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“天宫”的征途: 奔向载人空间站时代

上一篇 / 下一篇  发布日期 2011-10-28 12:26:46  更新日期 2011-10-28 12:26:46

    近年来,中国航天大戏不断上演,从“嫦娥奔月”到航天员太空漫步,载人航天实现了一个又一个大跨越。2011年9月29日,随着“长征二号F”运载火箭在甘肃酒泉卫星发射中心的冲天而起,举世瞩目的“天宫一号”目标飞行器被顺利地送入太空轨道,这是中国航天事业取得的又一重大成就,标志着中国向载人空间站时代迈出了历史性的一大步。


   “天宫一号”拉开中国载人空间站工程大幕

 

    众多媒体的报道中,“天宫一号”被称之为“空间实验室”。其实,“天宫一号”还不是真正意义上的空间实验室,它只是空间实验室的雏形,是中国为建造首个载人空间实验室和空间站做技术准备而发射的“目标飞行器”。

 早在1992年9月21日,中国正式启动了代号为“921工程”的载人航天工程。工程的发展战略分三步走:第一步是把航天员送上天。第二步是实现多人多天飞行、航天员出舱,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,并在2016年以前发射空间实验室,突破和掌握航天员中期的驻留等空间站的关键技术,然后进行一定规模的空间应用实验。第三步是在2020年前后建造载人空间站,突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间站长期载人飞行技术并开展较大规模的空间应用。

 2003年10月16日,随着“神舟五号”航天员杨利伟的安全返回,中国载人航天工程的第一步目标已经实现。2008年9月27日,“神舟七号”航天员在太空的出舱活动,则完成第二步目标的前一部分。而在“天宫一号”发射成功之后,地面将把“神舟八号”飞船发射上去,用于和“天宫一号”交会对接。这是在完成第二步目标的后续任务,并为完成第三步目标,即建立中国载人空间站打下基础。因此说,“天宫一号”的成功发射,对中国载人空间站的发展具有里程碑式的意义和影响。

 

 “天宫一号”的结构和技术特点

 

 在太空中,“天宫一号”有两个美丽的翅膀,太阳能帆板就附着在翅膀上。对太空中的“天宫一号”来说,每24个小时就有16个昼夜。大约每昼30分钟,每夜60分钟。30分钟面对太阳的时间,就是“天宫一号”太阳能帆板发电的时候。帆板发电时,一部分电量直接供给“天宫一号”,一部分电量则储存在镍氢电池里,供黑夜时使用。

“天宫一号”采用两舱构型,由实验舱和资源舱组成。资源舱为非密封环境,安装有发动机、电源装置并外接太阳能帆板,为飞行器提供轨道维持能力和电力供应。实验舱是密封舱,由密封的前锥段、柱段和后锥段组成,可保证舱压、温湿度、气体成分等航天员生存条件,可用于航天员驻留期间在轨工作和生活。在实验舱的内部,大约有15立方米的空间可供航天员活动。在实验舱前端的前锥段,安装有对接机构以及交会对接测量和通信设备,用于支持与飞船实现交会对接。从外表上看,对接机构类似于一扇圆形的门,内部直径约0.8米,航天员可以通过这扇门从飞船进入“天宫一号”。

“天宫一号”将为后继的空间实验室和空间站进行新技术验证,采用了一系列新技术、新工艺,实现电子设备的小型化和多功能化,在技术上是一个很大的跨越。

 

    “天宫一号”将有3次空间交会对接任务

 

 在“天宫一号”目标飞行器成功发射后之后,中国将相继发射“神舟八号”、“神舟九号”和“神舟十号”三艘飞船,分别与“天宫一号”完成空间交会对接。交会对接是两个步骤:交会是一个步骤,对接又是一个步骤。打个比方,“交会”是“太空约会”,“对接”是“太空之吻”。“天宫一号”与三艘飞船的空间交会对接,基本上要在两年之内完成,因为“天宫一号”的设计寿命只有两年。

“神舟八号”与“天宫一号”的对接为无人对接,神舟十号与“天宫一号”的对接为有人对接。神舟九号与“天宫一号”的对接是否是有人对接,将根据“神舟八号”与“天宫一号”对接试验的具体结果来确定。

“天宫二号”空间实验室的发射时间在2013年前后,它将分别与其后发射的两艘载人神舟飞船进行交会对接。与“天宫一号”不同,“天宫二号”是正式的空间实验室,科学家、航天员们将在里面展开各种工作和地球观察、空间应用技术和航天医学试验。

 2015年左右,将发射 “天宫三号”空间实验室。“天宫三号”主要验证再生生保关键技术、航天员中期在轨驻留、飞行器长期在轨自主飞行和货运飞船在轨试验等技术,还将开展部分空间科学和航天医学试验。“天宫三号”很可能具备两个对接装置,它在轨飞行期间总计与两艘载人神舟飞船和一艘货运飞船对接。货运飞船将输送补给,并为“天宫三号”提升轨道。

 2016年前是空间实验室的实施阶段,2016年后才是中国载人空间站的建设阶段。空间实验室和空间站是既有联系又有很大区别的两个概念。空间实验室的寿命不大于5年,空间站拥有5〜10年的寿命,甚至更长。空间实验室规模较小,对接口少,缺乏扩展能力;空间站至少两个对接口,能同时对接载人飞船和货运飞船、各舱段。航天员在空间实验室短期逗留,最多几十天;而航天员在空间站长期工作时间多在百天以上。空间实验室补给物资一次携带,空间站定期利用货运飞船补给。空间实验室携带的各种设备一般一次性使用到寿命,空间站可以多次更换设备和逐步增加设备。

 

 突破空间交会对接技术瓶颈

 

“天宫一号”要想在两年内完成与三艘“神舟”飞船的交会对接任务,就必须先跨过交会对接这道国际航天界公认的技术瓶颈。茫茫太空中,要让两个以第一宇宙速度(相当于每小时28440公里)移动的飞行器交会对接绝非易事。一旦在交会对接过程中调控失误,就可能发生相撞事故。

 交会对接中,一个飞行器是被动的,称为目标飞行器;另一个是主动的,称为追踪飞行器。目标飞行器一般是空间站、空间实验室或其他的大型飞行器等,如“天宫一号”。追踪飞行器一般是地面发射的宇宙飞船、航天飞机等,如“神舟八号”。在交会对接过程中,追踪飞行器的飞行可以分为以下四个阶段:

 远程导引段:在地面测控的支持下,追踪飞行器经过若干次变轨机动,进入到追踪飞行器上的敏感器能捕获目标飞行器的范围(一般为15〜100公里)。 

 近程导引段:追踪飞行器根据自身的微波和激光敏感器测得的与目标飞行器的相对运动参数,自动引导到目标飞行器附近的初始瞄准点(距目标飞行器0.5〜1公里)。

 最终逼近段:追踪飞行器首先捕获目标飞行器的对接轴,当对接轴线不沿轨道飞行方向时,要求追踪飞行器在轨道平面外进行绕飞机动,以进入对接走廊,此时两个飞行器之间的距离约100米,相对速度约1〜3米/秒。

 对接停靠段:追踪飞行器利用由摄像敏感器和接近敏感器组成的测量系统精确测量两个飞行器的距离、相对速度和姿态,同时启动小发动机进行机动,使之沿对接走廊向目标最后逼近。在对接前关闭发动机,以0.15〜0.18米/秒的停靠速度与目标相撞,最后利用栓-锥或异体同构周边对接装置的抓手、缓冲器、传力机构和锁紧机构,使两个飞行器在结构上实现硬连接,完成信息传输总线、电源线和流体管线的连接。

 飞行器空间交会对接技术的实施,必须由高级控制系统来完成。根据航天员及地面站的参与程度,可将交会对接的控制方式归结为人工控制方式和自动控制方式两种。用人工控制来完成太空交会对接,可以提高交会对接的成功率。自动控制交会对接可靠性高,不需考虑人员的安全和救生问题。未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合,以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。

 中国首次交会对接技术无论是总体方案还是具体实施,全部为独立自主研发。中国的交会对接技术与美国和前苏联的做法有所不同,美、苏都采用了飞船与飞船对接,而中国则研制了一个“目标飞行器”作为对接目标,追踪飞行器则采用“神舟”系列飞船。

 “神舟”系列飞船从“神舟八号”开始有了许多技术改进,成为一种崭新的天地往返飞行器。其中,交会对接功能是其最主要的特色,航天员可以根据电视图像操纵飞船,使其紧跟目标飞行器。为了充分保证航天员的安全,“神舟八号”飞船与“天宫一号”主要采用无人自动对接的方式。

 

    中国首个空间站2020年前后建成  

 

 到目前为止,人类一共发射或建造过11艘空间站。其中包括前苏联在1971〜1986年间发射的“礼炮号”1号至7号共7艘空间站;美国于1973〜1974年间发射的“天空实验室”;前苏联/俄罗斯于1986〜1999年间建造的“和平号”空间站,以及于2011年由美国、俄罗斯、欧洲航天局、日本等16国联合建成、至今还在轨道上运行的“国际空间站”。如今,自主建设空间站的只有美国和俄罗斯两个国家。

 2020年前后,中国将建成一个大型载人空间站。空间站轨道高度为400〜450千米,设计寿命为10年,长期驻留3人,总质量可达60吨。未来的空间站采用积木式构型,由核心舱、实验舱Ⅰ、实验舱Ⅱ、载人飞船和货运飞船五个模块组成。各飞行器既是独立飞行器,具备独立飞行能力,又可以与核心舱组合成多种形态的空间组合体,在核心舱统一调度下协同工作,完成空间站承担的各种任务。

 核心舱全长约18.1米,最大直径约4.2米,发射质量20〜22吨。核心舱模块分为节点舱、生活控制舱和资源舱。主要任务包括为航天员提供居住环境,支持航天员的长期在轨驻留,支持飞船和扩展模块对接停靠并开展少量的空间应用实验,是空间站的管理和控制中心。

 实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ全长约14.4米,最大直径约4.2米,发射质量约20〜22吨。空间站核心舱以组合体控制任务为主,实验舱II以应用实验任务为主,实验舱I兼有二者功能。实验舱I、II先后发射,与核心舱对接后形成组合体,可开展长期在轨驻留的空间应用和新技术试验,并对核心舱平台功能予以备份和增强。

 中国载人空间站建成后,将会由货运飞船通过“上行下载”的方式,每年为空间站输送补给物资,并从空间站带回实验样品。中国目前正在研制的货运飞船最大直径约3.35米,发射质量不大于13吨。

 中国载人空间站技术起点较高,技术含量可以与国际空间站比肩,但规模较小,无法与国际空间站10个舱室、419吨质量、驻6〜7人的规模相比。但中国的空间站是完全独立完成的,而目前在轨的“国际空间站”则是由16国共同出资建造的。除了俄、美、法,其他参与方从中并未获得多少自主的技术。

 在漫长的航天之旅中,中国正在加速奔跑。我们相信,中国载人空间站建成后,将进一步推动我国航天技术向更高水平发展,为推动国家科技进步和创新发展、提升综合国力、提高民族威望做出重要贡献。(奇云)


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