，犧牲了14名航天員，最后不得不在2011年提前退役，然后重新研制新型載人飛船。蘇聯、歐洲、日本也都研制過航天飛機，但在走了一大段彎路后均沒有投入實用。

載人航天循序漸進“三步走”

我國載人航天工程采用循序漸進、科學合理的“三步走”發展戰略。

第一步是突破和掌握載人天地往返運輸技術，即用載人飛船將航天員安全地送入軌道，并安全返回地面。這一步我國通過2003年發射“神舟”5號飛船進行的單人單天飛行，2005年發射“神舟”6號飛船進行的兩人5天飛行完成了。

第二步是突破航天員空間出艙活動、空間交會對接兩項關鍵技術，并發射空間實驗室和貨運飛船，這些也都是建造空間站的基礎。它分以下兩個階段完成：

在第一階段，先于2008年發射了“神舟”7號載人飛船，航天員翟志剛完成中國人的首次空間出艙活動，使我國突破和掌握了空間出艙活動技術。

然后在2011年先發射“天宮”1號目標飛行器，接著在2011年至2013年陸續發射“神舟”8號、9號、10號飛船與之分別對接，使我國突破和掌握了自動和手動交會對接技術，還驗證了組合體飛行技術，飛船也定型了。

此后，進入第二步第二階段。我國先于2016年發射了“天宮”2號空間實驗室，然后在2016年至2017年先后發射“神舟”11號載人飛船和“天舟”1號貨運飛船與之分別對接，從而驗證了航天員中期在軌駐留技術、在軌加注技術、貨運飛船技術和未來空間站的部分新技術，并進行了較大規模的科學實驗和技術試驗。

第三步是計劃在2022年年底之前建成長期載人的大型空間站“天宮”，開展大規模、長期有人照料的空間應用。我國沒有走美蘇建造空間站的老路，而是利用后發優勢，直接研制達到世界第三代空間站水平以上的“天宮”空間站。它采用積木式構型，由3個20噸級艙段組成“T”字形，將在軌運行10年以上，用于獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰略意義的應用成果。

“天宮”空間站建造和運行分為三個階段：2021年為關鍵技術驗證階段，先后發射了“天和”核心艙和“天舟”貨運飛船、“神舟”載人飛船各兩艘;2022年為在軌建造階段，已經發射了“問天”實驗艙，還將發射“夢天”實驗艙，兩個實驗艙將與“天和”核心艙形成“T”字基本構型，建成國家太空實驗室;此后為“天宮”空間站運行階段。所以，我國現在已進入空間站在軌建造階段，目前任務已經完成過半。

除了研制、發射載人航天器之外，我國載人航天工程還包括航天員系統、應用系統、運載火箭系統、發射場系統、測控通信系統和著陸場系統等。

“神舟”飛船開啟太空航班

研制載人飛船是發展載人航天的第一步，也是關鍵的一步，最終用于空間站系統的載人天地往返運輸。到2022年9月，我國已發射了14艘“神舟”飛船，其中9艘是載人飛船，5艘是無人試驗飛船，成功率是100%，把14名航天員、23人次送入太空。

“神舟”飛船由軌道艙、返回艙和推進艙組成，前兩個是密封壓力艙，可謂“一室一廳”，乘員人數3人，可自主飛行7天，停靠飛行180天。軌道艙位于飛船前部，用于航天員入軌后的工作、吃飯、睡覺和交會對接等;返回艙位于飛船中部，是航天員天地往返時的座艙，也是飛船的控制中心，并具有著陸后支持航天員陸上生存48小時、海上生存24小時的能力;推進艙位于飛船后部，為非密封結構，為飛船提供動力、電源、燃料等。

為適應不同階段的任務變化，“神舟”飛船先后有三種技術狀態。一是初期試驗技術狀態，“神舟”5號、6號載人飛船采用這種技術狀態，特點是軌道艙上也裝有一對太陽電池翼，返回艙返回地面后，軌道艙可留軌利用半年。二是出艙活動試驗技術狀態，“神舟”7號載人飛船采用這種技術狀態，特點是軌道艙取消了太陽電池翼，不留軌利用，并且具有氣閘艙的功能，增加了扶手，用于航天員空間出艙活動。三是天地往返運輸器技術狀態，特點是軌道艙不僅不留軌利用，前端還增裝了交會對接裝置，“神舟”8號以后的載人飛船都采用這種技術狀態，用于為“天宮”提供載人天地往返運輸服務。

追夢星辰大海。圖片|中國載人航天工程官網

2020年5月，我國還成功發射了新一代載人飛船試驗船。它與“神舟”相比，具有載人多、用途廣和可重復使用等一系列優點，可用于未來的載人登月等任務。

微型空間站先行先試

研制和發射“天宮”1號和2號是我國的一個創新。因為當時還沒研制出“長征”5號大型運載火箭，但為了突破載人航天的一些關鍵技術，我國沒有等待，而是用現有的“長征”2號F運載火箭發射“天宮”1號和2號來實施，它們都具有空間站壽命長和功能強等一些元素，但體積和重量比較小，所以可視為微型空間站。

2011年9月29日，我國成功發射了“天宮” 1號目標飛行器，2016年9月15日發射“天宮”2號空間實驗室。

“天宮”1號目標飛行器完成了四大任務：一是作為交會對接的目標，先后與3艘“神舟”飛船進行了空間交會對接任務，比國外每次進行空間交會對接試驗要發射2艘飛船、進行3次空間交會對接試驗要發射6艘飛船節省不少資金;二是實現了與“神舟”飛船對接后的組合體控制和管理;三是實現了航天員的在軌駐留、生活和工作，為航天員提供在組合體內工作、生活所需的基本條件，開展了相關的科學實驗;四是進行了空間技術試驗。這些都為后來的空間站建造進行了先期的技術驗證，做到了“少花錢，多辦事”。

“天宮”2號與“天宮”1號在外形、結構、尺寸、質量上基本沒有變化，但“內心”不同，為了滿足航天員中期駐留30天的需要，在“天宮”1號的基礎上，對“天宮”2號開展了宜居環境設計，改善了就餐和睡眠環境，增加了鍛煉設備和娛樂設施。

“天宮”2號主要完成了三大任務：一是驗證了航天員在軌中期駐留技術，并進行了在軌維修技術試驗;二是與新研制的“天舟”貨運飛船對接，驗證了推進劑在軌補加技術;三是開展了大規?？臻g科學和應用實驗。

“天宮”空間站建造和運行分為三個階段：2021年為關鍵技術驗證階段，先后發射了“天和”核心艙和“天舟”貨運飛船、“神舟”載人飛船各兩艘;2022年為在軌建造階段，已經發射了“問天”實驗艙，還將發射“夢天”實驗艙，兩個實驗艙將與“天和”核心艙形成“T”字基本構型，建成國家太空實驗室。

“天舟”太空送貨忙

由于我國正在建造的大型空間站“天宮”要長期載3人在軌生活和工作，而“神舟”載人飛船每次滿載3人上天時只能攜帶300千克貨物，為此，我國又研制和發射了每次能為空間站運送近7噸貨物的“天舟”貨運飛船，從而滿足空間站長期載人航天的需求。

2017年4月20日，我國首艘貨運飛船“天舟” 1號升空，與“天宮”2號進行了對接，并開展了在軌加注等多項試驗。2021年5月29日，“天舟”2號升空，與空間站核心艙對接，為后續發射的“神舟” 12號乘組送去大量所需物資;2021年9月20日，“天舟”3號升空，與空間站核心艙對接，為后續發射的“神舟”13號乘組送去大量所需物資;2022年5月10日，“天舟”4號升空，與空間站核心艙對接，為后續發射的“神舟”14號乘組送去大量所需物資。

“天舟”貨運飛船由貨物艙和推進艙組成，其中的貨物艙用于存放貨物、設備，推進艙為貨運飛船提供電力能源、推進控制動力并裝載推進劑。該飛船整船最大裝載狀態下重量達13.5噸，上行貨物運輸能力為6.9噸，所以其載貨比（所載貨物重量與飛船總重量之比）高達51%，居世界第一;每次貨物的運載量在全球現役貨運飛船中也是最大的。每艘“天舟”貨運飛船可?？靠臻g站一年。

問天實驗艙與長征五號B火箭組合體垂直轉運。圖片|中國載人航天工程官網

搭建全球首個航天器“母港”

我國空間站工程于2010年9月25日立項，計劃在2022年建成和運營（近地載人空間站），從而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。

我國空間站基本構型包括“天和”核心艙、“問天”和“夢天”兩個實驗艙，它們采用水平對稱“T”形構型作為空間站三艙組合體基本拓撲結構，所有艙段均位于組合體當地水平面內，其中“天和”核心艙居中，“問天”和“夢天”實驗艙對接于兩側。

2021年我國首先發射了“天和”核心艙。它是空間站組合體控制和管理主份艙段，具備交會對接、轉位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學實驗能力，可支持3名航天員長期在軌駐留，可裝下4個科學實驗柜。其發射質量為22.5噸，可供航天員工作和生活的空間達50立方米。

2022年已經發射的“問天”實驗艙和即將發射的“夢天”實驗艙，用于支持大規模開展艙內外空間科學實驗和技術試驗。其中“問天”實驗艙還同時作為組合體控制和管理的備份艙段，具備乘員出艙活動的主份氣閘艙和3個臥室及1個衛生間，可裝8個科學實驗柜，配有一個承載3噸的5米長小型機械臂;“夢天”實驗艙具備載荷自動進出艙能力，可裝13個科學實驗柜。它們與“天和”核心艙對接后，航天員在空間站的活動空間可達110立方米。

2016年10月19日，“天宮”2號空間實驗室與“神舟” 11號載人飛船空間對接示意圖。圖片|北京日報

我國的“天宮”空間站能長期載3人，半年一輪換。在航天員輪換的6至10天內，空間站最多能容納6個人。每個航天員乘組包括1名航天駕駛員擔任指令長，其余人員的構成則根據任務需要，由航天駕駛員、航天飛行工程師以及載荷專家組成。

利用后發優勢，我國空間站采用了不少新技術。例如，“天和”核心艙配置有一部承載力達25噸的10米長“七自由度大型空間機械臂”，它可在艙體的表面爬行移動，無論是艙段轉位、大設備的移動，還是航天員自身移動，都可用該機械臂完成。

為了降低載人航天的成本，我國空間站采用了再生式生命保障系統。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也會回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。電解制氧時產生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，可通過化學反應生成氧氣。這些都降低了空間站生命保障的補給成本。

我國空間站首次采用了大面積可展收柔性太陽電池翼。它收攏后厚度僅為剛性太陽翼的1/15，上天展開后面積巨大，光電轉換效率高30%以上，可以為空間站應用提供27千瓦的電力，不會出現當年俄羅斯“和平”號空間站電力不足的問題。

在發射了3個艙后，我國還將在2024年發射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”光學艙。它將搭載2米口徑的巡天望遠鏡，分辨率與美國“哈勃空間望遠鏡”相當，但視場角是后者的300多倍，可在大范圍巡天科學研究方面顯身手。

我國空間站系統的一大創新是，“天宮”空間站將成為世界第一個航天器“母港”。例如，“巡天”光學艙在需要時可與“天宮”空間站主體對接，由航天員對其開展推進劑補加、設備維護和載荷設備升級等活動。

我國空間站也可以根據需要進一步擴展，由“T”字構型擴展成“干”字構型，活動空間增加一倍，未來的應用前景將十分廣闊。

◎ 來源|北京日報