中国航天在全球太空竞赛中的最真实水平和位置【七】当我们离开地球：构筑“天宫”

认清差距、开启未来：中国航天在全球太空竞赛中的最真实水平和位置【六】当我们离开地球：构筑“天宫”【导语】：中国即将发射嫦娥二号卫星，进行第二次探月尝试。一直以来，由于数据和角度的不同，国内外媒体对中国在全球太空竞赛中的位置一直说法不一。本文系列意图通过这组在数据分析和横向对比之上的策划，找到中国航天在世界的最真实水平和位置，认清差距，并开启未来。【前言】中国即将成为世界上第三个独立发射组装空间站的国家。“天宫一号”从结构上属于第一代空间站，与上世纪70年代苏联的礼炮号类似。但由于时代进步，“天宫”使用的电子设备、测控技术、环境控制等要领先许多，但仍远无法与和平号、国际空间站等相比。在长征-5号大推力火箭研制成功后，中国有可能在2020年左右开发重达60吨的空间站。世界主要空间站数据对比数据说明:从上图数据中可以看出，中国即将发射的“天宫一号”属于单模块空间站。由于具有实验的性质，所以仅有1个对接口。计划使用寿命为2年，与上世纪70年代单模块空间站的代表“礼炮”号空间站相比，仅为对方的1/4。综合实力：★★★前苏联-俄罗斯的和平号太空站在地球轨道上空工作，与月球成为两颗地球卫星。空间站是人类为了长期停留太空进行科学研究而制造的航天器，目前人类已经发射了11个空间站，在轨运行的仅有多国合作的“国际空间”。中国在2011年即将发射“天宫”1号目标飞行器，与神州系列飞船进行对接实验，形成中国未来空间站的雏形。中国的载人航天计划起步较晚，目前尚未拥有自己的空间站，也没有参加“国际空间站”的合作，不过，中国已经启动了自己的空间站计划，即将在2011年发射“天宫1号”目标飞行器，与之后的神舟系列飞船对接，形成一个小型的实验空间站，作为在建设空间站方向上迈出的第一步，这样有可能使中国继载人航天之后，成为世界上拥有过独立的空间站的第三个国家。中国“天宫一号”：试验太空对接2005年国务院新闻办公室发布了《2006年中国的航天》白皮书，其中有一段表述值得注意：“载人航天实现航天员出舱活动，进行航天器交会对接试验；开展具有一定应用规模的短期有人照料、长期在轨自主飞行的空间实验室的研制，开展载人航天工程的后续工作。”“航天员出舱活动”已经通过2008年9月的“神舟”七号任务完成。而文中提及“航天器交会对接试验”和“空间实验室”等任务，将由“天宫”系列空间实验室和神舟飞船共同完成，明年即将发射的“天宫”1号就是这个系列的第一个目标飞行器，目的是目的是作为其他飞行器的接合点，与其后发射的神舟八号、神舟九号和神舟十号飞船对接，成为中国首个小型空间站及首个空间实验室。CCTV公布“天宫一号”空间实验室实体（应该仅是试验舱部分）天宫1号目标飞行器。“天宫一号”是空间实验室的核心舱，它的重量与“神舟”七号相近，都是8吨左右。“天宫一号”的外形为短粗的圆柱型，直径比神舟飞船更大，可以与载人飞船或货运飞船进行交会对接。因为重量和外形都与神舟系列飞船相差不大，因此“天宫一号”可以用“长征2F”火箭的改进型号发射升空。“天宫一号”采用两舱构型，由实验舱和设备舱组成。实验舱为圆柱形。根据国外空间站情况推断，实验舱内部会有许多设备柜以安放空间实验设备。在实验舱前端的前锥段安装有对接机构，还有交会对接测量设备与通信设备，用于实现与飞船交会对接。设备舱为空间实验室的轨道机动提供动力，并通过两侧的太阳能电池板为空间实验室提供电力。“天宫”一号目标飞行器(左)与“神舟8号”(右)对接的想象图。“天宫一号”将于2011年发射，使用寿命为两年，之后两年内，中国将相继发射不载人与载人的神舟八号、神舟九号和神舟十号飞船，分别与“天宫一号”完成空间交会对接。神舟十号飞船完成交会对接以后，如果“天宫一号”的寿命到期，将继续发射“天宫二号”目标飞行器，作为后继的空间实验室核心舱。“天宫”系列，从目前能够得到的公开资料看，有1号、2号、3号三个目标飞行器，其中1号在明年发射，2、3号在2015年之前顺序发射，这样到2015年的天空，有可能有两个或三个中国的“天宫”空间实验室在运行，“天宫”系列空间实验室不仅只具有实验意义，同时，它的留空时间长、微重力环境等的特点，使它能为我国载人航天工程提供重要的技术试验平台，展开一系列的科研活动，主要包括：地球观测、空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术、航天医学以及其他领域的应用和试验。这些科研活动所取能取得的成果目前还无法判断，不过参考国外的例子，前苏联的“和平号”空间站在研制过程中就发明了600多项可用于其他工业领域的新工艺，而它运行的15年间，其上共进行了一万六千多次科学实验，完成了23项国际科学考察计划。可谓硕果累累。所以我们有理由相信，假以时日，“天宫”也能取得令世人瞩目的成就。为了完成“天宫”计划，我国的航天科技需要实现如下的几个突破：交会对接技术，解决飞船在空间实验室上“停泊”以及二者分离的问题；补加技术，解决空间实验室的物质、能量补充问题。要研制不同于目前载人神舟飞船的无人货运飞船；生命保障技术，未来航天员在空间实验室中生活工作是“多人多天”的，其轨道停留时间长度超过以往的神舟任务。必须解决长时间太空停留问题。这对于空气、水、电力、温度控制等提出了更高的要求。未来，在“天宫”系列实验空间站的基础上，中国可能会发展规模更大的空间站，有专家称，在长征-5号大推力火箭研制成功后，中国预计到2020年将建成重达60吨的空间站，将由三个太空舱组成，该空间站的计划细节目前不得而知，但可以肯定的是，在“天宫”上进行的各种工程试验、开发的各项技术都将运用在这个技术更先进、规模更庞大、结构更复杂的中国空间站上。单模块空间站：空间站的先驱从历史上看，前苏联是地球上发射空间站最早和最多的国家，由于登月计划受挫，苏联将精力集中在了发展空间站等其他航天目标上，之后美国也开始发展空间站，继而发展到由多国参加的“国际空间站”。截至目前，人类已发射了11个空间站。其中苏联发射8座，美国发射2座，欧洲经美国航天飞机搭载发射1座。根据这些空间站的结构特点和技术水平，可它们分为三代：单模块空间站、积木式空间站，以及桁架挂舱式空间站。俄罗斯“礼炮”4号空间站。俄罗斯“礼炮”7号空间站有两个对接口，可同时与两艘飞船对接。第一代单模块空间站主要包括苏联1971年至1982年发射的“礼炮”1-7号空间站以及美国1973年发射的“天空实验室”。它们的共同特点是由火箭一次发射入轨即可运行的空间站（如果不算与之对接的载人与货运飞船）。受到内部空间的限制，这种空间站一般不长期有人值守，而是短期有人照料。因为礼炮6号和礼炮7号空间站相对大些，也有学者将其归为第二代空间站。它们各有两个对接口，可同时与两艘飞船对接，苏联航天员在站上先后创造过210天和237天的太空生活记录。但我们可以看到，这两个空间站与后来的“和平号”相比还是显得结构简单、任务单一、扩展性差，另外礼炮系列的可靠性不是很好，礼炮1号成员组在返航时遇难，礼炮2号则发生故障未能载人。美国1973年发射的“天空实验室”。美国的“天空实验室”于1973年发射，是人类迄今向近地轨道发射的人造天体中重量和容量最大而又最复杂的一个。航天员由“阿波罗”飞船接送，分3批共9人，在站分别工作了28天、59天和84天，进行了270多项研究实验，拍摄了18万张太阳活动的照片、4万多张地面照片，还进行了长期失重人体生理学试验和失重下材料加工的试验。1979年7月11日进入大气层烧毁。欧洲空间局于1983年发射的“空间实验室”也应属于第一代空间站，它随航天飞机发射升空，设计使用寿命为10年，可重复使用100次，可乘坐4名宇航员。其上可以进行特殊材料加工、晶体生长、流体力学、生命科学、大气物理和天文方面的许多实验并获得了满意的结果。和平号空间站：服役15年接待135名宇航员和平号是苏联/俄罗斯的第3代空间站，亦为世界上第一个长久性空间站。宇航员在和平号太空站里工作。第二代空间站是“积木式”，“和平号”就是积木式空间站的代表。首个模块于1986年2月19日发射升空，其后至1996年的十年时间之中，其他多个模块相继升空。它首次发射的核心舱重20吨，后来通过多次发射与交会对接，多个功能性舱段分别与核心舱对接，成长为重120吨的大型空间站。和平号可以通过位于核心舱前端的节点舱（带有5个舱口）与多个舱段甚至航天飞机对接。和平号的每个舱段都具有独立运行的能力，仿佛火车中的“动车”车厢，自带姿态控制、电源、交会对接等设备。其好处是一个舱段出现故障不至于殃及其余。坏处是设备复杂，冗余度太高。人类连续在和平号上生存了4592个地球日，曾经接待过多国的宇航员。值得一提的是和平号航天飞机计划，在此期间美国的航天飞机共拜访空间站11次，带来补给以及乘员替换。在和平号空间站服务的15年里，先后有28个长期考察组和16个短期考察组在空间站从事考察活动，共有俄罗斯、美国、英国、法国、德国、日本、叙利亚、保加利亚、阿富汗、奥地利、加拿大、斯洛伐克12个国家的135名宇航员在空间站上工作。这些宇航员共进行了1.65万次科学实验，完成了23项国际科学考察计划。国际空间站：六国联合开发，仍在建造中国际空间站在地球轨道上空工作，太阳能板全部打开时的形态。宇航员在国际空间站上工作，图左为新西兰。第三代空间站是“桁架挂舱式”。这一类型空间站的代表是目前仍未完成的国际空间站，它是一个正在低地球轨道建造的国际研究设施，计划由六个国际太空机构合作联合推进，这六个机构分别是：美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大航天局、巴西航天局、欧洲空间局。此外，中国也表达了参与该计划的意向。国际空间站模块结构示意图。国际空间站的“龙骨”是一根长达108米的主桁架，多个功能舱段与太阳能电池板挂在这根主桁架和非承重桁架上。它可以同时与航天飞机、联盟号载人飞船、进步号货运飞船、凡尔纳号货运飞船等航天器进行对接。在建造工作完成后，国际空间站将会有1200立方米的内部空间，总重量419吨，舱体长度74米，额定乘员7人。国际空间站的主要功能是作为在微重力环境下的研究实验室，研究领域包括生物学、人类生物学、物理学、天文学、地理学等。迄今为止登上国际空间站执行任务的宇航员均来自美国和俄罗斯的宇航计划，此外也有来自其他国家的宇航员到访国际空间站，其中还包括五名太空游客。国际空间站由于广泛的国际合作，给很多新兴的航天国家创造了参与空间站建设的机会，例如日本为国际空间站提供了“希望号”实验舱，日本女宇航员搭乘航天飞机进入过国际空间站，日本独立开发的HTV无人飞船在2009年为国际空间站输送过物资等。另外印度和韩国也表示了希望加入国际空间站合作的意愿，印度太空研究组织（ISRO）主席奈尔表示，希望加入国际空间站，并表示印度将帮助国际空间站进行乘员运输。未来的空间站：科幻电影成真？在科幻影视里的轮形空间站，可通过旋转，产生人工模拟重力。未来空间站技术的发展趋势是大型化、易维护、自供给（空气、水、食物）、更舒适。大型化是多人多天太空工作生活的必然要求。未来空间站不但是空间科学的研究基地，也将成为是深空探测器的出发点。这都要求它具有比现在更大的规模。维护性一直是困扰“和平号”与国际空间站宇航员的难题，处理设备故障不但占用宇航员大量时间，也对他们的生命构成威胁。如果未来空间站达到易维护甚至免维护的水平，不但空间站寿命大大延长，宇航员也会有更多时间用于有价值的工作。目前国际空间站的食物全靠地面供应，部分水可以靠循环获得，电力依靠太阳能电池板转化。已经展开在空间站上生产食物的研究。如果取得突破性进展，将大大减轻天地运输的压力，未来的载人深空探测也可以运用这种食物生产系统。建设自维系生物圈将是自供给空间站的终极解决方案。除了扩大内部空间，模拟重力是使空间站变得更舒适的另一重要途径。设计中的轮形空间站通过绕轴心自转在轮内壁产生模拟重力的感觉。在其中生活的宇航员也少了骨质疏松、肌肉萎缩的困扰。普通人也可以在其中过长时间的太空生活。在实际的新空间站计划方面，除了中国的“天宫”计划，欧洲空间局联合了11国集中