? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?走進天宮：5年后，亞軌道太空旅游有望成為現實?

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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，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。

空間站，相當于人類的太空家園。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行?？臻g站建設的一個重要目的在于開展大規(guī)?？臻g科學和技術實驗、空間應用等。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，代表著當下航天領域最全面、最復雜、最先進的科技成果。

60年前，蘇聯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，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。

負責此次空間站主要研制的航天科技集團五院空間站任務總設計師楊宏說，“中國空間站是處于后發(fā)。很多技術在發(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驗和教訓，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實驗。

全國空間探測技術首席科學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，但經濟適用性較高，已達到世界第三代空間站水平，建造空間站運用的一些技術處于國際先進行列。

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不比規(guī)模比效益?

世界范圍內，空間站的發(fā)展有著較為清晰的分割線。航天專家、北京大學地球與空間科學學院教授焦維新對《中國新聞周刊》分析說，空間站大體可以分為兩種，單艙結構和多艙結構。從1971年到1976年蘇聯發(fā)射的“禮炮1號”到“禮炮5號”空間站，均屬于單艙結構，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構空間站，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。它們同樣是單艙結構，但有兩個接口，意味著能對接更多航天器，有擴展可能性。1986年，蘇聯的“和平號”空間站升空，這是第三代空間站代表，多艙結構，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，將先與核心艙前向對接，之后在轉位裝置作用下，移至停泊口，空間站整體形成“T字構型”。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，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109米的桁架，簡單說，這就相當于一個大梁，便于安裝各類設備。

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，整體結構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、維修設備。但桁架式結構構建起來較復雜，需要大量太空行走才能完成，成本也較高。過去20年來，國際空間站建設成本超過1500億美元。

與現在正在運行的國際空間站相比，未來建設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，我們科學實驗所用到的設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420噸，這一“龐然大物”長、寬投影到地球上的面積相當于一個標準足球場的大小，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)點艙這樣的附帶結構。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”號服務艙內穿戴航天服，美國航天員只能在有航天飛機?？康那闆r下，在航天飛機里穿戴航天服。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出艙能力，配有貨物進出專用的氣閘艙。未來隨著需求增長，天宮空間站規(guī)模也或將進一步擴展。“現在是‘T’字形，根據需要可擴展成一個‘干’字形，即再增加一個核心艙，發(fā)射兩個實驗艙。”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，因此物品經常亂丟。地面人員經常發(fā)的電子郵件中，就有丟失物品的公告。我們當中，偶爾會有人找到已經丟失多年的工具或部分設備。丟失物體重新被找到的最長紀錄是8年?？臻g站經常發(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。

借鑒國內物流巨頭先進的貨物管理技術，中國空間站建立了一套物流管理系統，航天員能夠通過掃描二維碼的方式，識別貨物位置和產品信息，并對產品庫存數量做到動態(tài)掌控。

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在國內航天器首次運用的再生生命保障系統也是天宮空間站的一大亮點。此前國內航天員駐留太空時，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，再進一步產生氧氣，這也能夠降低氧氣補給需求。焦維新對《中國新聞周刊》說，從經濟角度看，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，這一套系統也有著重要意義。當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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機械臂和電池翼

機械臂是這次航天員升入太空要驗證的關鍵技術，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)內的關注。

機械臂長10.2米，位于小柱段下方待命，有7處關節(jié)、兩處末端執(zhí)行機構，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，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，意味著機械臂有著和人手臂一樣的靈活度。兩處末端執(zhí)行機構，更通俗的理解是相當于人的手。在空間站艙體表面，遍布著目標適配器，為機械臂落腳、與艙體連接的接口。當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，機械臂就在艙體表面爬行。機械臂肘部和腕部還配有相機，能觀察艙體表面狀態(tài)和監(jiān)視外來飛行器，數據和信息將通過與目標適配器的連接傳回艙內，機械臂的供電也依靠與接口的連接來完成。

機械臂的功能不止于此。當航天員艙外作業(yè)點距離出艙口較遠時，機械臂可以充當“擺渡車”的角色，航天員站在與機械臂末端相連的平臺上，由機械臂送往作業(yè)面，這比單純太空行走效率要高得多。機械臂還能捕獲、抓取來訪飛行器，當兩個實驗艙抵達時，機械臂就要與兩個實驗艙上配置的轉位機械臂共同作用，助力實驗艙完成轉位、與核心艙的對接。

如果覺得這支機械臂還不夠長，問天號實驗艙I還配有一支小機械臂，長5米，承重3噸，這兩支機械臂聯合，將組成一支長達15米的機械臂。夢天實驗艙將在艙外布置一些暴露實驗設施，機械臂可以充當搬運工。焦維新說，機械臂還能發(fā)射小衛(wèi)星。當貨運飛船送來小衛(wèi)星時，機械臂將其抓住，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。機械臂技術的未來應用前景，是用于探月、探測火星過程中的采樣、抓取、移動等。

空間機械臂最早由加拿大SPAR公司設計研制，從1980年代起就安裝在美國航天飛機上，被稱為加拿大機械臂，長約15米，具有6個自由度，只有一個末端執(zhí)行結構。

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械臂2系統。由6自由度演變而來、雙末端執(zhí)行結構的7自由度機械臂，長17.6米，最大承重載荷達110噸。

在國際空間站上，日本和俄羅斯艙段分別有各自的機械臂，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，雖然關于中國機械臂和加拿大機械臂2系統操控的精細度還有待進一步比較，但至少可以說，中國空間站的機械臂技術已達到國際先進水平。

中國空間站在軌運行時間至少10年，核心艙設計壽命達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。當天和核心艙上空后，40分鐘內，10年壽命期、作為中國空間站最大艙外產品的太陽能電池翼逐步展開。

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這是國內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。數節(jié)伸展機構依次向外逐漸推出，帶動太陽翼完全展開，像手風琴被緩緩拉開。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。單側翼展開達67平方米，全部收攏后只有一本書的厚度，僅為傳統剛性太陽翼厚度的 1/15，能量轉化效率能達到30％。傳統硅材料的剛性太陽能翼的轉化率只有14％。天和空間站單翼太陽能發(fā)電量就能達到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?？臻g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，迄今已經服役20年。此次更換的同樣是柔性太陽能電池翼，光電轉化率也達到30％。

航天科技集團八院相關負責人稱，中國空間站太陽能電池翼具備的重復展收技術、整體更換技術、柔性電纜傳輸技術等，都已接近或超越國際空間站的太陽電池翼的技術體系。

走向航天強國

建設空間站的一大目的是使之成為國家太空實驗室，獲取重大科研和應用成果。2019年4月發(fā)布的《中國空間站科學實驗資源手冊》中提到，空間站共規(guī)劃安排了航天醫(yī)學、空間生命科學與生物技術、空間天文與天體物理學等11個空間科學與應用研究方向，并依據這些方向部署十多個科學實驗柜，另外還有7個空置的實驗機柜。2019年6月，中國載人航天工程辦公室還和聯合國外空司聯合發(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，比如說研制更精準的原子鐘，可以使得未來的衛(wèi)星導航系統更加準確，進行蛋白質晶體分析，組裝多肽藥物等。

中國空間站體系中還有個大家伙——巡天空間望遠鏡，預計2024年前后投入運行。這是一套口徑兩米，分辨率與哈勃望遠鏡相當，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)進行觀測。巡天空間望遠鏡在巡天相機上安置了30塊探測器，總像素達到25億。其中18塊探測器上設置有不同的濾光片，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，巡天望遠鏡將以置入一個光學艙的形式單獨發(fā)射升空，并且將與天和空間站共軌運行。這樣做的好處是，當巡天望遠鏡需要維修、推進劑補加和載荷設備升級時，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5次專門上門維修的哈勃，巡天的模式既能滿足現實需求，也更經濟。

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)行飛行任務時，他的視力都會出現在太空期間惡化，返回地球后癥狀消失的現象。他仍在觀察著自己的視力，看是否會變得更糟。“如果長期太空飛行會嚴重損害宇航員視力，那么我們在到達火星之前，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的星球上，駕駛飛船，操作復雜設備，還要探索星球表面?！彼@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驗證，經驗積累的作用。美國國家航空航天局（NASA）在其官網這樣寫道：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的先進技術平臺。

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。

根據中國航天科技集團運載火箭技術研究院2017年發(fā)布的《2017—2045年航天運輸系統發(fā)展路線圖》：2025年前后，可重復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用；2045年，進出空間和空間運輸的方式將出現顛覆性變革，天梯、地球車站、空間驛站建設有望成為現實。

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。當下最重要的是通過空間站建設，開展各類科學實驗。所有空間站本身建造技術的進步也都是為科學實驗服務，要有原創(chuàng)、特色的成果和新的技術應用出現，“這是我們的主要目標，也是我們由空間大國變?yōu)榭臻g強國的根本方向”。