尹懷勤

空間站代表了人類的最高科技和現(xiàn)代文明水平。中國航天人已經(jīng)站在太空空間站時(shí)代的大門口。繼2011年9月29日發(fā)射“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器之后，我國將于今年9月中旬發(fā)射“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室?！疤鞂m二號(hào)”升空后將分別與今年10月中旬發(fā)射的“神舟十一號(hào)”載人飛船、2017年4月中旬升空的新研制的“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船先后進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，為在2020年前后完成中國空間站的建造工作提供技術(shù)借鑒。空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)完成之后，我國將真正邁入空間站時(shí)代的大門。

早在1992年，我國就確立了以建設(shè)空間站為目標(biāo)的載人航天計(jì)劃，并將其劃分為三個(gè)步驟。第一步是載人飛船階段，目標(biāo)是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)。這一任務(wù)早已完成。

第二步是空間實(shí)驗(yàn)室階段，目標(biāo)是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)用問題。這一階段重點(diǎn)是要解決航天器在近地軌道上的交會(huì)對(duì)接、組裝、補(bǔ)給以及循環(huán)利用等四大技術(shù)。這些技術(shù)關(guān)系到空間站的組裝、航天員在空間站上的生存等關(guān)鍵問題。“天宮一號(hào)”就是為了解決交會(huì)對(duì)接難題而發(fā)射的一個(gè)目標(biāo)飛行器，它處于我國航天“三步走”戰(zhàn)略第二步的第二階段。與“神舟八號(hào)”無人飛船以及“神舟九號(hào)”、“神舟十號(hào)”載人飛船成功進(jìn)行了交會(huì)對(duì)接的實(shí)踐表明，通過對(duì)接，“天宮一號(hào)”可以被改造成一個(gè)短期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)室?？臻g交會(huì)對(duì)接技術(shù)成熟之后，發(fā)射“天宮二號(hào)”，建成我國正式的空間實(shí)驗(yàn)室就被提上了議事日程，它擔(dān)負(fù)著為此后全面建設(shè)中國空間站進(jìn)行多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證的重任。

“天宮二號(hào)”是在“天宮一號(hào)”平臺(tái)基礎(chǔ)上研制的，重量、外形與“天宮一號(hào)”相似，但是載荷會(huì)發(fā)生很大變化，在應(yīng)用上有很多不同功能，將開展多項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)。從“天宮一號(hào)”的相關(guān)數(shù)據(jù)中不難想象“天宮二號(hào)”的形狀——可能重達(dá)8.5噸，全長10.4米，最大直徑3.35米，結(jié)構(gòu)可分為前部的實(shí)驗(yàn)艙和后部的資源艙?！疤鞂m一號(hào)”的在軌壽命雖然設(shè)計(jì)為2年，但是在距離地球343千米的高度上已經(jīng)工作了近5年時(shí)間，乃系我國最長壽的近地軌道飛行器。這就意味著，當(dāng)“天宮二號(hào)”發(fā)射后，它將會(huì)和前輩“天宮一號(hào)”一起在軌飛行，完成更多的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

至此，所有的前期工作就都完成了。到2020年前后的第三步任務(wù)，就是建立永久性的空間實(shí)驗(yàn)室，建成中國自己的空間工程系統(tǒng)。

任務(wù)新 亮點(diǎn)多

按照計(jì)劃，“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室和搭載有2名男性航天員的“神舟十一號(hào)”飛船將先后從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心起飛，使用的都是長征二號(hào)F運(yùn)載火箭。已經(jīng)完成研制工作的第一艘貨運(yùn)飛船“天舟一號(hào)”，將啟用新研制的“長征七號(hào)”運(yùn)載火箭從海南文昌發(fā)射場發(fā)射升空。酒泉發(fā)射場、文昌發(fā)射場、測控通信系統(tǒng)和著陸場系統(tǒng)，正按計(jì)劃進(jìn)行任務(wù)準(zhǔn)備工作。

“天宮二號(hào)”與“神舟十一號(hào)”載人飛船對(duì)接之后，2名航天員將完成長達(dá)30天的在軌駐留，而此前我國航天員在軌駐留的最長時(shí)間紀(jì)錄是在“神舟十號(hào)”上創(chuàng)造的15天。在軌駐留時(shí)間的加倍，考驗(yàn)著一套可以長期穩(wěn)定運(yùn)行的，能夠維護(hù)航天員生命健康的設(shè)備。此次“天宮二號(hào)”上搭載的環(huán)境控制與物理化學(xué)式再生環(huán)控生保技術(shù)、受控生態(tài)生保技術(shù)實(shí)驗(yàn)保障系統(tǒng)，將對(duì)航天員提供30天的保障。

此外，“天宮二號(hào)”與“神舟十一號(hào)”載人飛船組合體飛行任務(wù)期間，對(duì)任務(wù)籌劃提出了更高要求。北京航天飛行控制中心不僅要完成軌道控制、上行控制等任務(wù)，還要配合航天員在軌期間組織天地協(xié)同，以及開展載荷試驗(yàn)、科普教育等活動(dòng)。

之前“天宮一號(hào)”在距地面343千米的軌道上運(yùn)行時(shí)，對(duì)星下同一地點(diǎn)的重訪周期為2天;而“天宮二號(hào)”軌道距地面近400千米，重訪周期約為3天，這一高度與未來的中國空間站運(yùn)行軌道基本相同，其軌道控制與任務(wù)組織模式也將更加接近于未來的中國空間站。之前完成軌道確定工作至少在一圈半到兩圈以上，此次任務(wù)則要求在一圈之內(nèi)完成，短弧段定軌對(duì)北京航天飛行控制中心提出了更高的精度要求。

相較于“天宮一號(hào)”任務(wù)時(shí)只有電子郵件上行功能，“天宮二號(hào)”則增加了郵件下行功能。航天員在“天宮二號(hào)”艙內(nèi)就可以進(jìn)行收發(fā)郵件操作，即航天員可向地面發(fā)送郵件，或者說，這次任務(wù)北京航天飛行控制中心將實(shí)現(xiàn)航天員與地面無障礙通信，傳輸速度可滿足音頻、視頻發(fā)送需求，更有利于天地溝通。

“天宮二號(hào)”任務(wù)中將先后對(duì)接“神舟十一號(hào)”載人飛船和“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船，尤其是首次對(duì)接我國自主研發(fā)的第一艘貨運(yùn)飛船，這是此次任務(wù)最大的亮點(diǎn)?！疤鞂m二號(hào)”與“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船對(duì)接后，要通過自動(dòng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加。這個(gè)主要是驗(yàn)證貨物運(yùn)輸和推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加等空間站建造與運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)。在今后的空間站建造和運(yùn)營中，貨運(yùn)飛船將擔(dān)負(fù)重要的任務(wù)。

從外形上看，“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船與“天宮一號(hào)”較為相似，但在功能上卻有很大不同。“天舟一號(hào)”由處于前部的貨物艙和后部的推進(jìn)艙構(gòu)成，這是最主要的兩大部分。它的發(fā)射質(zhì)量為13噸左右，上行貨物運(yùn)輸重量大于6.5噸，下行運(yùn)力為6噸左右。下行貨物就是把空間實(shí)驗(yàn)室貨物，尤其是未來的空間站在長期運(yùn)營過程中產(chǎn)生的垃圾攜帶返回，最終在大氣層中銷毀。

我國在研制“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船的過程中，分別以俄羅斯的“進(jìn)步號(hào)”貨運(yùn)飛船和歐洲空間局的自動(dòng)貨運(yùn)飛船為目標(biāo)，有效解決了它們?cè)谘兄七^程中的問題，其性能較之前兩者更為優(yōu)越?！疤熘垡惶?hào)”貨運(yùn)飛船采用模塊化設(shè)計(jì)，具有全密封貨艙、半密封/半開放貨艙、全開放貨艙三種構(gòu)型，可以把不同的載荷運(yùn)往空間站，甚至可以將小型艙段運(yùn)輸上天，并由航天員和機(jī)械臂將其裝配到空間站上，此舉是大型空間設(shè)施建造技術(shù)上的巨大跨越。這就要求航天員必須掌握大型空間設(shè)施的建造技術(shù)和運(yùn)營管理技術(shù)，具備強(qiáng)大的維護(hù)維修升級(jí)能力?！疤鞂m二號(hào)”開展的大量實(shí)驗(yàn)和“天舟一號(hào)”的飛天，都是瞄準(zhǔn)空間站運(yùn)行模式所進(jìn)行的嘗試。

此次“天宮二號(hào)”的任務(wù)之一就是要把貨運(yùn)飛船納入運(yùn)營體系中，通過自動(dòng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加。此前無人及載人飛船與“天宮一號(hào)”的對(duì)接機(jī)構(gòu)主要是電路連接，這次為了補(bǔ)加燃料，還將增加液路連接。推進(jìn)劑補(bǔ)加過程控制步驟多，流程雜，需要多天完成，若出現(xiàn)應(yīng)急情況還要進(jìn)行在軌處置，需要地面飛控系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的操作。

為了確保升空后運(yùn)行的萬無一失，北京航天飛行控制中心已在地面與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室、“神舟十一號(hào)”載人飛船和“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船建立無線通信鏈路，用真實(shí)的測控站和任務(wù)軟件模擬了任務(wù)全過程，確保了接口匹配，控制協(xié)同。這一聯(lián)試過程比真實(shí)任務(wù)更為復(fù)雜，覆蓋了各種應(yīng)急控制分支。從飛船發(fā)射后的大氣層外救生到應(yīng)急返回，北京航天飛行控制中心對(duì)各類應(yīng)急預(yù)案均進(jìn)行了檢驗(yàn)，已經(jīng)完成了任務(wù)全態(tài)模式演練。這也是空間實(shí)驗(yàn)室和飛船要達(dá)到發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)必須經(jīng)歷的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，該中心針對(duì)長征七號(hào)火箭首飛、“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室、“神舟十一號(hào)”載人飛船、“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船等任務(wù)建立了多個(gè)型號(hào)任務(wù)團(tuán)隊(duì)，同步開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作，為后續(xù)執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

新征程 新使命

“天宮二號(hào)”堪稱中國載人航天工程里最忙碌的空間實(shí)驗(yàn)室?！疤鞂m二號(hào)”要進(jìn)行14項(xiàng)空間科學(xué)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)任務(wù)，涉及微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)等9大領(lǐng)域。其中，有2項(xiàng)需要航天員直接參與操作，1項(xiàng)是國際合作聯(lián)合研究的項(xiàng)目。為此，這次任務(wù)搭載的有效載荷達(dá)51臺(tái)，其中新研制的就有42臺(tái)，自主研發(fā)核心部件20余個(gè)，攻克核心技術(shù)30余項(xiàng)。同時(shí)，“天宮二號(hào)”上還搭載了香港中學(xué)生太空科技設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)的3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，計(jì)劃在太空開展科普實(shí)驗(yàn)活動(dòng)?！疤鞂m二號(hào)”任務(wù)是我國開展載人航天工程以來，應(yīng)用項(xiàng)目最多的一次。

此次“天宮二號(hào)”任務(wù)還安排了天地量子密鑰傳輸試驗(yàn)、激光通信試驗(yàn)等，這些項(xiàng)目大多處在當(dāng)前世界最前沿的空間科學(xué)探索領(lǐng)域，在信息安全方面有著廣泛的應(yīng)用前景?！疤鞂m二號(hào)”將搭載全球第一臺(tái)空間冷原子鐘，它充分利用了太空微重力條件，穩(wěn)定度高達(dá)10-16。超高精度的原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)，這一技術(shù)可以將我國航天器自主守時(shí)精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅提高導(dǎo)航和定位精度。同“天宮二號(hào)”一起升空的伴飛小衛(wèi)星，還將對(duì)交會(huì)對(duì)接全過程進(jìn)行近距離成像觀測。

同時(shí)，“天宮二號(hào)”還將攜帶三維成像微波高度計(jì)，能夠在一個(gè)寬幅的三維海平面測量中，得到精度優(yōu)于5厘米的測量結(jié)果，可以精確測量出海浪的高低值。此外，在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室還將開展材料制備實(shí)驗(yàn)，研究納米復(fù)合光學(xué)材料、高性能熱電轉(zhuǎn)換材料、高性能合金材料等新型材料。這些實(shí)驗(yàn)不僅具有很高的科學(xué)價(jià)值，而且還有可能在未來對(duì)我國的航天技術(shù)帶來新的推動(dòng)力。

被寄予厚望的“天宮二號(hào)”將解決具有一定規(guī)模、短期有人照料的空間應(yīng)用問題，今后科學(xué)家、航天員們將在空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展各項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。借鑒“天宮二號(hào)”積累的經(jīng)驗(yàn)，我國將來就可更有效地研制體積更大、可靠性更強(qiáng)的核心艙和實(shí)驗(yàn)艙，增加太空實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目和種類，為最終建成空間站奠定基礎(chǔ)。

天宮，是中華民族的優(yōu)美神話和美好想象。在不久的將來，地球軌道上又將多一個(gè)人造天宮。太空從此有了中國人的歡笑，“天街”也熱鬧起來……