神舟五號，飛天二十年
“北京時間2023年10月31日8時11分，神舟十六號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸，在軌駐留154天的3名航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮身體健康狀況良好，神舟十六號載人飛行任務(wù)取得圓滿成功。我國載人航天工程正式進入空間站應(yīng)用與發(fā)展階段，為空間站任務(wù)常態(tài)化實施奠定了基礎(chǔ)。”
而在二十年前，身著航天服的楊利偉，代表13億中國人踏上了逐夢太空的征途。歷經(jīng)21小時23分，繞地球飛行14圈后，他乘坐的神舟五號載人飛船返回艙，穩(wěn)穩(wěn)著陸于祖國大地。
他出征太空的一小步，是中國載人航天工程里程碑式的一步，更是中國人探索星辰大海的重要一步。從此，浩瀚而神秘的太空畫卷，向我們徐徐展開。
2003年10月15日，楊利偉進入飛船前向人們揮手示意。
一花引來百花開。神五飛天的二十年來，我國載人航天取得了巨大成就。到2023年10月底，我國先后研制、發(fā)射了12艘神舟系列載人飛船，把20名、32人次航天員送上了太空，成功率達100%。
陸續(xù)研制、發(fā)射了6艘天舟系列貨運飛船、天宮一號目標飛行器、天宮二號空間實驗室、由3個20噸級的艙段組成的天宮空間站以及一艘新一代載人飛船試驗船。
這些航天器分別由長征二號F載人運載火箭、長征七號新一代中型運載火箭和長征五號新一代大型運載火箭發(fā)射，并與航天員系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)和著陸場系統(tǒng)等系統(tǒng)的參與密不可分。
載人飛船顯神威
研制載人飛船是發(fā)展載人航天的第一步，因為它是載人天地往返運輸器。我國第一代系列載人飛船神舟由軌道艙、返回艙和推進艙組成，前兩個是密封壓力艙，可謂“一室一廳”，乘員人數(shù)3人，可自主飛行7天，停靠飛行180天。
其中，軌道艙位于飛船前部，可用于航天員入軌后的工作、吃飯、方便、睡覺和交會對接等；返回艙位于飛船中部，是航天員天地往返時的座艙，也是飛船的控制中心，并具有著陸后支持航天員陸上生存48小時、海上生存24小時的能力；推進艙位于飛船后部，為非密封結(jié)構(gòu)，為飛船提供動力、電源和燃料等。
神舟飛船由14個分系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)涉及物理、醫(yī)學(xué)等數(shù)十種學(xué)科領(lǐng)域，所以具有技術(shù)多樣性和研制復(fù)雜性。它采用了當(dāng)時的多項新技術(shù)，其中10多項關(guān)鍵技術(shù)達到國際先進水平，并有不少特點。
例如，起點較高，研制神舟飛船沒有走美蘇研制載人飛船的老路，而是一步就達到世界第三代載人飛船的水平；可一船多用，其中的神舟二號～六號飛船的軌道艙在返回艙返回地面后又留軌利用半年，相當(dāng)于免費發(fā)射了1顆衛(wèi)星；智能化程度高，采用了信息技術(shù)的最新成果，太陽翼也能自動對準太陽；返回艙用的防熱技術(shù)和降落傘都具有世界先進水平等等。
楊利偉太空自拍。
為適應(yīng)不同階段的任務(wù)變化，神舟系列載人飛船先后有三種技術(shù)狀態(tài)。一是初期試驗技術(shù)狀態(tài)，神舟五號、六號采用這種技術(shù)狀態(tài)，其特點是軌道艙上也裝有一對太陽翼，返回艙返回地面后，軌道艙還留軌利用半年。
二是出艙活動試驗技術(shù)狀態(tài)，神舟七號采用這種技術(shù)狀態(tài)，其特點是軌道艙取消了太陽翼，不留軌利用，并且軌道艙具有氣閘艙的功能，艙外還增加了扶手，用于航天員太空行走時用。
三是載人天地往返運輸器技術(shù)狀態(tài)，神舟八號以后發(fā)射的所有神舟飛船都采用這種技術(shù)狀態(tài)，其特點是軌道艙上沒裝太陽翼，不留軌利用，在軌道艙前端增裝了交會測量和對接機構(gòu)，用于為天宮一號、二號和空間站提供載天地人往返運輸服務(wù)。
2020年5月，我國還成功發(fā)射了新一代載人飛船試驗船。它與神舟飛船相比，只由返回艙與服務(wù)艙兩艙組成，但其直徑和重量都比神舟飛船大，可乘坐6～7名航天員。其返回艙采用流暢的倒錐型鈍頭體氣動外形，可以重復(fù)使用，能用于近地軌道載人天地往返和未來的載人登月等多種任務(wù)。
貨運飛船數(shù)第一
由于我國正在運行的大型空間站——天宮要長期載3人在軌生活和工作，而神舟載人飛船每次滿載3人上天時只能攜帶300千克貨物。為此，我國又研制和發(fā)射了每次能為空間站運送7噸左右貨物的天舟貨運飛船，從而能滿足空間站長期載人航天的需求。
2017年4月20日，我國首艘貨運飛船天舟一號升空，與天宮二號空間站實驗室進行了交會對接，并開展了在軌加注等多項試驗。從2021年起至2023年9月，我國陸續(xù)發(fā)射了天舟二號～六號貨運飛船與空間站核心艙對接，為后續(xù)發(fā)射的神舟十三號～十六號乘組送去大量所需物資。
天舟貨運飛船由貨物艙和推進艙組成，其中的貨物艙用于存放貨物、設(shè)備，推進艙為貨運飛船提供電力能源、推進控制動力并裝載推進劑。為了滿足空間站的需求，天舟貨運飛船有標準型（推進艙有8個貯箱）和改進型（推進艙有4個貯箱）兩種技術(shù)狀態(tài)，從而能根據(jù)空間站補加推進劑上行的需求進行選用。
天舟一號～天舟五號是標準型貨運飛船，其上行貨物運輸能力為6.9噸；2023年發(fā)射的天舟六號是改進型天舟貨運飛船，其上行貨物運輸能力為7.4噸。
天舟飛船模擬圖。版權(quán)／中國載人航天工程網(wǎng)
由于我國空間站已在2022年底建成，2023年起發(fā)射的貨運飛船不需要在軌給空間站加注太多燃料，所以采用了只有4個貯箱的改進型貨運飛船，這樣就能把貨物艙的一些設(shè)備移到推進艙中，使貨物艙的容積由18.1立方米增加至22.5立方米，提高了飛船貨物艙的載貨能力，并把貨運飛船發(fā)射頻次由2021年、2022年的2年4發(fā)降低至2年3發(fā)，從而明顯提高了空間站工程綜合效益。
該飛船整船最大裝載狀態(tài)下重量達13.5噸，標準型貨運飛船可裝3.5噸燃料，其中1噸自用，其余的補加給空間站；改進型貨運飛船可裝1.75噸燃料，其中1噸自用，其余的補加給空間站。
天舟飛船的載貨比（所載貨物重量與貨運飛船總重量之比）高達51%或53%，居世界第一，可謂“皮薄餡大”，運輸效率極高。其每次貨物的運載量在全球現(xiàn)役貨運飛船中也是最大的。每艘天舟貨運飛船可停靠空間站1年。
另外，天舟還與眾不同地采用了型譜化和模塊化設(shè)計，貨物艙有全封閉、半開放和全開放以及小型艙段運輸型4種構(gòu)型，因而可根據(jù)需要進行不同種類物資的運輸。現(xiàn)已發(fā)射的6艘天舟貨運飛船的貨物艙均為全封閉型。
從天舟二號和神舟十二號起，我國的所有貨運飛船和載人飛船與空間站的交會對接都改用快速交會對接模式，即在飛船發(fā)射后10小時以內(nèi)就可以與空間站對接。其中，天舟五號在升空后僅用2個小時就與空間站天和核心艙后向?qū)涌陧樌麑樱瑒?chuàng)造了空間站階段的交會對接最快紀錄。
實驗小站有特色
研制和發(fā)射天宮一號和二號是我國的一個創(chuàng)新。因為當(dāng)時我國還沒研制出長征五號大型運載火箭，但為了突破載人航天的一些關(guān)鍵技術(shù)，我國沒有等待，而是用現(xiàn)有的長征二號F運載火箭先后發(fā)射了天宮一號、二號。它們都具有空間站壽命長和功能強等一些元素，但體積和重量比較小，所以可視為微型空間站。
2011年9月29日，我國成功發(fā)射了天宮一號目標飛行器。它完成了四大任務(wù)：一是作為空間交會對接的目標，先后與3艘神舟飛船進行了空間交會對接，從而使我國掌握了交會對接技術(shù)，并比國外每次進行交會對接試驗要發(fā)射2艘飛船、進行3次空間交會對接要發(fā)射6艘飛船節(jié)省不少資金；二是掌握實現(xiàn)了與神舟飛船對接后的組合體控制和管理技術(shù)。三是實現(xiàn)了航天員的在軌駐留、生活和工作，為航天員提供在組合體內(nèi)工作生活所需的基本條件，開展了相關(guān)的科學(xué)實驗。四是進行空間技術(shù)試驗。這些都為后來的空間站建造進行了先期的技術(shù)驗證，做到了“少花錢，多辦事”。
2016年9月15日，我國成功發(fā)射了天宮二號空間實驗室。它與天宮一號在外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量上基本沒有變化，前者是后者的備份。但因為后者任務(wù)完成順利，所以前者與后者的任務(wù)有很大不同。天宮二號是我國首個真正意義上的空間實驗室，主要完成了三大任務(wù)：一是驗證了航天員在軌中期駐留技術(shù)，并進行了在軌維修技術(shù)試驗；二是與新研制的天舟一號貨運飛船進行了交會對接，驗證了推進劑在軌補加技術(shù)；三是開展了大規(guī)模空間科學(xué)和應(yīng)用實驗。
天宮一號與神舟十號空間交會示意圖。
天宮一號和二號均由實驗艙和資源艙組成，其中實驗艙用于組合體控制，也是航天員的工作艙和生活艙，它由密封艙和非密封艙組成；資源艙是非密封艙。
實驗艙的密封艙有專用睡眠區(qū)、鍛煉區(qū)、實驗區(qū)和儀表區(qū)，里面有兩個獨立的睡眠區(qū)。實驗艙的非密封艙安裝了航天應(yīng)用設(shè)備或空間實驗設(shè)備。實驗艙前端裝有通信設(shè)備、交會測量設(shè)備和對接機構(gòu)，用于支持與載人飛船實現(xiàn)交會對接。
資源艙用于提供動力、燃料和電能等。艙內(nèi)主要裝有推進劑貯箱、鎳氫蓄電池以及環(huán)境控制用氣瓶等設(shè)備。艙外裝有太陽翼以及中繼衛(wèi)星天線。其姿態(tài)控制系統(tǒng)的控制力矩陀螺也裝在資源艙上，這一技術(shù)后來也用于空間站上了。
為了滿足航天員中期駐留30天的需要，在天宮一號的基礎(chǔ)上，對天宮二號開展了宜居環(huán)境設(shè)計，改善了就餐和睡眠環(huán)境，增加了鍛煉設(shè)備和娛樂設(shè)施。為了后續(xù)的空間站建設(shè)，在天宮二號開展了60余項空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗，取得了一大批具有國際領(lǐng)先水平和重大應(yīng)用效益的成果。
空間大廈功能強
我國空間站工程于2010年9月25日立項，于2022年底建成和運行，使我國成為世界極少數(shù)能獨立掌握近地空間長期載人飛行技術(shù)，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)試驗和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國家。我國第一座空間站的研制也沒有走美蘇研制空間站的老路，而是一步就達到世界第三代空間站水平以上。
我國空間站的基本型由天和核心艙、問天和夢天兩個實驗艙組成，這三個艙每個質(zhì)量都是20噸級，它們在軌水平對接成對稱的“T”形構(gòu)型，其中，天和核心艙居中，問天和夢天實驗艙對接于兩側(cè)，可在軌運行10年以上。
2021年發(fā)射的天和核心艙是空間站組合體控制和管理主份艙段，并具備交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙和保障空間科學(xué)實驗?zāi)芰Γb有3個臥室及1個衛(wèi)生間，可支持3名航天員長期在軌駐留，能配置4臺科學(xué)實驗柜（發(fā)射時裝了3臺），可為航天員提供50立方米活動空間。
2022年發(fā)射的問天實驗艙和夢天實驗艙用于支持大規(guī)模開展艙內(nèi)外空間科學(xué)實驗和航天技術(shù)試驗。其中，問天實驗艙還作為組合體控制和管理的備份艙段，并具備乘員出艙活動的主份氣閘艙和3個臥室及1個衛(wèi)生間，能配置8臺科學(xué)實驗柜（發(fā)射時裝了4臺），主要開展空間生命科學(xué)實驗；夢天實驗艙具備載荷自動進出艙能力，能配置13個科學(xué)實驗柜（發(fā)射時裝了9臺），主要開展微重力科學(xué)實驗。它們與天和核心艙對接后，為航天員提供了110立方米間活動空間。
我國空間站能長期載3人，半年輪換一次。在航天員輪換的6～10天內(nèi)，空間站最多有6個人。每個航天員乘組由1名上過天的航天駕駛員擔(dān)任指令長，其余人員構(gòu)成根據(jù)任務(wù)需要，由航天駕駛員、航天飛行工程師以及載荷專家組成。
空間站應(yīng)用以建設(shè)國家太空實驗室為目標，充分利用空間站能力，開展科學(xué)前沿的創(chuàng)新性實驗和應(yīng)用研究，力爭在科學(xué)和技術(shù)上取得重大突破，主要包括航天醫(yī)學(xué)實驗、空間科學(xué)研究與應(yīng)用和航天技術(shù)試驗三大類。我國正利用空間站支持能力、微重力和輻射環(huán)境、航天員較長在軌駐留、天地往返等有利條件，進行11個方向的空間科學(xué)與應(yīng)用研究，將陸續(xù)開展1000多項空間科學(xué)實驗。
2022年12月，中國航天員乘組完成首次在軌交接。20年前，首批航天員的選拔，條件近乎嚴苛。今天的空間站則在各個層面上都實現(xiàn)了升級，任務(wù)的可調(diào)節(jié)性也同步增強，選訓(xùn)標準越來越科學(xué)。
采用眾多新技術(shù)
利用后發(fā)優(yōu)勢，我國空間站采用了不少新技術(shù)。例如，天和核心艙配置有一部承載力達25噸、10米長“七自由度大型空間機械臂”，它可在艙體表面的爬行移動。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動，還是航天員自身移動，都可用該機械臂完成。問天實驗艙配置了1個承載3噸、5米長的小機械臂，其位置精度優(yōu)于大機械臂的5倍，姿態(tài)精度優(yōu)于2倍，重復(fù)定位精度10毫米，并可爬到無機械臂的夢天實驗艙上工作，還能與大機械臂組合成15米長的更大機械臂。
空間站上的機械臂（視頻截圖）。
為了降低載人航天的成本，我國空間站采用了再生式生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。通過再生處理，94%以上的航天員生活污水和空氣冷凝水可再次供航天員日常使用和電解制氧。
后續(xù)，還將把電解制氧時產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，并采用生活垃圾處理與再利用技術(shù)，進一步提高物資再生循環(huán)利用水平，從而最大限度地減少上行補給量，降低空間站的運營成本。
我國空間站首次采用了大面積可展收柔性太陽翼。它收攏后厚度僅為剛性太陽翼的1/15，上天展開后面積巨大，光電轉(zhuǎn)換效率高達30%以上，即使在空間站運行末期也能為空間站應(yīng)用提供27千瓦電力，以保障空間站所有設(shè)備的正常運行。
除了配備了常規(guī)的化學(xué)能軌控發(fā)動機和姿控發(fā)動機外，核心艙上還額外配置了4臺大功率霍爾電推進發(fā)動機。其效率比化學(xué)能發(fā)動機高幾倍，可有效地節(jié)省核心艙自帶推進劑的消耗，減少用貨運飛船為空間站補給燃料的壓力和成本。
我國還將在2024年發(fā)射與天宮空間站共軌飛行的巡天光學(xué)艙。它將搭載2米口徑的巡天望遠鏡，分辨率與美國哈勃空間望遠鏡相當(dāng)，但視場角是后者的300多倍，可在大范圍巡天科學(xué)研究方面大顯身手。
我國空間站系統(tǒng)的一大創(chuàng)新就是將成為世界第一個航天器“母港”。例如，巡天光學(xué)艙在需要時可與天宮空間站主體對接，由航天員對其開展推進劑補加、設(shè)備維護和載荷設(shè)備升級等活動。
另外，我國吸取了之前國外空間站的經(jīng)驗和教訓(xùn)，采用了獨立自主的系統(tǒng)一體化設(shè)計、高效統(tǒng)一的空間能源技術(shù)、天地一體化空間高速信息技術(shù)、智能靈活的空間機械臂技術(shù)、安全舒適的長期駐留支持技術(shù)、高效能的空間應(yīng)用保障能力，所以我國空間站不僅技術(shù)先進、功能強大，而且建造周期、成本等也大大壓縮了。我國空間站既不貪大求全，但又規(guī)模適度，屬于經(jīng)濟適用型。其特點是起點高，效益高，技術(shù)新，保障強。
與國外最先進的第四代空間站——國際空間站相比，我國空間站雖然規(guī)模相對較小，但應(yīng)用效益比國際空間站高。例如，我國空間站上的科研設(shè)備重量在整站重量中的占比比國際空間站高；我國空間站用于科研設(shè)備的供電支持率也比國際空間站的高。
我國空間站也可以根據(jù)需要進一步擴展，由“T”字構(gòu)型擴展成“十”字構(gòu)型甚至“干”字構(gòu)型，從而增加空間站的活動空間。它有望取得有重大科學(xué)價值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。
2027～2030年，我國還將實現(xiàn)載人登月的宏偉目標。
透過舷窗看地球。楊利偉首飛太空時看向舷窗外的那一刻，令他終生難忘。
（節(jié)選自《中國國家天文》2023年10月刊）