? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?走進(jìn)天宮：5年后，亞軌道太空旅游有望成為現(xiàn)實?
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2021-07-02 來源：中國新聞周刊 作者：杜瑋
6月17日，聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員乘坐神舟十二號載人飛船順利升空，開啟了中國空間站建造的首次載人飛行。為期3個月的太空遨游，也將是迄今為止中國宇航員在太空最久一次的駐留。
4月29日，天和核心艙的發(fā)射拉開了中國空間站建造的大幕。今明兩年內(nèi)，還會有9名航天員到訪空間站，3艘貨運飛船發(fā)射，中國總計將接續(xù)實施 11 次飛行任務(wù)。
空間站，相當(dāng)于人類的太空家園。這里每90分鐘能看到一次太陽起落，工作生活都要在失重條件下進(jìn)行?？臻g站建設(shè)的一個重要目的在于開展大規(guī)?？臻g科學(xué)和技術(shù)實驗、空間應(yīng)用等。這是一種在近地軌道長時間運行、可以滿足航天員長期在軌生活、工作及地面航天員尋訪的航天器，代表著當(dāng)下航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進(jìn)的科技成果。
60年前，蘇聯(lián)用世界上第一個載人航天器——“東方1號”飛船，把加加林送上太空。10年后，又發(fā)射了世界上第一座空間站——“禮炮1號”。國際空間站于1990年代開工建設(shè)，2010投入使用。相比之下，中國空間站的起步并不算早。中國載人航天工程始于1992年，分“三步走”戰(zhàn)略，建造空間站即為第三步。
負(fù)責(zé)此次空間站主要研制的航天科技集團(tuán)五院空間站任務(wù)總設(shè)計師楊宏說，“中國空間站是處于后發(fā)。很多技術(shù)在發(fā)展，所以我們的建造周期是可以大大壓縮”，吸取了之前國外空間站的經(jīng)驗和教訓(xùn)，可以最大限度降低組裝、建造和運營成本，最大程度去支持科學(xué)實驗。
全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩則向《中國新聞周刊》指出，中國空間站建造雖然起步晚，但起點高，規(guī)模雖不大，但經(jīng)濟(jì)適用性較高，已達(dá)到世界第三代空間站水平，建造空間站運用的一些技術(shù)處于國際先進(jìn)行列。
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不比規(guī)模比效益?
世界范圍內(nèi)，空間站的發(fā)展有著較為清晰的分割線。航天專家、北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新對《中國新聞周刊》分析說，空間站大體可以分為兩種，單艙結(jié)構(gòu)和多艙結(jié)構(gòu)。從1971年到1976年蘇聯(lián)發(fā)射的“禮炮1號”到“禮炮5號”空間站，均屬于單艙結(jié)構(gòu)，即一個艙體，屬第一代空間站。中國此前發(fā)射的天宮一號和天宮二號兩個空間實驗室也可以視作單艙結(jié)構(gòu)空間站，但重量比“禮炮號”空間站要輕。
從1970年代末到1980年代初，美國與蘇聯(lián)分別發(fā)射的天空實驗室和“禮炮6號”“禮炮7號”空間站為第二代空間站。它們同樣是單艙結(jié)構(gòu)，但有兩個接口，意味著能對接更多航天器，有擴(kuò)展可能性。1986年，蘇聯(lián)的“和平號”空間站升空，這是第三代空間站代表，多艙結(jié)構(gòu)，或更形象理解，其可稱之為組合式、積木式的空間站?！昂推教枴笨臻g站有著1個核心艙和5個實驗艙，5個實驗艙都通過核心艙上的接口像堆積木一樣，與之緊密結(jié)合。
中國的天宮號即屬于第三代空間站。4月29日，核心艙率先發(fā)射升空，這是空間站的指揮控制中心，也是航天員們長期駐留的地方。核心艙共有3個對接口和兩個側(cè)向停泊口。明年問天實驗艙I和夢天實驗艙II發(fā)射后，將先與核心艙前向?qū)樱笤谵D(zhuǎn)位裝置作用下，移至停泊口，空間站整體形成“T字構(gòu)型”。兩個實驗艙均為開展大規(guī)模實驗的支持艙段。
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第四代空間站的代表為有史以來最大規(guī)模、被稱為“巨無霸”航天器的國際空間站。從外部看，國際空間站就像一個個巨大汽水罐，首尾相連在一起。由美俄主導(dǎo)，日本、歐洲、加拿大航天局參加，16個國家共建和運行。與第三代空間站相比，最明顯的特點是增加了與美俄等國艙段垂直、長達(dá)109米的桁架，簡單說，這就相當(dāng)于一個大梁，便于安裝各類設(shè)備。
國際空間站最顯眼的裝備就是安裝在桁架上四對閃著金光的、耀眼的太陽能電池翼。龐之浩說，國際空間站相當(dāng)于桁架式和積木式的“混血兒”，采用桁架式的優(yōu)點在于排列的太陽能電池翼可以對空間站集中供電，整體結(jié)構(gòu)形成的較廣闊空間和視野，也使得吸收太陽能時不易被遮擋。各國艙段間并不那么緊湊，便于各自安裝、維修設(shè)備。但桁架式結(jié)構(gòu)構(gòu)建起來較復(fù)雜，需要大量太空行走才能完成，成本也較高。過去20年來，國際空間站建設(shè)成本超過1500億美元。
與現(xiàn)在正在運行的國際空間站相比，未來建設(shè)完成的中國空間站總重量要比它輕，規(guī)模沒有它大，楊宏對此解釋說，不比規(guī)模比效益，中國空間站的效益比國際空間站要高。
“比如，從重量占比來看，我們科學(xué)實驗所用到的設(shè)備重量比起整站重量的占比，相對來講是比較優(yōu)的?！苯咕S新對《中國新聞周刊》說，國際空間站重量達(dá)420噸，這一“龐然大物”長、寬投影到地球上的面積相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)足球場的大小，接近8000平方米；中國空間站以1個核心艙和兩個實驗艙來計算，其面積也就只有幾百平方米。國際空間站中，美俄日及歐洲航天局各有一個主要用于開展實驗工作的實驗艙，其真正用于實驗的艙體占整個空間站重量比不到20％。
天宮號空間站除了兩個實驗艙，核心艙也可以開展部分實驗工作，從重量來看，中國空間站至少有三分之二用于科學(xué)實驗。由于國際空間站是各國艙段的一個聚合體，各艙段彼此連接要依靠節(jié)點艙，而俄羅斯艙段又包括“星辰”號服務(wù)艙、曙光號功能貨艙等多個艙體，也就是說，國際空間站中包含了多個節(jié)點艙這樣的附帶結(jié)構(gòu)。龐之浩說，國際空間站因為是各國搭建自己的艙體，因此在協(xié)同、一體化的考量及效率上比不上中國空間站。
一個例子是，在2001年，在美國將“尋求”號氣閘艙連接至國際空間站前，俄羅斯航天員只能在自己的“星辰”號服務(wù)艙內(nèi)穿戴航天服，美國航天員只能在有航天飛機(jī)?？康那闆r下，在航天飛機(jī)里穿戴航天服。氣閘艙是航天員出艙活動前穿戴航天服的場所。
龐之浩解釋說，目前，位于天和核心艙最前端的節(jié)點艙將發(fā)揮氣閘艙的作用，其上方有一個出艙口。未來的問天實驗艙也將配有供航天員實施出艙作業(yè)的專用氣閘艙。夢天實驗艙則具備載荷自動進(jìn)出艙能力，配有貨物進(jìn)出專用的氣閘艙。未來隨著需求增長，天宮空間站規(guī)模也或?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展。“現(xiàn)在是‘T’字形，根據(jù)需要可擴(kuò)展成一個‘干’字形，即再增加一個核心艙，發(fā)射兩個實驗艙?！?/strong>龐之浩說。
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“三室兩廳”
對于在這一組合體上長期駐守的人們來說，有著盡可能寬敞舒適的工作生活空間，保持健康體魄，是應(yīng)對太空每天未知挑戰(zhàn)的必備要素。
比起重量分別為8.5噸左右的天宮一號、天宮二號實驗室，天和核心艙已經(jīng)是目前中國最大的航天器。其全長16.6米，長度超過五層樓高度，最大直徑為4.2米，比火車的車廂還要寬不少，體積比國際空間站任何一個艙位都大。神舟七號飛船上航天員的活動空間大概是7立方米，天宮一號的這一數(shù)字約為15立方米，天和核心艙是50立方米，再加上未來兩個實驗艙，整體能達(dá)到110立方米。如果把神舟飛船比作一輛轎車，天宮一號和天宮二號就相當(dāng)于一室一廳的筒子間，空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間。
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在失重環(huán)境下，空間站里最常見的場景是貨包、物體在艙內(nèi)四處飄移，你不知道它將落腳何方。楊宏說，國際空間站上已有100多件物品找不到了。宇航員斯科特?凱利曾4次往返天地間，在國際空間站連續(xù)生活340天，與哥哥一起參加了美國宇航局（NASA）雙胞胎火星實驗計劃。他在2020年出版的、記錄2015年國際空間站之旅的《我在太空的一年》一書中這樣寫道：由于沒有重力，很多東西我會抓不住，因此物品經(jīng)常亂丟。地面人員經(jīng)常發(fā)的電子郵件中，就有丟失物品的公告。我們當(dāng)中，偶爾會有人找到已經(jīng)丟失多年的工具或部分設(shè)備。丟失物體重新被找到的最長紀(jì)錄是8年。空間站經(jīng)常發(fā)生這種情況：一些食物從我們身邊溜走，并在幾天后成為另一個人意想不到的零食。有人吃了一些以為是糖果的東西，過了很久以后，才意識到其實是垃圾。
借鑒國內(nèi)物流巨頭先進(jìn)的貨物管理技術(shù)，中國空間站建立了一套物流管理系統(tǒng)，航天員能夠通過掃描二維碼的方式，識別貨物位置和產(chǎn)品信息，并對產(chǎn)品庫存數(shù)量做到動態(tài)掌控。
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在國內(nèi)航天器首次運用的再生生命保障系統(tǒng)也是天宮空間站的一大亮點。此前國內(nèi)航天員駐留太空時，水和氧氣是從地面帶上去的。這一次，天宮會采用國際空間站里常用的方式——航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄尿液也會回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。電解水產(chǎn)生氧氣和氫氣。多余的氫氣與航天員呼出的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，再進(jìn)一步產(chǎn)生氧氣，這也能夠降低氧氣補給需求。焦維新對《中國新聞周刊》說，從經(jīng)濟(jì)角度看，這是更劃算的方式。運送到地球近地軌道，每公斤有效載荷的“快遞”成本為兩萬美元。
從生命安全和健康角度，這一套系統(tǒng)也有著重要意義。當(dāng)空間站艙體中二氧化碳濃度過高，會讓人頭痛、眼睛灼熱，有壓迫感，認(rèn)知功能敏銳性下降。尤其在貨運飛船不能按時飛抵，物資短缺，艙內(nèi)有多位宇航員停留的情況下，這樣的困境將更為緊迫。
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機(jī)械臂和電池翼
機(jī)械臂是這次航天員升入太空要驗證的關(guān)鍵技術(shù)，同時是航天員出艙工作的得力助手，其酷炫的抓取能力引發(fā)了業(yè)內(nèi)的關(guān)注。
機(jī)械臂長10.2米，位于小柱段下方待命，有7處關(guān)節(jié)、兩處末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，7自由度，可承載25噸重量。其抓取過程有點像人們玩的抓娃娃機(jī)，只不過抓取對象是天價的、以不可思議速度運行的飛行器。所謂7自由度，焦維新解釋說，意味著機(jī)械臂有著和人手臂一樣的靈活度。兩處末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，更通俗的理解是相當(dāng)于人的手。在空間站艙體表面，遍布著目標(biāo)適配器，為機(jī)械臂落腳、與艙體連接的接口。當(dāng)一處末端與艙體連接時，整個手臂可以揮舞起來。
兩末端交替與接口連接，機(jī)械臂就在艙體表面爬行。機(jī)械臂肘部和腕部還配有相機(jī)，能觀察艙體表面狀態(tài)和監(jiān)視外來飛行器，數(shù)據(jù)和信息將通過與目標(biāo)適配器的連接傳回艙內(nèi)，機(jī)械臂的供電也依靠與接口的連接來完成。
機(jī)械臂的功能不止于此。當(dāng)航天員艙外作業(yè)點距離出艙口較遠(yuǎn)時，機(jī)械臂可以充當(dāng)“擺渡車”的角色，航天員站在與機(jī)械臂末端相連的平臺上，由機(jī)械臂送往作業(yè)面，這比單純太空行走效率要高得多。機(jī)械臂還能捕獲、抓取來訪飛行器，當(dāng)兩個實驗艙抵達(dá)時，機(jī)械臂就要與兩個實驗艙上配置的轉(zhuǎn)位機(jī)械臂共同作用，助力實驗艙完成轉(zhuǎn)位、與核心艙的對接。
如果覺得這支機(jī)械臂還不夠長，問天號實驗艙I還配有一支小機(jī)械臂，長5米，承重3噸，這兩支機(jī)械臂聯(lián)合，將組成一支長達(dá)15米的機(jī)械臂。夢天實驗艙將在艙外布置一些暴露實驗設(shè)施，機(jī)械臂可以充當(dāng)搬運工。焦維新說，機(jī)械臂還能發(fā)射小衛(wèi)星。當(dāng)貨運飛船送來小衛(wèi)星時，機(jī)械臂將其抓住，再甩到空中去，這樣就可以節(jié)省用火箭發(fā)射衛(wèi)星的成本。
去年，一部美國政治喜劇中有中國空間站機(jī)械臂剪美國人造衛(wèi)星電池板的橋段。對此，焦維新解釋說，這是不可能的，中國機(jī)械臂能捕獲其他國家飛行器的前提在于彼此有相同的接口。機(jī)械臂技術(shù)的未來應(yīng)用前景，是用于探月、探測火星過程中的采樣、抓取、移動等。
空間機(jī)械臂最早由加拿大SPAR公司設(shè)計研制，從1980年代起就安裝在美國航天飛機(jī)上，被稱為加拿大機(jī)械臂，長約15米，具有6個自由度，只有一個末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)。
國際空間站的美國艙段，安裝的是由加拿大MDA公司研制的加拿大機(jī)械臂2系統(tǒng)。由6自由度演變而來、雙末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)的7自由度機(jī)械臂，長17.6米，最大承重載荷達(dá)110噸。
在國際空間站上，日本和俄羅斯艙段分別有各自的機(jī)械臂，前者6個自由度，最大載荷量7噸，后者有7自由度，載荷量8噸，承重力都不如中國。龐之浩說，雖然關(guān)于中國機(jī)械臂和加拿大機(jī)械臂2系統(tǒng)操控的精細(xì)度還有待進(jìn)一步比較，但至少可以說，中國空間站的機(jī)械臂技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
中國空間站在軌運行時間至少10年，核心艙設(shè)計壽命達(dá)15年。為保持其長時間在軌運行，需要給其穩(wěn)定供能。太陽能是目前太空中唯一可用的能源。當(dāng)天和核心艙上空后，40分鐘內(nèi)，10年壽命期、作為中國空間站最大艙外產(chǎn)品的太陽能電池翼逐步展開。
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這是國內(nèi)首次采用大面積柔性太陽能翼作為航天器能量來源。這一“太空電站”電池翼位于核心艙小柱段。數(shù)節(jié)伸展機(jī)構(gòu)依次向外逐漸推出，帶動太陽翼完全展開，像手風(fēng)琴被緩緩拉開。太陽能電池翼有多次展收性能，其在軌可至少開展20次展收動作。
柔性太陽能電池翼的另一大特點在于輕，展開面積大，發(fā)電功率與重量比值高。單側(cè)翼展開達(dá)67平方米，全部收攏后只有一本書的厚度，僅為傳統(tǒng)剛性太陽翼厚度的 1/15，能量轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到30％。傳統(tǒng)硅材料的剛性太陽能翼的轉(zhuǎn)化率只有14％。天和空間站單翼太陽能發(fā)電量就能達(dá)到9千瓦，兩組太陽電池翼在初期發(fā)電能力超過18千瓦，供整個艙體使用，同時也為蓄電池儲能。空間站運行到太陽無法照射的陰影區(qū)時，供電就要依靠鋰離子蓄電池。
國際空間站太陽能電池翼一度是剛性太陽能板的代表。從2000年第一對太陽能翼安裝算起，迄今已經(jīng)服役20年。此次更換的同樣是柔性太陽能電池翼，光電轉(zhuǎn)化率也達(dá)到30％。
航天科技集團(tuán)八院相關(guān)負(fù)責(zé)人稱，中國空間站太陽能電池翼具備的重復(fù)展收技術(shù)、整體更換技術(shù)、柔性電纜傳輸技術(shù)等，都已接近或超越國際空間站的太陽電池翼的技術(shù)體系。
走向航天強(qiáng)國
建設(shè)空間站的一大目的是使之成為國家太空實驗室，獲取重大科研和應(yīng)用成果。2019年4月發(fā)布的《中國空間站科學(xué)實驗資源手冊》中提到，空間站共規(guī)劃安排了航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、空間天文與天體物理學(xué)等11個空間科學(xué)與應(yīng)用研究方向，并依據(jù)這些方向部署十多個科學(xué)實驗柜，另外還有7個空置的實驗機(jī)柜。2019年6月，中國載人航天工程辦公室還和聯(lián)合國外空司聯(lián)合發(fā)布了9項開展國際合作的實驗項目。在微重力條件下，可以開展很多實驗，比如說研制更精準(zhǔn)的原子鐘，可以使得未來的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，進(jìn)行蛋白質(zhì)晶體分析，組裝多肽藥物等。
中國空間站體系中還有個大家伙——巡天空間望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計2024年前后投入運行。這是一套口徑兩米，分辨率與哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，視場角是哈勃的300多倍的“宇宙天眼”。如果在軌10年，可對百分之四十以上天區(qū)進(jìn)行觀測。巡天空間望遠(yuǎn)鏡在巡天相機(jī)上安置了30塊探測器，總像素達(dá)到25億。其中18塊探測器上設(shè)置有不同的濾光片，可獲得宇宙天體在不同波段的圖像；另外12塊則用于觀測無縫光譜，每次曝光可獲得至少1000個天體的光譜信息。
焦維新說，巡天望遠(yuǎn)鏡將以置入一個光學(xué)艙的形式單獨發(fā)射升空，并且將與天和空間站共軌運行。這樣做的好處是，當(dāng)巡天望遠(yuǎn)鏡需要維修、推進(jìn)劑補加和載荷設(shè)備升級時，就可以與空間站對接，單獨運行時，又不受其他艙體影響。如此，天和空間站成為一個服務(wù)其他飛行器的“太空母港”，這種形式是國際空間站沒有的。比起運行30年，需要承重20多噸的航天飛機(jī)5次專門上門維修的哈勃，巡天的模式既能滿足現(xiàn)實需求，也更經(jīng)濟(jì)。
航天員本身也是極為重要的科研對象，過去，比較著名的就是關(guān)于太空環(huán)境對于凱利和他雙胞胎哥哥馬克基因的影響的研究。凱利在書中說，在他多次往返太空和地球執(zhí)行飛行任務(wù)時，他的視力都會出現(xiàn)在太空期間惡化，返回地球后癥狀消失的現(xiàn)象。他仍在觀察著自己的視力，看是否會變得更糟?！叭绻L期太空飛行會嚴(yán)重?fù)p害宇航員視力，那么我們在到達(dá)火星之前，這是一個必須解決的問題。你不能讓一個看不清東西的宇航員試圖降落在一個遙遠(yuǎn)的星球上，駕駛飛船，操作復(fù)雜設(shè)備，還要探索星球表面。”他這樣寫道。
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實際上，空間站的建立正起著為探月、火星探測等深空探測提供技術(shù)驗證，經(jīng)驗積累的作用。美國國家航空航天局（NASA）在其官網(wǎng)這樣寫道：空間站是美國“阿爾忒彌斯”登月計劃的跳板，這是一個測試人類深空探索和未來火星任務(wù)的先進(jìn)技術(shù)平臺。
對于即將在2024年到期的國際空間站，NASA更主要的傾向是將其商業(yè)化，這也為太空旅行提供了土壤。2001年至2009年期間，共有7名旅客被送上太空，在國際空間站停留7至16天不等。
根據(jù)中國航天科技集團(tuán)運載火箭技術(shù)研究院2017年發(fā)布的《2017—2045年航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》：2025年前后，可重復(fù)使用的亞軌道運載器將研制成功，亞軌道太空旅游可成為現(xiàn)實；2030年前后，近地軌道百噸級運載能力的重型運載火箭將實現(xiàn)首飛，為載人登月提供支持，也為火星采樣返回提供充足的運載能力；2040年前后，未來一代運載火箭投入應(yīng)用；2045年，進(jìn)出空間和空間運輸?shù)姆绞綄⒊霈F(xiàn)顛覆性變革，天梯、地球車站、空間驛站建設(shè)有望成為現(xiàn)實。
焦維新對《中國新聞周刊》說，商業(yè)載人航天只是未來發(fā)展的一個方向。當(dāng)下最重要的是通過空間站建設(shè)，開展各類科學(xué)實驗。所有空間站本身建造技術(shù)的進(jìn)步也都是為科學(xué)實驗服務(wù)，要有原創(chuàng)、特色的成果和新的技術(shù)應(yīng)用出現(xiàn)，“這是我們的主要目標(biāo)，也是我們由空間大國變?yōu)榭臻g強(qiáng)國的根本方向”。