天宫一号_二级导航

中国载人航天路线图

1998年,中国在酒泉建成载人航天发射场,采用了垂直总装、垂直测试、垂直运输等先进技术。

2008年,神舟七号火箭成功实施航天员出舱活动,这是中国载人航天工程第二阶段的第一个成果。

中国载人航天工程又称921工程,1992年9月21日原中共中央总书记、国家主席江泽民召开中央政治局常委会议,通过决策正式实施中国载人航天工程,并确立了中国载人航天“三步走”的发展战略,这一战略确定了中国2020年前的航天发展目标。

中国载人航天“三步走”发展战略

“三步走”战略的第一步是发射载人飞船,突破载人航天飞行技术,建成初步成型配套的载人飞船系统,并据此开展空间实验。这一阶段主要目标在于载人飞船的发射。

“三步走”战略的第二步是载人飞船发射成功后,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,建造发射短期有人照料的空间实验室,进行一定规模的空间应用。这一阶段将掌握航天器交会对接技术,突破航天员中期驻留、航天器低轨道长期自主飞行、货运飞船补给等关键技术,还将为未来的大型空间站验证突破再生式生命保障系统的技术。

“三步走”战略的第三步是建造大型永久性空间站,解决较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。这个阶段中国将发射20吨级的空间站核心舱和实验舱,在近地轨道上对接组装,发射载人飞船和货运飞船支持航天员长期驻留空间站,开展大规模的空间应用。

天宫一号发射处于工程第二阶段

目前,随着神舟六号飞船在05年成功发射并返回地面,中国载人航天工程的第一阶段已圆满结束。08年,神舟七号发射并实现航天员出舱活动,标志着工程第二阶段的开始。今年天宫一号空间实验室发射、并将与神舟八号飞船进行空间交会对接试验,这仍属于工程的第二阶段。按照已知的规划,”三步走“战略的第二阶段还将发射天宫二号、天宫三号实验室,并发射多艘神舟系列无人/载人飞船、货运飞船与其对接。

天宫一号主要用于验证空间交会对接技术

“天宫一号”空间实验室在组装厂房时的视频截图,图中“异体同构”对接机械机构清晰可见。

中国航天业内将天宫一号称为“目标飞行器”,它实际上是天宫系列空间实验室的原型。与天宫二号、三号相比,天宫一号主要用于技术验证、基本不会承担空间科学试验任务,所以业内仅将其称为“目标飞行器”。但为了对整个工程规划表述更清楚,我们在文章里仍直接将其称为“空间实验室”。

天宫一号的组成

天宫一号空间实验室长10.4米、最大直径3.35米、重量约8.5吨,采用两舱结构,分别是实验舱和资源舱。实验舱本体分为前锥段、圆柱段和后锥段;密封的前锥段和柱段为航天员短期驻留提供了在轨生活工作空间,可容纳3名航天员生活;后部非密封的后锥段安装再生生保设备;在前锥段前部还装有空间交会对接设备。资源舱则包括发动机和电源装置等,外部安置太阳翼,用于提供轨道与姿态控制、电力能源供应、热控环控。天宫一号目标飞行器将使用折叠式的5片太阳能电池板,这是中国中低轨道航天器最复杂的太阳翼设计。

天宫一号的任务

根据现有报道,天宫一号将由长征2F火箭发射,轨道高度约400千米,轨道倾角约42~43度,属于低轨航天器。这次天宫一号发射,最重要的任务是验证空间交会对接技术。天宫一号上的交会对接设备由上海航天技术研究院研制,包括测量系统、对接机械装置等。天宫一号在交会对接过程中属于“目标飞行器”,上面的测量设备包括信标、应答器、通讯设备,帮助神舟八号无人飞船等“追踪飞行器”上的微波雷达、激光雷达和目视光学瞄准器完成捕获和对准。神舟飞船会逐步靠近天宫一号,当两者距离为零时,两者的对接机械装置会连接起来,成为一个组合飞行体。

神州八号与天宫一号对接飞行一段时间后,还将与天宫一号分离、返回地面。天宫一号继续完成低轨道长期自主运行的技术试验,为以后的空间站建造积累经验。天宫一号的在轨寿命是2年,在神八之后,中国还会发射神舟九号、十号飞船与天宫一号对接,继续积累空间交会对接经验,神舟九号、十号还可能是载人飞船,实施载人对接。在达到2年设计寿命后,天宫一号将执行主动离轨机动,再入大气层安全销毁。

天宫二号与天宫三号

天宫系列空间实验室将与多艘神舟载人飞船进行交会对接,为未来大型、长久空间站进行技术积累。左为天宫系列空间实验室、右为神舟飞船。

在天宫一号完成任务后,中国载人航天工程还将发射两个空间实验室,分别为天宫二号和天宫三号。它们将仍然运行在高度400公里、倾角42~43度的近地轨道上,这主要是为了适应酒泉发射中心的发射轨道。天宫二号、三号空间实验室将于五艘飞船进行交会对接,包括天宫二号时期的两艘载人飞船和天宫三号时期的两艘载人飞船与一艘货运飞船。

天宫二号的组成结构应该与天宫一号类似,在实验舱里新增空间科学实验设备,进行多种空间科学实验。天宫三号要与货运飞船对接,在资源舱后端会增设与货运飞船对接的装置。另外,未来大型空间站的核心舱带有一个对接舱,所以天宫二号或天宫三号也可能带有对接舱,进行先行测试。

天宫二号的任务

天宫二号空间实验室将主要开展地球观测、空间科学观测和航天医学等应用与实验,同时伴星二号也将在天宫二号飞行期间进行各项空间飞行实验。在基础科学研究方面天宫二号还将展开国际合作,搭载与瑞士、法国和波兰合作研制用于γ射线暴、γ射线偏振测量的POLAR探测器。

天宫三号的任务

天宫三号空间实验室将主要用于验证再生生保技术,同时还将使用货运飞船进行在轨补给燃料试验,延长天宫三号空间实验室的寿命。突破再生生保长时间运行的关键技术,外加轨道寿命的延长,航天员在天宫三号将验证中期在轨驻留能力,开展更多的空间应用和科学试验,尤其是航天医学实验,研究失重对于人体生理系统的影响。

新的货运飞船大致上是以天宫系列空间实验室为基础,通过保留资源舱,将实验舱改为加压、非加压货舱,将在海南文昌发射场使用新的长征2F/H火箭进行首次发射。我们在后面的文章还会详细介绍。

前苏联礼炮系列小型空间站

第一代礼炮四号空间站,与右图的礼炮七号相比,太阳能电池帆板数量较少、电力供应有限,也缺乏与货运飞船对接的对接口。

前苏联第二代小型空间站礼炮七号与联盟飞船对接,与第一代相比其增加了一个与货运飞船对接的对接口。

天宫系列空间实验室实际上是一种单体、小型空间站,主要是为2020年建造大型、长期有人照料空间站进行技术积累。中国载人航天工程的“三步走”规划与前苏联的载人航天发展思路非常相似,与天宫系列空间实验室对应的是礼炮系列小型空间站。前苏联从1971年到1982年共发射了七个礼炮号空间站,分别编号为礼炮一号和礼炮七号。

礼炮一号至礼炮五号

礼炮一号空间站由轨道舱、服务舱和对接舱组成,全长12.5米,最大直径4米,全重18.5吨,可容纳6名航天员。礼炮一号空间站在太空运行了175天,不过礼炮一号的试验并不顺利,联盟10号飞船对接失败,航天员没能进入空间站。联盟11号飞船成功对接并进入空间站,工作生活了23天,进行了一系列医学和科学试验,可惜联盟11号的三名航天员在返回地面时遇难,直到1980年联盟飞船和航天服进行了改进后,苏联才恢复一次三人的空间站飞行。

后继的礼炮系列空间站同样故障多多,1973年4月4日发射的礼炮2号空间站入轨后不久空间站减压,姿轨控系统也出现故障,随后不久解体再入,轨道飞行时间仅有54天。1974年6月25日发射的礼炮三号空间站在轨运行了213天,其中联盟14号飞船成功对接并飞行15天,不过联盟15号又对接失败。礼炮四号空间站运行了770天,其中两批航天员共生活了92天。礼炮五号空间站运行了412天,其中两批航天员共生活了67天,还有一次联盟23号飞船对接失败没能进入空间站。

礼炮六号和礼炮七号

苏联第二代小型空间站包括礼炮六号和礼炮七号,这两座空间站进一步提高了安全性和可靠性,并提高了寿命并增加了空间应用与科研项目。第二代空间站还具有两个对接口,一个用于联盟系列载人飞船对接,另一个用于货运飞船对接,不过受质子火箭运力限制,第二代的礼炮六号和七号空间站质量仍为19吨左右。礼炮六号在轨飞行了1764天,与17艘联盟载人飞船和12艘进步货运飞船进行了对接,1981年礼炮六号还和宇宙1267号大型货运飞船进行了对接,此外礼炮六号空间站飞行期间还进行了3次出舱操作(EVA)。礼炮七号空间站轨道飞行时间3216天,进行了13次EVA操作。

苏联通过礼炮系列空间站的实际运行,积累了航天器长时间在轨操作、航天员中期驻留等经验,进行了大量的空间观测、地球遥感和生物医学实验,还进行了空间冶炼等科学试验,取得了一系列成果。

美国天空实验室

在小型单体空间站方面,美国只发射了一个天空实验室。但天空实验室利用土星5号火箭的第三级箭体改造而成,全长36米、最大直径6.7米,重达77吨,是前苏联礼炮空间站的3倍多、天宫一号的9倍。

对比苏联在空间站上的巨额投入和积极发展,美国在20世纪70年代结束阿波罗项目后,预算削减同时投入重点转向航天飞机项目,天空实验室的发展仅仅是废物利用的成果,但对比空间站项目的进度和能力,美国同期在空间站技术上仍然领先于苏联。

天空实验室源自1966年提出的土星S-IVB级箭体试验模块(SSESM,Saturn S-IVB spent-stage experiment support module)方案,用土星5号火箭的第三级箭体改造为空间站主体,SSESM在竞争中落败于载人轨道实验室(MOL)方案,但1969年MOL取消。由于阿波罗18到20任务的取消,NASA空余出三枚土星5号火箭,于是SSESM借机还魂为“天空实验室”。天空实验室全长36米,最大直径6.7米,质量约77吨,包括轨道舱、气闸舱、对接舱、太阳望远镜。1973年5月14日天空实验室使用土星INT-21火箭发射进入高度为435千米的近地圆轨道。1973年5月25日、7月8日和11月16日美国分别进行了三次阿波罗飞船发射均成功与天空实验室对接,每次任务三名航天员,三次任务中九名总计在空间站生活171天。1974年2月8日第三次天空实验室飞行任务的航天员着陆,此后天空实验室关闭。

虽然NASA曾计划使用航天飞机为天空实验室加注燃料重启空间站,但由于大气阻力超过预期,1979年天空实验室提前坠落。天空实验室进行了大量天文、遥感和航天生物医学实验,它拍摄了大量太阳活动照片,科霍切克彗星的观测是人类首次大气层外亲眼观看到了彗星。

中国载人航天的精打细算

虽然借鉴前苏联空间站的发展路线,但中国载人航天计划并没有太空竞赛和军事应用的迫切压力,因此更为注重费效比,发射规模远小于苏联礼炮空间站时代,但天宫一号到三号仍会达到同样的工程技术能力。中国航天在载人航天项目上可以说是精打细算,尤其是货运飞船仅有一次实际发射,大大提高了对任务成功率的要求。

由于中国尚无苏联质子火箭级别的大型运载火箭,天宫系列航天器质量被限制在8吨级,这固然逼迫中国航天人采用一系列新技术新工艺,提高集成度和先进性,也反映了中国火箭运载能力不足的无奈。美国天空实验室尽管是基于S-IVB箭体的再利用,但在各方面功能上远不是天宫系列所能比拟的。天宫系列功能上唯一的优势是天宫三号类似礼炮六号具备两个对接口,而天空实验室是试验性空间站,只有一个对接口。

中美苏4种典型单体式空间站的同比例尺寸和一些基本数据的比较。可见中国“天宫一号”的尺寸要远远小于美苏早期空间站,仅与美国“天宫实验室”的载人摆渡工具——阿波罗号飞船尺寸相仿。这与电子技术发展,作为后来者的天宫一号提高了设备集成度、先进性有关,可以有效降低整个项目的制造和发射费用;但在巨大的尺寸差距前提下,人员居住条件、实验设备安装空间等性能相对也会有差距。

结语

天宫系列空间实验室实际上是一种类似前苏联礼炮系列的小型、单体空间站,承担着为2020年前后建设大型、多舱段空间站进行技术积累的任务。与上世纪70年代的礼炮项目相比,天宫系列空间实验室的发射数量、发射质量均不到礼炮空间站的一半,这得益于技术的进步和中国航天人的精打细算。

尽管中国载人航天技术与美俄还有很大差距,未来发展是否顺利也未可知,但中国航天人通过扎实谨慎的工作、努力以最小的投入获得最多的经验,这种工作态度和方法是值得赞赏的。(文/张雪松 黄治茂)

天宫寻梦系列策划专题

网友评论