杂志汇太空探索

载人航天计划“三步走”

早在1992年，我国就确立了以建设空间站为目标的载人航天计划即921工程。这一计划分为三步，第一步是载人飞船阶段，目标是能够把航天员送到太空，正常运行若干天，并安全返回地球。人们都知道，这一任务早已完成。

第二步是空间实验室阶段，要解决航天器在近地轨道上的组装、交会对接、补给以及循环利用等四大技术难题。这些技术关系到未来空间站的组装、航天员在站上的生存等关键问题。天宫一号就是我国在第二步计划中为了解决交会对接问题而于2011年9月29日发射的一个目标飞行器，并与神舟八号无人飞船以及神舟九号、十号载人飞船成功进行了4次自动交会对接和两次手控交会对接。实践表明，通过对接它可以被改造成一个短期有人照料的空间实验室。空间交会对接技术是指两个航天器在轨道上会合并在结构上连成一个整体和在需要时还能及时分离的技术，已经广泛应用于大型空间设施在轨装配、回收、补给、维修以及空间救援等方面。直到目前为止，只有美、俄、中三国掌握了完整的交会对接技术。

对接技术成熟之后，就可以发射真正的空间实验室天宫二号了，目标是建成我国正式的空间实验室大系统。天宫二号的规模与天宫一号基本一致，是我国建造空间站之前进行技术验证的重要阶段，承担着承前启后的重要任务。

经过空间实验室阶段，就是第三步即建设主要由三个舱段组成的中国空间站了。空间实验室与空间站的明显区别在于前者只是阶段性地接待航天员入住，而后者要连续地有航天员驻守，开展多种科学实验和太空探测工作。

天上搭建实验室

天宫一号目标飞行器,重达8.5吨,全长10.4米，最大直径3.35米。其构造为两舱型,分别为前边的实验舱和后边的资源舱,使用寿命虽然定为2年，但是在距离地球343千米的高度上工作了4年半时间，乃系我国最长寿的近地轨道飞行器。实验舱由密封的前锥段、柱段和后锥段组成，活动空间15立方米，可用于3名航天员驻留期间的在轨工作和生活，其前端装有被动式对接机构、交会对接测量和通信设备,用于与神舟飞船的交会对接试验。在其外侧装有锅状的直径约1米的反射面中继天线，可以跟踪静止轨道上的中继卫星，能向地面传输数椐，同时能接收地面上传指令，使设备具备了工作状态遥测功能。资源舱内装有变轨和姿态控制火箭发动机，为目标飞行器提供动力，以调整轨道高度和运行姿态，两侧的太阳能电池板则为其提供电力。天宫二号与天宫一号在外观上基本相同，大小也一致，由此不难想象其形状。

天宫二号的质量虽然与天宫一号的平台相当，但是所携载荷发生了很大变化，增加了多项技术实验，在应用上有许多不同的功能，很多为空间站建设研发的新型设备，在今年的任务中都将进行测试。今年开展的大规模空间科学和应用实验，就达到了史无前例的14项，标志着我国载人航天将进入应用发展新阶段。天宫二号作为空间实验室，是小型空间站的雏形，最显著的特点是增加了推进剂补加系统，其储箱设计和天宫一号完全不同。在天宫二号上还安装了机械臂。

天宫二号与神舟十一号载人飞航对接之后，2名男航天员将完成长达30天的在轨驻留，而此前我国航天员在轨驻留的最长时间纪录是神舟十号任务创造的15天。这需要一套能够维护航天员生命健康，并且可以长期稳定运行的设备。此次天宫二号上搭载的环境控制与物理化学式再生生命保障系统，将对航天员进行30天的保障，接受较长时间的检验。环境控制系统就是为航天员们在飞行器内提供合适的温度、湿度、压力、氧气、水、食物、还有洁净的空气等这些基本的条件。物理化学式再生生命保障系统，就是将人产生的二氧化碳气、废水、尿液这些废物，进行物理化学的处理，让其循环再生、回收利用，除补充食物以外，能够实现航天员氧、水等物质的供应平衡。而在这一技术得到验证之后，还将突破下一步为航天员未来在空间站长期驻留的技术，难度也将大大提高。有关航天科技人员正在进行这方面的准备工作。在天宫二号上实验物理化学式再生生保技术的同时，还要进行从种子到种子的植物全生育发展过程的受控生态式再生生保技术实验。目前，计划种植水稻、拟南芥两种植物，考察长日照和短日照的不同生长情况，不仅为以后的继续实验积累经验，而且为未来太空探索需要航天员长期在太空生活做准备。这无疑是天宫二号空间实验室的一大亮点。

此次组合体飞行长达30天期间，对任务筹划提出了更高要求。北京航天飞行控制中心不光要完成轨道控制、上行控制等任务，还要配合航天员在轨期间组织天地协同，以及开展载荷试验、科普教育等活动。

此前天宫一号在距地面343千米的轨道上运行，绕地周期为2天；而天宫二号轨道距地面近400千米，重访周期约为3天，这一高度与将来大体量空间站运行的轨道基本相同，其轨道控制与任务组织模式也将更加接近于未来的空间站。以前完成轨道确定工作至少在一圈半到两圈以上，此次任务最短的要求在一圈之内完成，短弧段定轨对北京飞控中心提出了更高的精度要求。

天宫一号上只有电子邮件上行功能，而天宫二号增加了邮件下行能力。航天员在天宫二号舱内可以进行收发邮件操作，即航天员可向地面发邮件。或者说，这次任务，北京飞控中心将实现航天员和地面无障碍通信，传输速度可满足音频、视频发送需求，更有利于天地沟通。

天宫一号进行电测

检测天宫一号内部

对天宫一号进行出厂前的检测

为了确保升空后运行万无一失，北京飞控中心已在地面与天宫二号、神舟十一号及天舟一号建立无线通信链路，用真实的测控站和任务软件模拟了任务全过程，确保接口匹配，控制协同。这一联试过程比真实任务更为复杂，覆盖了各种应急控制分支。从飞船发射后的大气层外救生到应急返回，北京飞控中心对各类应急预案均进行了检验，已经完成了任务全态模式演练。这也是空间实验室和飞船出厂必须经历的一个环节。目前，该中心针对长征七号火箭首飞、天宫二号、神舟十一号、天舟一号等任务建立了多个型号任务团队，同步开展联调联试工作，为后续执行各项任务奠定了坚实基础。

即将升空的天宫二号空间实验室，将开展地球科学研究、空间应用新技术研究、生命科学研究、航天医学研究和基础物理实验研究等一些新的实验，是我国第一个真正意义上的空间实验室，发射时还要释放伴飞小卫星。

被寄予厚望的天宫二号将解决具有一定规模、短期有人照料的空间应用问题，科学家、航天员们将在里面展开各种工作和试验。借鉴天宫二号积累的经验，将来就可更有效地研制体积既大、可靠性又高的空间站的核心舱和实验舱，增加太空实验的项目和种类，为建成空间站奠定基础。

在空间实验室上还安排了天地量子密钥传输试验、激光通信试验等，这些项目大多是当前世界最前沿的探索领域，在信息安全方面有着广泛的应用前景。天宫二号将搭载全球第一台冷原子钟，利用太空微重力条件，稳定度高达10-16

。超高精度的原子钟是卫星导航等领域的关键核心技术。天宫二号还将携带三维成像微波高度计，能够在一个宽幅的三维海平面测量中，得到精度优于5厘米的测量结果，将海浪高低测量出来。天宫二号还将开展材料制备试验，研究纳米复合光学材料、高性能热电转换材料、高性能合金材料等。

天宫二号将携带国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器。这项中国与瑞士合作开展的“伽马暴偏振探测项目”是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分。天宫二号任务，计划以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，理解宇宙极端物理过程和规律，解答宇宙组成和演化，以期为在物理学基本理论上有所突破提供帮助。

黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩产生的。黑洞是宇宙空间内存在的一种密度无限大体积无限小的天体。黑洞的引力很大，使得视界内的逃逸速度大于光速。

其实黑洞并不黑，只是无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。一种新的认识是，双黑洞并合在产生引力波的同时，居然也可能产生伽玛暴。因此，用伽马射线暴偏振测量仪器即可探测黑洞的存在状态。

检测天宫一号

本次天宫二号的任务之一就是要把货运飞船纳入运营体系中，通过自动系统对实验室进行推进剂补给。这个主要是验证货物运输和推进剂在轨补加等空间站建造与运营的关键技术。在以后的空间站建造和运营中，货运飞船担负着重要的任务。

从外型上看天舟一号与天宫一号较为相象，但功能上却有很大不同。天舟一号由前面的货物舱和后面的推进舱构成，这是其最主要的两大部分，发射质量为13吨左右，上行货物运输质量大于6.5吨，下行运力为6吨左右。之所以有下行货物的需求，是因为实验室尤其是未来的空间站在长期运营过程中会产生垃圾，这些废弃物需要飞船携带返回，按照国际惯例最终在大气层中销毁。

货运飞船采用模块化设计，具有全密封货舱、半密封/半开放货舱、全开放货舱三种构型，可以把不同的载荷包括小型舱段运输上去，由航天员和机械臂将其装配到空间站上，是大型空间设施建造技术的巨大跨越。这要求我们掌握大型空间设施的建造技术和运营管理技术，具备强大的维护维修升级能力。

天舟一号在研制过程中也以俄罗斯的“进步”号货运飞船和欧空局的“自动货运”飞船为目标，解决了它们研制过程中的问题，为其高标准夯实了基础。其性能比前两者更为优越。天宫二号开展的大量实验和天舟一号的飞天，都是瞄准空间站运行模式进行的尝试。

届时将由长征七号基本型运载火箭执行发射天舟一号货运飞船的任务。长征七号今年在海南文昌发射场进行首次试射，以验证其性能。长征七号基本型火箭采用两级半构型，推进剂为液氧煤油，近地轨道运载能力将达到13.5吨，太阳同步轨道5.5吨。将来要发展为系列运载火箭，预计将逐步替代现有的长征二号、三号、四号系列火箭，承担我国80%左右的航天发射任务。在建成空间站之后，天舟号系列货运飞船均由长征七号运载火箭在文昌发射场进行发射。

2010年珠海航展上展出的中国空间站模型

长征七号是我国为配合载人航天工程发展的需要而研制的全新运载火箭，是我国新一代中型运载火箭的基本型号，它的投入使用，必将大幅提升我国航天进出空间的能力。

空间站由一个核心舱和两个实验舱组成，可以允许若干个航天员同时长期驻守太空，舱段吨位重达20吨以上。发射这样重的物体需要使用长征五号B大型火箭，由于火箭直径较大，无法通过铁路运输，所以用海路由天津大火箭基地运往新建成的海南文昌航天发射中心发射。同时，海南航天发射场靠近赤道，可较多利用地球部分自转速度，有利于增强火箭的运载能力。

在轨道上组装空间站一定要突破4项关键技术。换句话说，在建设中国空间站之前，必须掌握这些技术。首项就是太空行走技术，这已由神舟七号飞船完成。第二项就是空间交会对接技术，这已由神舟八号、九号、十号三艘飞船与天宫一号的空间飞行所突破。其他两项就是补给技术和再生式生命保障技术，这需要通过建设天宫二号空间实验室来掌握，用不着发射天官三号实验室了。因而经过空间实验室阶段，就为建设空间站积累了经验，可以迈出第三步了。

我国实施载人航天第三步工程的任务是，于2022年前后建成空间站，并向站上运送人员和补充物资，航天员能在站上开展多种科学实验并在必要时立即出舱完成维修等任务，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。建设空间站将运用近地轨道上的组合体的交会对接技术，掌握近地空间长期载人飞行和运营技术，有序开展较大规模的空间应用，为经济社会发展提供先进的空间技术平台。这体现了中国发展航天事业历来坚持地立足国情、自主创新、持续发展、敢于跨越的原则和中华民族不畏难险、锐意进取、大力协同、勇于攀登的精神风貌。

“十二五”期间，包括载人航天在内，我国完成了86次航天发射，任务密度史无前例，而97.7%的发射成功率，更是世界领先。从5月6日的CAST空间技术论坛上获悉，中国计划在2025年前后完成民用空间基础设施的88颗卫星布局。这88颗卫星分为遥感卫星、通信卫星、导航卫星三类，不包括此前已发射的卫星。同步建设中国空间站，必将更好地带动我国科技和经济更快地向前发展。