2021年4月29日，長五B火箭成功發(fā)射天和核心艙，中國空間站在軌組裝建造全面展開。2022年7月24日，長五B火箭成功發(fā)射中國空間站第二個艙段——問天實驗艙。2022年10月31日，長五B火箭成功發(fā)射夢天實驗艙，即將完成中國空間站“T”字基本構(gòu)型在軌建造任務(wù)。
今年是我國載人航天工程立項實施30周年，夢天實驗艙的成功發(fā)射也標志著我國載人航天工程“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略即將完成。
據(jù)中國載人航天工程辦公室消息，后續(xù)我國空間站將轉(zhuǎn)入為期十年以上的應(yīng)用與發(fā)展階段。初步計劃每年發(fā)射兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船。同時，將研制新一代載人運載火箭和載人飛船，并考慮研發(fā)空間站擴展艙段，進一步提升工程綜合能力和技術(shù)水平。
中國空間站任務(wù)規(guī)劃穩(wěn)步推進
載人航天事業(yè)，對我國政治、經(jīng)濟、科技等都有重要意義。1992年9月21日，中國載人航天工程正式立項，代號為“921工程”。
根據(jù)規(guī)劃，工程將按“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略實施：第一步，發(fā)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(yīng)用實驗；第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器的交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。
“921”工程正式啟動后，我國確定了“第一艘試驗無人飛船要爭取1998年、確保1999年首飛”的目標，即神舟一號飛船要“爭八保九”。這也是當時整個神舟工程團隊必須完成的軍令狀。
神舟團隊面臨著巨大的壓力。飛船與返回式衛(wèi)星有相通之處，但由于多了“人”，對各項技術(shù)要求極高，復(fù)雜程度極大，許多技術(shù)問題必須先在地面做充分驗證，完成初樣、正樣兩個階段。
當時，以長征二號E（長二捆）為基礎(chǔ)的長征二號F火箭打造完成，準備在1999年進行首次發(fā)射試驗。為了抓住這次機會，神舟團隊創(chuàng)造性地提出了將僅用于地面電性能測試的試驗飛船（初樣電性船）改造為試驗船的方案，制定了飛船最小配置進行首飛的簡化方案，去掉5個分系統(tǒng)，僅保留8個確保飛船返回中國境內(nèi)的分系統(tǒng)。
方案報批后，1999年，神舟一號成功升空，這也為“921”工程后續(xù)開展奠定了堅實基礎(chǔ)。進入21世紀后，我國載人航天事業(yè)有了飛躍式的發(fā)展。
2003年發(fā)射的神舟五號是我國首艘載人飛船，中國首位航天員楊利偉搭乘神舟五號飛船，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、神舟三號、神舟四號飛船先后發(fā)射成功，積累了必要經(jīng)驗。
2005年，神舟六號實現(xiàn)多人多天太空飛行。與神舟五號相比，神舟六號乘組中，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自主知識產(chǎn)權(quán)的“飛天”艙外航天服，走出軌道艙艙門，邁開了中國人漫步太空的第一步。
天宮一號是我國全新研制的載人飛行器，也是我國首個目標飛行器。天宮一號由實驗艙和資源艙構(gòu)成，實驗艙有效使用空間約15立方米，可滿足3名航天員在艙內(nèi)工作和生活需要，前端安裝被動式對按機構(gòu)，可與飛船實現(xiàn)對接，資源艙為空間飛行提供動力和能源。
2011年，神舟八號與天宮一號完成首次交會對接任務(wù)，標志著我國空間交會對接技術(shù)取得重大突破。2012年，神舟九號載人飛船發(fā)射成功，天宮一號與神舟九號載人交會對接任務(wù)全面實現(xiàn)了“準確進人軌道、精準操控對接、穩(wěn)定組合運行、安全健康返回”的預(yù)定目標。
為了實現(xiàn)航天員更長時間的駐留，維持空間站的長時間運行，除了載人的神舟飛船，還需要負責載貨的“太空貨車”——“天舟”飛船。
2017年，“天舟一號”與“天宮二號”自動對接成功，開始多次向后者補加推進劑，實現(xiàn)了“太空快遞”的使命。“天舟一號”飛行任務(wù)取得圓滿成功，標志著中國載人航天邁進“空間站時代”。
整個空間站任務(wù)規(guī)劃包括關(guān)鍵技術(shù)驗證、建造和運營三個階段。隨著載人航天工程穩(wěn)步推進，我國目前掌握了載人天地往返、空間出艙、空間交會對接、航天員中期駐留和空間貨物運輸與補給等關(guān)鍵技術(shù)。
中國空間站艙段的“專屬座駕”
我國載人航天工程有CZ-2F、CZ-5B、CZ-7三種運載火箭系統(tǒng)。作為參與載人航天工程的長征火箭“三勇士”之一，CZ-5B（長五B火箭）是目前世界在役火箭中唯一一級半直接入軌的火箭。
作為專門為載人航天工程空間站建設(shè)而研制的新型運載火箭，長五B火箭已相繼完成了天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙的發(fā)射任務(wù)，算得上是我國空間站艙段的“專屬座駕”。
長五B火箭為一級半構(gòu)型，捆綁4個直徑3.35米液體助推器，芯一級直徑5米。火箭總長約54米，起飛重量約850噸，起飛推力約1078噸，近地軌道運載能力達到25噸級。
據(jù)火箭院長五火箭副總設(shè)計師黃兵介紹，為滿足空間站大艙段發(fā)射任務(wù)要求，長五B火箭突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，其中包括20.5米國內(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”。
整流罩是運載火箭的重要組成部分，用于保護衛(wèi)星或其他有效載荷免受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環(huán)境的影響。長五B火箭擁有目前我國最長最大的整流罩，長度達到20.5米、直徑5.2米，容積超過345立方米。
整流罩的規(guī)模增大后，為了保證運載效率，結(jié)構(gòu)的剛度會隨之減少，而剛度是影響分離能源設(shè)計、分離包絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵要素。如何準確模擬飛行及分離過程中整流罩的剛度特性、確保安全可靠分離，是研制過程中面臨的技術(shù)難題。
對此，研制團隊通過大量的仿真分析、預(yù)示，對整流罩分離方案進行評估，并多次開展了整流罩分離試驗，有效驗證了設(shè)計正確性和各系統(tǒng)接口協(xié)調(diào)性。
火箭院長五B火箭總體副主任設(shè)計師王乾介紹，針對此次任務(wù)，在整流罩生產(chǎn)初期，研制團隊采用了三維視覺掃描等技術(shù)，對整流罩以及實驗艙的尺寸進行了精準仿真，反復(fù)詳細校核，確認了關(guān)鍵位置的安全間隙，確保在飛行、分離的過程中，實驗艙享有足夠的空間，不會在飛行過程中貼近整流罩。
據(jù)了解，長五B還將承擔中國第一個大型空間巡天望遠鏡發(fā)射任務(wù)，屆時與空間站共軌飛行，開展更多的宇宙空間探測和前沿科學(xué)研究，未來還將與遠征系列上面級形成組合，形成多星組網(wǎng)發(fā)射的能力，充分發(fā)揮運載能力大、單位有效載荷經(jīng)濟性好的優(yōu)勢，滿足國家不同發(fā)射任務(wù)的需求。
集結(jié)新技術(shù)，空間站建造運營更加經(jīng)濟合理
我國空間站建設(shè)雖然起步晚，但通過借鑒經(jīng)驗，大量采用當代最新技術(shù)，從而擁有了自己的特點。
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，俄羅斯的和平號空間站有6個實驗艙，但因結(jié)構(gòu)緊湊，屬立體分布，導(dǎo)致太陽電池翼受遮擋，同時維修不便。此外，國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，各艙段互不相干，造成資源浪費。
基于這兩種情況，我國空間站在建造上進行了兩方面的改進。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；二是借鑒了國際空間站橫向?qū)⑻栯姵匾聿季钟谡w構(gòu)型的兩側(cè)，以減少遮擋的設(shè)計。同時配置雙自由度驅(qū)動機構(gòu)，使太陽電池翼能夠隨時與太陽光光線垂直，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)、大面積柔性太陽翼技術(shù)、 空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)等?！拔覀兛臻g站中的科學(xué)實驗起點也高。科學(xué)事業(yè)項目是經(jīng)過全國各行各業(yè)的科學(xué)家充分論證，并借鑒了國際空間站實驗項目的基礎(chǔ)才確定的，瞄準了當代科技的前沿?！苯咕S新說。
從總體重來看，我國空間站比其他空間站都要輕。但實際上，我國空間站的實驗艙要比其他空間站的實驗艙大。整體結(jié)構(gòu)做到了統(tǒng)籌兼顧，讓我國空間站在建造和運營上更為經(jīng)濟合理。
焦維新介紹，“中國空間站目前配備實驗柜25個，國際空間站安裝的實驗柜有31個，但是我們的空間站以大約國際空間站1/6的重量，提供了約4/5的實驗柜數(shù)量，這體現(xiàn)了很高的應(yīng)用支持效率?！?/p>
天宮空間站還有很強的艙外應(yīng)用載荷支持能力，可支持67個暴露應(yīng)用載荷。天宮空間站也可作為未來載人深空探測關(guān)鍵技術(shù)的先期驗證平臺，通過現(xiàn)有應(yīng)用載荷支持設(shè)施或者擴展建設(shè)專用的支持設(shè)施，開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗證，有效降低深空探測任務(wù)實施的技術(shù)風(fēng)險。
我國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安全，在問天實驗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)急避難場所，一旦天和核心艙出現(xiàn)艙體失壓、被空間碎片撞擊等問題，航天員可進入問天實驗艙進行緊急避難。航天員在關(guān)閉雙向承壓艙門后，節(jié)點艙和問天實驗艙將連為一體，為航天員進入神舟飛船保留了生命通道。
此外，我國空間站重大科學(xué)研究設(shè)施部署了兩米口徑的巡天空間望遠鏡，與空間站同軌飛行。該望遠鏡預(yù)計2024年發(fā)射，是我國空間天文的旗艦項目。發(fā)射后的望遠鏡將圍繞銀河系和恒星、天體測量、系外行星、太陽系天體和暫現(xiàn)源等內(nèi)容開展觀測研究。
“在空間站建造之后的應(yīng)用與發(fā)展階段，我們國家還規(guī)劃了第二個旗艦型項目，即高能宇宙輻射探測設(shè)施‘HERD’。該項目測量宇宙線中的電子和核子的能量范圍以及探測靈敏度，其比現(xiàn)有的設(shè)備高出一個量級或數(shù)10倍?！苯咕S新告訴記者。
天宮空間站建造完成后將在軌運行10年以上，需具備良好的艙段擴展和應(yīng)用支持擴展能力。根據(jù)空間科學(xué)技術(shù)研究、空間應(yīng)用和國際合作的需要，我國空間站可進行靈活擴展。
焦維新表示，天宮空間站在方案設(shè)計階段，即對未來的擴展方案進行了統(tǒng)籌考慮，在現(xiàn)有三艙構(gòu)型基礎(chǔ)上，預(yù)留了機、電、熱等擴展接口，具備擴展對接三個新艙段形成的約180噸6艙組合體的擴展能力。
今年年底實現(xiàn)空間站建造階段所有既定任務(wù)
目前，我國空間站在軌關(guān)鍵技術(shù)驗證已取得重大進展。機械臂在軌爬行測試與巡檢、太陽翼在軌辨識、推進劑在軌補加等任務(wù)成功實施，多次飛行任務(wù)也全面驗證了核心艙作為空間站管理和控制中心的各項功能及性能，突破和掌握了空間站建造與運營所需的各項關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)空間站的全面建造與運營奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
空間站在軌應(yīng)用實驗實現(xiàn)新突破。天和核心艙在軌部署了無容器材料科學(xué)實驗柜和高微重力科學(xué)實驗柜等兩個大型研究設(shè)施，已完成基本功能測試，突破了部分關(guān)鍵實驗技術(shù)，獲取了高質(zhì)量的在軌測試和應(yīng)用數(shù)據(jù)。
其中，無容器材料科學(xué)實驗柜為國內(nèi)首臺在軌空間站材料實驗設(shè)施，可進行金屬、非金屬的無容器加工研究，獲得先進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與發(fā)展；高微重力科學(xué)實驗柜首創(chuàng)采用雙層懸浮隔離振動，可開展相對論物理與引力物理、流體動力學(xué)及其應(yīng)用、材料制備機理等前沿科學(xué)研究。
此外，今年年初，《2021中國的航天》白皮書發(fā)布，首次提出在外空領(lǐng)域推動構(gòu)建人類命運共同體。可以預(yù)見，面向未來五年及更遠的將來，中國航天將以更加積極開放的姿態(tài)開展國際交流合作，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，中國與19個國家和地區(qū)、4個國際組織，簽署46項空間合作協(xié)定或諒解備忘錄；積極推動外空全球治理；利用雙邊、多邊合作機制，開展空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用等領(lǐng)域國際合作，取得豐碩成果。
據(jù)中國航天科技集團介紹，未來，我國將繼續(xù)實施載人航天工程，全面建成并運營中國空間站，打造國家太空實驗室，開展航天員長期駐留、大規(guī)?？臻g科學(xué)實驗、空間站平臺維護等工作。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，夯實載人探索開發(fā)地月空間基礎(chǔ)。
據(jù)了解，今年年底，長征七號和長征二號F火箭將分別發(fā)射天舟五號貨運飛船、神舟十五號載人飛船，實現(xiàn)空間站建造階段所有既定任務(wù)。