2021年4月29日，長(zhǎng)五B火箭成功發(fā)射天和核心艙，中國(guó)空間站在軌組裝建造全面展開。2022年7月24日，長(zhǎng)五B火箭成功發(fā)射中國(guó)空間站第二個(gè)艙段——問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙。2022年10月31日，長(zhǎng)五B火箭成功發(fā)射夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙，即將完成中國(guó)空間站“T”字基本構(gòu)型在軌建造任務(wù)。
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今年是我國(guó)載人航天工程(603698)立項(xiàng)實(shí)施30周年，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的成功發(fā)射也標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略即將完成。
據(jù)中國(guó)載人航天工程辦公室消息，后續(xù)我國(guó)空間站將轉(zhuǎn)入為期十年以上的應(yīng)用與發(fā)展階段。初步計(jì)劃每年發(fā)射兩艘載人飛船和兩艘貨運(yùn)飛船。同時(shí)，將研制新一代載人運(yùn)載火箭和載人飛船，并考慮研發(fā)空間站擴(kuò)展艙段，進(jìn)一步提升工程綜合能力和技術(shù)水平。
中國(guó)空間站任務(wù)規(guī)劃穩(wěn)步推進(jìn)
載人航天事業(yè)，對(duì)我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、科技等都有重要意義。1992年9月21日，中國(guó)載人航天工程正式立項(xiàng)，代號(hào)為“921工程”。
根據(jù)規(guī)劃，工程將按“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施：第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；第二步，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題；第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。
“921”工程正式啟動(dòng)后，我國(guó)確定了“第一艘試驗(yàn)無(wú)人飛船要爭(zhēng)取1998年、確保1999年首飛”的目標(biāo)，即神舟一號(hào)飛船要“爭(zhēng)八保九”。這也是當(dāng)時(shí)整個(gè)神舟工程團(tuán)隊(duì)必須完成的軍令狀。
神舟團(tuán)隊(duì)面臨著巨大的壓力。飛船與返回式衛(wèi)星有相通之處，但由于多了“人”，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)要求極高，復(fù)雜程度極大，許多技術(shù)問(wèn)題必須先在地面做充分驗(yàn)證，完成初樣、正樣兩個(gè)階段。
當(dāng)時(shí)，以長(zhǎng)征二號(hào)E（長(zhǎng)二捆）為基礎(chǔ)的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭打造完成，準(zhǔn)備在1999年進(jìn)行首次發(fā)射試驗(yàn)。為了抓住這次機(jī)會(huì)，神舟團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了將僅用于地面電性能測(cè)試的試驗(yàn)飛船（初樣電性船）改造為試驗(yàn)船的方案，制定了飛船最小配置進(jìn)行首飛的簡(jiǎn)化方案，去掉5個(gè)分系統(tǒng)，僅保留8個(gè)確保飛船返回中國(guó)境內(nèi)的分系統(tǒng)。
方案報(bào)批后，1999年，神舟一號(hào)成功升空，這也為“921”工程后續(xù)開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)載人航天事業(yè)有了飛躍式的發(fā)展。
2003年發(fā)射的神舟五號(hào)是我國(guó)首艘載人飛船，中國(guó)首位航天員楊利偉搭乘神舟五號(hào)飛船，從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心飛向太空。在這次任務(wù)前，神舟二號(hào)、神舟三號(hào)、神舟四號(hào)飛船先后發(fā)射成功，積累了必要經(jīng)驗(yàn)。
2005年，神舟六號(hào)實(shí)現(xiàn)多人多天太空飛行。與神舟五號(hào)相比，神舟六號(hào)乘組中，航天員人數(shù)增加到2人，飛行天數(shù)增加到5天。2008年9月27日，航天員翟志剛穿著中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“飛天”艙外航天服，走出軌道艙艙門，邁開了中國(guó)人漫步太空的第一步。
天宮一號(hào)是我國(guó)全新研制的載人飛行器，也是我國(guó)首個(gè)目標(biāo)飛行器。天宮一號(hào)由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)艙有效使用空間約15立方米，可滿足3名航天員在艙內(nèi)工作和生活需要，前端安裝被動(dòng)式對(duì)按機(jī)構(gòu)，可與飛船實(shí)現(xiàn)對(duì)接，資源艙為空間飛行提供動(dòng)力和能源。
2011年，神舟八號(hào)與天宮一號(hào)完成首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)，標(biāo)志著我國(guó)空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)取得重大突破。2012年，神舟九號(hào)載人飛船發(fā)射成功，天宮一號(hào)與神舟九號(hào)載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)全面實(shí)現(xiàn)了“準(zhǔn)確進(jìn)人軌道、精準(zhǔn)操控對(duì)接、穩(wěn)定組合運(yùn)行、安全健康返回”的預(yù)定目標(biāo)。
為了實(shí)現(xiàn)航天員更長(zhǎng)時(shí)間的駐留，維持空間站的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，除了載人的神舟飛船，還需要負(fù)責(zé)載貨的“太空貨車”——“天舟”飛船。
2017年，“天舟一號(hào)”與“天宮二號(hào)”自動(dòng)對(duì)接成功，開始多次向后者補(bǔ)加推進(jìn)劑，實(shí)現(xiàn)了“太空快遞”的使命。“天舟一號(hào)”飛行任務(wù)取得圓滿成功，標(biāo)志著中國(guó)載人航天邁進(jìn)“空間站時(shí)代”。
整個(gè)空間站任務(wù)規(guī)劃包括關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、建造和運(yùn)營(yíng)三個(gè)階段。隨著載人航天工程穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)目前掌握了載人天地往返、空間出艙、空間交會(huì)對(duì)接、航天員中期駐留和空間貨物運(yùn)輸與補(bǔ)給等關(guān)鍵技術(shù)。
中國(guó)空間站艙段的“專屬座駕”
我國(guó)載人航天工程有CZ-2F、CZ-5B、CZ-7三種運(yùn)載火箭系統(tǒng)。作為參與載人航天工程的長(zhǎng)征火箭“三勇士”之一，CZ-5B（長(zhǎng)五B火箭）是目前世界在役火箭中唯一一級(jí)半直接入軌的火箭。
作為專門為載人航天工程空間站建設(shè)而研制的新型運(yùn)載火箭，長(zhǎng)五B火箭已相繼完成了天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的發(fā)射任務(wù)，算得上是我國(guó)空間站艙段的“專屬座駕”。
長(zhǎng)五B火箭為一級(jí)半構(gòu)型，捆綁4個(gè)直徑3.35米液體助推器，芯一級(jí)直徑5米。火箭總長(zhǎng)約54米，起飛重量約850噸，起飛推力約1078噸，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到25噸級(jí)。
據(jù)火箭院長(zhǎng)五火箭副總設(shè)計(jì)師黃兵介紹，為滿足空間站大艙段發(fā)射任務(wù)要求，長(zhǎng)五B火箭突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中包括20.5米國(guó)內(nèi)最大整流罩分離技術(shù)、4.1 米大直徑艙箭連接分離技術(shù)、大推力直接入軌偏差精確控制技術(shù)等，并將發(fā)射窗口由“零窗口”拓展為±2.5分鐘的“窄窗口”。
整流罩是運(yùn)載火箭的重要組成部分，用于保護(hù)衛(wèi)星或其他有效載荷免受氣動(dòng)力、氣動(dòng)加熱及聲振等有害環(huán)境的影響。長(zhǎng)五B火箭擁有目前我國(guó)最長(zhǎng)最大的整流罩，長(zhǎng)度達(dá)到20.5米、直徑5.2米，容積超過(guò)345立方米。
整流罩的規(guī)模增大后，為了保證運(yùn)載效率，結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)隨之減少，而剛度是影響分離能源設(shè)計(jì)、分離包絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。如何準(zhǔn)確模擬飛行及分離過(guò)程中整流罩的剛度特性、確保安全可靠分離，是研制過(guò)程中面臨的技術(shù)難題。
對(duì)此，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的仿真分析、預(yù)示，對(duì)整流罩分離方案進(jìn)行評(píng)估，并多次開展了整流罩分離試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了設(shè)計(jì)正確性和各系統(tǒng)接口協(xié)調(diào)性。
火箭院長(zhǎng)五B火箭總體副主任設(shè)計(jì)師王乾介紹，針對(duì)此次任務(wù)，在整流罩生產(chǎn)初期，研制團(tuán)隊(duì)采用了三維視覺(jué)掃描等技術(shù)，對(duì)整流罩以及實(shí)驗(yàn)艙的尺寸進(jìn)行了精準(zhǔn)仿真，反復(fù)詳細(xì)校核，確認(rèn)了關(guān)鍵位置的安全間隙，確保在飛行、分離的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)艙享有足夠的空間，不會(huì)在飛行過(guò)程中貼近整流罩。
據(jù)了解，長(zhǎng)五B還將承擔(dān)中國(guó)第一個(gè)大型空間巡天望遠(yuǎn)鏡發(fā)射任務(wù)，屆時(shí)與空間站共軌飛行，開展更多的宇宙空間探測(cè)和前沿科學(xué)研究，未來(lái)還將與遠(yuǎn)征系列上面級(jí)形成組合，形成多星組網(wǎng)發(fā)射的能力，充分發(fā)揮運(yùn)載能力大、單位有效載荷經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢(shì)，滿足國(guó)家不同發(fā)射任務(wù)的需求。
集結(jié)新技術(shù)，空間站建造運(yùn)營(yíng)更加經(jīng)濟(jì)合理
我國(guó)空間站建設(shè)雖然起步晚，但通過(guò)借鑒經(jīng)驗(yàn)，大量采用當(dāng)代最新技術(shù)，從而擁有了自己的特點(diǎn)。
北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新告訴記者，俄羅斯的和平號(hào)空間站有6個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，但因結(jié)構(gòu)緊湊，屬立體分布，導(dǎo)致太陽(yáng)電池翼受遮擋，同時(shí)維修不便。此外，國(guó)際空間站采用桁架式結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)龐大，建設(shè)周期長(zhǎng)，各艙段互不相干，造成資源浪費(fèi)。
基于這兩種情況，我國(guó)空間站在建造上進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)。一是各艙段的布局在同一平面內(nèi)，減少艙段間艙體的互相遮擋；二是借鑒了國(guó)際空間站橫向?qū)⑻?yáng)電池翼布局于整體構(gòu)型的兩側(cè)，以減少遮擋的設(shè)計(jì)。同時(shí)配置雙自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使太陽(yáng)電池翼能夠隨時(shí)與太陽(yáng)光光線垂直，讓發(fā)電效率保持在最高狀態(tài)。
相比其他空間站，我國(guó)空間站建造采用新技術(shù)的比重大是顯著特征之一。例如再生生保技術(shù)、大面積柔性太陽(yáng)翼技術(shù)、 空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)等。“我們空間站中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)也高。科學(xué)事業(yè)項(xiàng)目是經(jīng)過(guò)全國(guó)各行各業(yè)的科學(xué)家充分論證，并借鑒了國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)才確定的，瞄準(zhǔn)了當(dāng)代科技的前沿。”焦維新說(shuō)。
從總體重來(lái)看，我國(guó)空間站比其他空間站都要輕。但實(shí)際上，我國(guó)空間站的實(shí)驗(yàn)艙要比其他空間站的實(shí)驗(yàn)艙大。整體結(jié)構(gòu)做到了統(tǒng)籌兼顧，讓我國(guó)空間站在建造和運(yùn)營(yíng)上更為經(jīng)濟(jì)合理。
焦維新介紹，“中國(guó)空間站目前配備實(shí)驗(yàn)柜25個(gè)，國(guó)際空間站安裝的實(shí)驗(yàn)柜有31個(gè)，但是我們的空間站以大約國(guó)際空間站1/6的重量，提供了約4/5的實(shí)驗(yàn)柜數(shù)量，這體現(xiàn)了很高的應(yīng)用支持效率。”
天宮空間站還有很強(qiáng)的艙外應(yīng)用載荷支持能力，可支持67個(gè)暴露應(yīng)用載荷。天宮空間站也可作為未來(lái)載人深空探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的先期驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)現(xiàn)有應(yīng)用載荷支持設(shè)施或者擴(kuò)展建設(shè)專用的支持設(shè)施，開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗(yàn)證，有效降低深空探測(cè)任務(wù)實(shí)施的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。
我國(guó)空間站的核心艙配備了生命保障系統(tǒng)，但為了確保航天員在軌工作和生活的絕對(duì)安全，在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙中也配備了幾乎同樣規(guī)模的生命保障系統(tǒng)。作為天宮空間站的應(yīng)急避難場(chǎng)所，一旦天和核心艙出現(xiàn)艙體失壓、被空間碎片撞擊等問(wèn)題，航天員可進(jìn)入問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行緊急避難。航天員在關(guān)閉雙向承壓艙門后，節(jié)點(diǎn)艙和問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙將連為一體，為航天員進(jìn)入神舟飛船保留了生命通道。
此外，我國(guó)空間站重大科學(xué)研究設(shè)施部署了兩米口徑的巡天空間望遠(yuǎn)鏡，與空間站同軌飛行。該望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)2024年發(fā)射，是我國(guó)空間天文的旗艦項(xiàng)目。發(fā)射后的望遠(yuǎn)鏡將圍繞銀河系和恒星、天體測(cè)量、系外行星、太陽(yáng)系天體和暫現(xiàn)源等內(nèi)容開展觀測(cè)研究。
“在空間站建造之后的應(yīng)用與發(fā)展階段，我們國(guó)家還規(guī)劃了第二個(gè)旗艦型項(xiàng)目，即高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施‘HERD’。該項(xiàng)目測(cè)量宇宙線中的電子和核子的能量范圍以及探測(cè)靈敏度，其比現(xiàn)有的設(shè)備高出一個(gè)量級(jí)或數(shù)10倍。”焦維新告訴記者。
天宮空間站建造完成后將在軌運(yùn)行10年以上，需具備良好的艙段擴(kuò)展和應(yīng)用支持?jǐn)U展能力。根據(jù)空間科學(xué)技術(shù)研究、空間應(yīng)用和國(guó)際合作的需要，我國(guó)空間站可進(jìn)行靈活擴(kuò)展。
焦維新表示，天宮空間站在方案設(shè)計(jì)階段，即對(duì)未來(lái)的擴(kuò)展方案進(jìn)行了統(tǒng)籌考慮，在現(xiàn)有三艙構(gòu)型基礎(chǔ)上，預(yù)留了機(jī)、電、熱等擴(kuò)展接口，具備擴(kuò)展對(duì)接三個(gè)新艙段形成的約180噸6艙組合體的擴(kuò)展能力。
今年年底實(shí)現(xiàn)空間站建造階段所有既定任務(wù)
目前，我國(guó)空間站在軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證已取得重大進(jìn)展。機(jī)械臂在軌爬行測(cè)試與巡檢、太陽(yáng)翼在軌辨識(shí)、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加等任務(wù)成功實(shí)施，多次飛行任務(wù)也全面驗(yàn)證了核心艙作為空間站管理和控制中心的各項(xiàng)功能及性能，突破和掌握了空間站建造與運(yùn)營(yíng)所需的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)空間站的全面建造與運(yùn)營(yíng)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
空間站在軌應(yīng)用實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)新突破。天和核心艙在軌部署了無(wú)容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等兩個(gè)大型研究設(shè)施，已完成基本功能測(cè)試，突破了部分關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)，獲取了高質(zhì)量的在軌測(cè)試和應(yīng)用數(shù)據(jù)。
其中，無(wú)容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜為國(guó)內(nèi)首臺(tái)在軌空間站材料實(shí)驗(yàn)設(shè)施，可進(jìn)行金屬、非金屬的無(wú)容器加工研究，獲得先進(jìn)材料的空間制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝關(guān)鍵條件，指導(dǎo)地面材料加工工藝的改進(jìn)與發(fā)展；高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜首創(chuàng)采用雙層懸浮隔離振動(dòng)，可開展相對(duì)論物理與引力物理、流體動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用、材料制備機(jī)理等前沿科學(xué)研究。
此外，今年年初，《2021中國(guó)的航天》白皮書發(fā)布，首次提出在外空領(lǐng)域推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。可以預(yù)見(jiàn)，面向未來(lái)五年及更遠(yuǎn)的將來(lái)，中國(guó)航天將以更加積極開放的姿態(tài)開展國(guó)際交流合作，加快發(fā)展高質(zhì)量、可持續(xù)、增福祉的航天事業(yè)。
2016年以來(lái)，中國(guó)與19個(gè)國(guó)家和地區(qū)、4個(gè)國(guó)際組織，簽署46項(xiàng)空間合作協(xié)定或諒解備忘錄；積極推動(dòng)外空全球治理；利用雙邊、多邊合作機(jī)制，開展空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用等領(lǐng)域國(guó)際合作，取得豐碩成果。
據(jù)中國(guó)航天科技(000901)集團(tuán)介紹，未來(lái)，我國(guó)將繼續(xù)實(shí)施載人航天工程，全面建成并運(yùn)營(yíng)中國(guó)空間站，打造國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，開展航天員長(zhǎng)期駐留、大規(guī)模空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間站平臺(tái)維護(hù)等工作。深化載人登月方案論證，組織開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制新一代載人飛船，夯實(shí)載人探索開發(fā)地月空間基礎(chǔ)。
據(jù)了解，今年年底，長(zhǎng)征七號(hào)和長(zhǎng)征二號(hào)F火箭將分別發(fā)射天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十五號(hào)載人飛船，實(shí)現(xiàn)空間站建造階段所有既定任務(wù)。
新京報(bào)記者 張建林
編輯 白爽 校對(duì) 李立軍
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