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【深度科普】中国载人航天工程“三步走”之空间站建设

来源:中国数字科技馆
  2021年5月5日,为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭在海南文昌首飞成功,正式拉开我国载人航天工程“第三步”任务的序幕。从神舟五号到神舟七号,中国载人航天工程完成了第一阶段的任务,实现了载一名航天员到载三名航天员的航天飞行,完成了航天员出舱活动以及释放小卫星等任务。第二阶段任务的主要目标是完成航天器轨道交会对接以及发射、运行天宫号空间实验室的任务。
  2010年9月25日,胡锦涛总书记主持召开中央政治局常委会议,审议批准了《载人空间工程实施方案》,载人空间站工程正式启动实施。这是中国载人航天工程“三步走”发展战略的第三步任务,而运行空间实验室是中间的第二步(阶段)任务。
  一、运行空间实验室
  (一)天宫一号空间实验室
  载人航天工程第二阶段任务,从发射天宫一号空间实验室开始,一方面对实验室进行考核并且开展空间科学实验,另一方面完成神舟号飞船与其交会对接任务。天宫一号是中国第一个目标飞行器和空间实验室,全长10.4米,最大直径3.35米,重量8.5吨,由实验舱和资源舱构成。实验舱分前锥段、圆柱段和后锥段。航天员进入前锥段和圆柱段进行工作、训练,生活、睡眠等也大都在这里进行。
  天宫一号于2011年9月29日21时许在酒泉卫星发射中心发射入轨。与其进行对接的神舟八号飞船在前期飞船的基础上,进行了较大技术改进,安装有600多台套设备,新研制和新增加的设备占15%。飞船具备自动和手动交会对接功能,新研制了异体同构周边式构型和多种交会对接测量设备,配置了平移和反推发动机。飞船具备停靠180天的能力。飞船采用新的太阳电池板,发电能力提高了50%。2011年11月1日5时58分,神舟八号实施不载人发射,11月3日凌晨1时30分与天宫一号成功实施首次自动交会对接。组合体飞行12天之后,11月14日进行第二次交会对接。11月16日,神舟八号与天宫一号分离后,于17日返回地面。中国完成了载人航天的又一个重大突破:航天器轨道交会对接。
中国载人航天工程“三步走”发展战略
图1.天宫一号与神舟八号对接示意图
  2012年6月16日至6月29日,神舟九号飞船完成第四次载人飞行。参加飞行的航天员是指令长景海鹏、航天员刘旺、刘洋,其中刘洋是中国第一位女航天员。
  为保障载人交会对接的安全性,神舟九号进行了多项改进,包括恢复载3人的标准布局以及涉及女航天员的特殊设备。6月18日14时神舟九号与天宫一号实施自动对接,这是中国首次实现载人航天器的空间交会对接,意义重大。
  对接完成后,航天员进入天宫一号进行工作。6月24日13时,神舟九号与天宫一号进行了一次手动交会对接。此次飞行,为中国未来积木式空间站建设突破了一道技术难关。6月29日,神舟九号飞船返回舱安全返回,3名航天员健康出舱。此次飞行任务圆满结束。
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图2.神舟九号航天员出征仪式
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图3.神舟九号船箭组合体垂直转运至发射塔
  天宫一号与神舟九号载人交会对接任务全面实现了任务目标,取得了一系列成果:突破和掌握了航天员手控对接技术;突破了载人航天器组合体管理与控制技术;突破了航天员中短期空间驻留技术;开展了高水平的空间技术试验与科学实验;进一步考核了载人天地往返运输系统、载人空间试验平台及载人航天发射、测控和搜索回收的综合保障能力。
中国载人航天工程“三步走”发展战略
图4.神舟九号返回舱着陆
  2013年6月11日至6月26日,神舟十号飞船完成了第五次载人飞行,航天员是指令长聂海胜,张晓光和王亚平。
  6月13日,飞船与天宫一号进行了自动交会对接。此次飞行飞船完善了舱内生活垃圾处理;丰富了航天食品;优化了航天员的工作程序和作息安排,增加了工作项目的时间余量。完成的主要任务有:为天宫一号提供人员和物资运输服务;进一步考核了交会对接、天地往返运输系统的功能和性能;进一步考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力以及航天员执行任务能力;开展了航天员空间环境适应性、空间操作工效研究,开展空间科学实验、航天器在轨维修试验和空间站关键技术验证;首次开展面向青少年的太空科学讲座及科普演示活动;进一步考核工程各系统执行飞行任务的功能、性能和系统间协调性。
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图5.航天员在神舟十号天宫舱内行走
  女航天员王亚平在聂海胜和张晓光配合下开展的一系列太空科普教育演示活动,并与地面中学生进行互动,引起强烈反响。神舟十号载航天员返回后,天宫一号总计实现66人天的组合体驻留飞行,超额完成60人天的指标任务;飞船总计完成了8次交会、6次对接,充分验证了飞船和天宫一号的交会和对接能力。
  6月26日,神舟十号返回舱安全返回,3名航天员健康出舱。驻留轨道在天宫一号超期服役,地面人员继续利用其开展空间科学与技术试验、对地遥感应用和空间环境探测,验证了低轨长寿命载人航天器设计、制造、管理、控制相关技术,为空间站建设运营和载人航天成果的应用推广积累了重要经验。2016年3月16日,天宫一号完成了历史使命。
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图6.航天员王亚平自主出舱后挥手致意
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图7.航天员张晓光自主出舱后敬礼
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图8.航天员聂海胜自主出舱后挥手致意
  此次飞行任务的实施,圆满实现了“准确进入轨道、精准操控对接、稳定组合运行、健康在轨驻留、安全顺利返回”的任务目标,进一步考核了交会对接、载人天地往返运输系统的功能和性能。
  (二)天宫二号空间实验室
  天宫二号是中国第一个真正意义上的空间实验室,除用于进一步验证空间交会对接技术外,它将开展一系列空间科学试验,包括地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。空间冷原子钟实验、伽玛暴偏振探测、空地量子密钥分配试验是天宫二号14个应用和试验项目中的3个重点项目。它还将与新研制的货运飞船进行对接,实现物资和设备的天地往返运输。天宫二号全长10.4米,最大直径3.35米,起飞重量8.6吨,在轨寿命2年。
  2016年9月15日,天宫二号发射入轨。经过一个月的在轨测试,10月17日神舟十一号飞船发射入轨,参加此次飞行的指令长景海鹏和航天员陈冬。飞行的主要任务是:为天宫二号提供人员和物资天地往返运输服务,验证天空实验室在轨交会对接和飞船返回技术;与天宫二号对接形成组合体,进行航天员中期驻留,考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力;开展有人参与的航天医学实验、空间科学实验、在轨维修等技术试验以及科普活动。10月19日凌晨,神舟十一号与天宫二号自动交会对接成功,景海鹏、陈冬进入天宫二号。
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图9.神舟十一号航天员出征仪式
  两位航天员在天宫二号参与或自动开展了大量空间科学实验,涉及微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等八个领域。具体有空间冷原子钟实验、综合材料制备实验、高等植物培养实验,伽玛暴偏振探测等实验与探测;宽波段成像光谱仪试验;空地量子密钥分配试验;伴随卫星飞行试验等应用和新技术试验等。11月17日12时41分,神舟十一号与天宫二号分离,景海鹏、陈冬乘飞船返回舱于11月18日安全返回。此次飞行是中国载人航天飞行时间最长的一次,航天员在轨生活工作达33天。
  在天宫二号自主运行期间,第一艘货运飞船天舟一号于2017年4月20日发射,并于4月22日与其自动对接成功。天舟一号总长约10.6米,最大直径3.35米,起飞重量13.5吨,载货能力6.5吨。天舟一号搭载了40种科学实验仪器,用于开展新型元器件在轨验证、空间环境探测、力学环境测量、生命科学方面等13项太空科学实验任务。9月22日天舟一号受控离轨,飞行任务取得圆满成功。天舟一号突破了货物运输、推进剂补加、自主快速对接等关键技术,建立了独立自主、功能齐备的空间货物运输系统,使我国跻身于少数几个具备大吨位空间货运能力的国家,综合技术处于先进水平。
  二、空间站建设接开帷幕
  神舟十一号及天宫二号运行任务的结束,标志着载人航天工程“三步走”发展战略第二步目标成功实现。
  第三步——建设空间站的工作正式拉开序幕,用于空间站核心舱发射的长征五号B运载火箭已于2020年5月5日发射成功,搭载的新一代载人飞船返回舱于5月8日成功返回。
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图10.长征五号火箭
  中国空间站主要有五大工程目标:一是建造并运营近地空间站,突破、掌握和发展大型复杂航天器的在轨组装与建造、长期安全可靠飞行、运营管理和维护技术,提升国家航天技术水平,带动相关领域和行业的科技进步,增强综合国力;二是突破、掌握和发展近地空间长期载人航天飞行技术,解决近地轨道长期载人航天飞行的主要医学问题,实现航天员长期在轨健康生活和有效工作;三是建成国家太空实验室,发展具有国际先进水平的空间科学与应用能力,开展多领域空间科学实验和技术试验、空间应用及科普教育,获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果;四是开展国际(区域)合作,为人类和平开发和利用空间资源作出积极贡献;五是以在轨服务、地月和深空载人探测需求为牵引,试验和验证相关关键技术,为载人航天的持续发展积累技术和经验。
  2021年4月29日,空间站核心舱——天和号在文昌航天发射场发射入轨,标志着中国空间站建设正式接开了帷幕。
  “天和”号核心舱全长16.6米,最大直径4.2米,发射质量22.5吨,可支持3名航天员长期在轨驻留,是我国目前研制的最大航天器。
  核心舱是空间站的主控舱段,是整个空间站的中枢系统,主要对整个空间站的飞行姿态、动力性能、载人环境进行控制。核心舱的大柱段直径4.2米,小柱段直径2.8米。大柱段部位主要是航天员开展工作和实验的地方,小柱段则是航天员的睡眠区和卫生区,保障航天员的生活和正常居住。
  它既是空间站的管理和控制中心,也是航天员生活和工作的主要场所,还能支持开展一定规模的空间科学实验和技术试验。
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图11.“天和核心舱”
  中国空间站基本构型有3个舱段——1个核心舱,2个实验舱。每个舱都是20吨级,三舱组合体质量约66吨。空间站整体呈T字构型,核心舱居中,实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ分别连接于两侧。其中,核心舱除用于控制整个空间站组合体外,两个实验舱分别用于生物、材料、微重力流体、基础物理等多方面的科学实验。
  实验舱Ⅰ名为“问天”,主要任务是开展舱内和舱外空间科学实验和技术试验,也是航天员的工作生活场所和应急避难场所。实验舱Ⅰ配备了航天员出舱活动专用气闸舱,支持航天员出舱活动,配置了小型机械臂,可进行舱外载荷自动安装操作。该舱有着核心舱部分关键平台功能,在需要的时候,它可以执行对整个空间站的管理和控制。
  实验舱Ⅱ名为“梦天”,具备和实验舱Ⅰ类似的功能。该舱配置有货物专用气闸舱,在航天员和机械臂的辅助下,支持货物、载荷自动进出舱。
  空间站工程还包括天地往返运输系统和货物运输系统。天地往返人员运输系统由神舟载人飞船和长征二号F运载火箭组成,用于航天员和部分物资往返空间站。货物运输系统主要由天舟号货运飞船和长征七号运载火箭组成。神舟载人飞船可执行3名航天员天地往返任务,在空间站停靠期间也作为救生船,用于航天员应急救生和返回。
  在中国空间站建设初期,它可支持3名航天员进行长期生活和工作;航天员轮换时可短期支持6名航天员生活和工作。其内部航天员活动空间站可达110立方米。在空间站建设过程中,需要在两年内实施11次飞行任务,涉及空间站核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ;4艘货运飞船和4艘载人飞船的任务,依次围绕核心舱完成组装建造工作。根据既定计划,中国空间站基本型将在2022年建成并投入正式运行。中国空间站设计寿命不小于10年,延寿后可达15年,具有通过维护维修延长使用寿命的能力,能够扩展到180吨级,也为后续发展留有一定的空间。
  中国空间站建设比俄罗斯一系列空间站和当前的国际空间站晚得多,但具有许多新的特点,采用了诸多新技术、新工艺、新材料,很多关键能力指标并不逊色。基本构型建成后,其载荷重量占比17.7%,高于国际空间站的7.9%;柔性太阳能电池帆板和先进砷化镓电池技术提供了100千瓦电能,超过国际空间站的90千瓦。空间站可对载人飞船、货运飞船和实验舱供电,对外供电功率占比高达63%,自身用电仅占37%,也高于国际空间站。
  空间站为科学实验设备提供万兆级舱段间网络传输,下行速率每秒1.2千兆比特,能够以较小的规模实现科学实验支持能力的最大化;采用先进信息技术,可实现舱段间、航天器间系统重构,大幅提升空间站在轨的可靠性和安全性;采用智能控制技术,设计自主健康管理系统,降低了航天员空间站维护和地面运控的负担;采用物化再生生保技术,较好地实现资源再生利用,大幅降低货运保障需求和运营成本。
  天和号核心舱的太阳能帆板是迄今为止最大、最复杂的柔性太阳翼,单翼翼展30米,双翼展开面积超过130平方米。太阳能帆板由碳化硅增强铝基复合材料制成,具有重量轻、耐磨性好、热膨胀系数小、导热系数高等特点,可有效减轻机构重量,增加刚性、耐磨性,满足了核心舱对轻质高性能金属基复合材料的迫切需求。天和号太阳能能够提供18千瓦的电能。
  中国空间站运行在距离地球表面约400千米高的近地轨道上,空间站因大气摩擦而逐渐减速,需要提升高度来维持运行轨道。天和核心舱推进系统除了配备4台轨控发动机、22台姿控发动机这些常规动力以外,还额外配置了 4台霍尔电推进发动机。这种发动机具有精确调整、工作时间长的特性,能够辅助空间站进行轨道调整,维持其在原定轨道上正常运转,可有效节省核心舱自带推进剂的消耗,保证推进剂的合理充分利用。这是人类首次将电推动力器用于载人航天器。天和号在舱外配备了大型机械臂。其工作时最长长度可达10多米,具有7个自由度,不仅可以在太空抓取物体,而且可实现舱体爬行功能,移动到空间站的许多部分,进而在更大范围触达空间站各舱体外表面。
  5月29日,天舟二号货运飞行发射入轨,在完成入轨状态设置后,于5月30日5时01分采用自主快速交会对接模式精准对接于天和核心舱后向端口。天舟二号携带了航天员生活物资、舱外航天服及空间站平台设备、应用载荷和推进剂等,与天和核心舱完成交会对接后,转入组合体飞行段,将按计划开展推进剂补加和空间应用项目设备测试等工作。
  2021年6月17日9时22分,神舟十二号飞船在酒泉卫星发射中心发射成功。承担此次飞行任务的三外航天员分别是指令长聂海胜,航天员刘伯明和汤洪波。神舟十二号飞行任务是空间站关键技术验证阶段第四次飞行任务,也是空间站阶段首次载人飞行任务,任务有以下主要目的:在轨验证航天员长期驻留、再生生保、空间物资补给、出舱活动、舱外操作、在轨维修等空间站建造和运营关键技术,首次检验东风着陆场的航天员搜索救援能力;开展多领域的空间应用及实验;综合评估考核工程各系统执行空间站任务的功能和性能,进一步考核各系统间的匹配性和协调性,为后续任务积累经验。6月17日15时54分,神舟十二号采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口,与天舟二号货运飞船一起构成三舱(船)组合体,对接过程历时约6.5小时。对接成功后,航天员乘组从返回舱进入轨道舱。按程序完成各项准备后,先后开启节点舱舱门、核心舱舱门,17日18时48分,聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站。后续,航天员乘组将按计划开展相关工作。
中国载人航天工程“三步走”发展战略
图12.神舟十二号载人飞船与天和核心舱自主快速交会对接
中国载人航天工程“三步走”发展战略
图13.神舟十二号航天员出征仪式在酒泉卫星发射中心举行,航天员聂海胜(中)、刘伯明(右)和汤洪波准备出征
  3名航天员在轨期间将主要完成四个方面的工作,计划开展两次出舱活动及舱外作业。这四项主要任务:一是要开展核心舱组合体的日常管理,包括天和核心舱在轨测试、再生生保系统验证、机械臂测试与操作训练,以及物资与废弃物管理等;二是要开展两次出舱活动及舱外作业,包括舱外服在轨转移、组装、测试,开展舱外工具箱的组装、全景摄像机抬升和扩展泵组的安装等工作;三是要开展空间科学实验和技术试验。进行空间应用任务实验设备的组装和测试,按程序开展空间应用、航天医学领域等实(试)验,以及有关科普教育活动;四是要进行航天员自身的健康管理。按计划开展日常的生活照料、身体锻炼,定期监测、维持与评估自身健康状态。他们将驻留空间站约3个月,后乘飞船返回舱返回。
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图14.航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波
  2021年7月4日8时11分,刘伯明开启天和核心舱节点舱舱门,并与汤洪波身着新一代“飞天”舱外航天服先后成功出舱,并完成在机械臂上安装脚限位器和舱外工作台等工作。12时许,他们协同完成空间站舱外全景相机抬升操作。舱内的指令长聂海胜配合支持两名出舱航天员开展舱外操作。乘组密切协同,圆满完成出舱活动期间全部既定任务,包括相关设备组装、全景相机抬升等任务,首次检验了新一代舱外航天服的功能性能,首次检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性,为空间站后续出舱活动的实施奠定了重要基础。下午14点57分,刘伯明、汤洪波返回核心舱。此次出舱活动历时约7小时,标志着我国空间站建造阶段航天员首次出舱活动取得圆满成功。
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图15.航天员刘伯明出舱场面
  在中国载人航天工程第一、第二阶段,共计选拔了两批共计16名航天员。为支持空间站长期运行任务,2020年10月第三批航天员选拔工作结束,共有18名预备航天员(含1名女性)最终入选,包括7名航天驾驶员、7名航天飞行工程师和4名载荷专家,其中航天飞行工程师和载荷专家两个类别是首次选拔。
  航天驾驶员和航天飞行工程师主要负责直接操纵、管理航天器,以及开展相关技术试验。载荷专家主要负责空间科学实验载荷的在轨操作。航天驾驶员在空军现役飞行员中选拔,航天飞行工程师在从事航空航天工程及相关领域专业的工程技术人员中选拔,载荷专家在载人航天工程、空间科学研究及应用领域的科研人员中选拔。这项工作2018年5月启动,经过初选、复选、定选三个阶段,从约2500名候选对象中选拔出符合条件的18名预备航天员。在经过系统的训练后,他们将参加空间站运行阶段的飞行任务。
  2022年空间站建成后,随后将投入正常运营,开展空间科学研究和实验任务,促进中国空间科学研究进入世界先进行列。中国空间站规模适中,可以满足重大科学研究项目的需要,而扩展能力的设计将使我们能根据科学前沿的发展需求,提供更为强大的支持能力。
  中国空间站建设瞄准掌握空间站建造技术,建造有中国特色、时代特征的空间站。中国载人航天发展将进入探索科学前沿、开发空间资源、造福人类社会的新阶段。中国空间站还将为全球科学家提供科学研究和实验的机会,满足人类空间探索及空间资源利用等科研需要。
  2016年以来,中国面向所有联合国成员国征集有意搭载到中国空间站的合作实验项目,目前,已遴选出来自17个国家的9个项目。在中国空间站建成后,将会看到中外航天员联合参加中国空间站的飞行。届时中国空间站将充分彰显它的国际性。
  (作者:航天科普研究者 里程)
本文来自:中国数字科技馆
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