“天宫一号”：太空“中国家”的第一块基石

□杭天春

“天宫一号”：太空“中国家”的第一块基石

□杭天春

2011年9月29日21时16分，“天宫一号”成功发射，从此太空有了“中国家”……

人们对“天宫一号”的印象，最为深刻的是2009年的春节联欢晚会上闪亮登场的“天宫一号”飞行器模型。从那时起，中国人就开始企盼我国首次空间交会对接的一天，盼望早日揭开我国空间站的神秘面纱。

这一天很快就来临了。2011年6月29日，这个“天宫一号”目标飞行器及其装载的各项科学实验载荷已完成出厂前的各项综合测试评审，转运至酒泉卫星发射中心，开展任务实施前最后阶段的测试工作。然而，“天宫一号”的发射“好事多磨”。由于8月18日，长征二号丙运载火箭发射“实践十一号04星”失利，工作人员连夜组织归零。“天宫一号”发射计划随即做了相应调整。最后“天宫一号”的发射窗口定在同年9月29日21时16分，接着在11月1日发射“神舟八号”飞船，实施我国首次空间交会对接任务。

那么，“天宫一号”到底是一个什么样的航天器呢？

集空间实验室与目标飞行器于一身

1992年，中国的载人航天事业还处于初步立项的阶段，中国载人航天工程的战略规划已很明确要分“三步走”：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，发射一个空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

“神舟五号”、“神舟六号”飞船的相继发射成功，已经圆满和超额完成了“第一步”的任务。“神七”的多人多天太空飞行和出舱行走，是“第二步”的第一阶段。而“天宫一号”既是“第二步”的第二阶段，也是为“第三步”做技术准备的。

“天宫一号”是作为目标飞行器设计的，重量为8吨，它实际上是空间实验室的试验版，主体为短粗的圆柱型，直径比神舟飞船更大，前后各有一个对接口。“天宫一号”采用两舱构型，分别为实验舱和资源舱。实验舱由密封的前锥段、柱段和后锥段组成，可保证舱压、温湿度、气体成分等航天员的生存条件，用于航天员驻留期间在轨工作和生活，密封的后锥段安装再生生保等设备。实验舱前端安装一个对接机构，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。资源舱为轨道机动提供动力，为飞行提供能源。

那么，“天宫一号”为什么又被称作目标飞行器呢？这是因为它是首先被发射升空，作为对接的目标之一在天上运行的，地面的飞船发射上去之后跟它实现交会对接。从空间实验室到空间站要解决很多问题，首先必须要突破交会对接这个难关，还得突破载人交会对接的技术难关。在这个过程里，“天宫一号”可以做大量的技术实验。同时，因为它将在太空停留两年，具有地球无法提供的重力资源、环境、辐射等等，所以也会在上面进行一些科学实验，新材料、新技术也都可以在这里使用，所以我们也称它为空间实验室。

“天宫一号”里的配套设施一般必须包括氧气呼吸装置，废气吸收装置，防止空间的辐射照射装置以及航天员长期生活具备的各种条件。其中产生动力的推力舱、生活舱、接口等都是空间站上比较重要的装置。若要在“天宫一号”里工作和生活，还要考虑应对各种紧急突发事件的发生。其中包括氧气装置故障或控制陀螺失灵，甚至连厕所无法正常使用都能称为是大问题。所以在建造时需要考虑到各种紧急应急措施。此外，“天宫一号”在空间逗留两年时间还要有防止空间碎片撞击的相应措施，如同穿上了盔甲一样，即使受外力的猛烈撞击也撞不坏。

能“驮”空间站的火箭“力士”

“天宫一号”实现与“神九”、“神十”载人飞船的交会对接后，2015年前，将再陆续发射“天宫二号”、“天宫三号”两个空间实验室。“天宫二号”将主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。“天宫三号”将主要完成验证再生生保关键技术试验、航天员中期在轨驻留、货运飞船在轨试验等，还将开展部分空间科学和航天医学试验。

由于目前中国火箭的最大运载能力只有10吨，不仅无法将体积更大、重量更重的空间实验室发射升空，而且也满足不了空间实验室在运行期间所需大量物资的运输要求。因此，在后续的发射中，将采用新一代大推力火箭——“长征五号”。

“长征五号”的外形与现在的火箭没有太大差别，但是直径会由长征二号F火箭的3.35米提高到5米。除了大推力之外，与现有火箭相比，新一代大型火箭还有三大优势：一是采用液氧煤油或液氢液氧发动机，做到无毒无污染；二是模块化设计，能满足不同重量有效载荷的发射需要，增加了选择性和发射的灵活性；三是提高可靠性，能大幅度提高火箭发射成功率。

过去的火箭用的是单发动机，未来的“长征五号”运载火箭将采用双发动机技术。双发动机分别用不同的推进剂，一种是烧液氢液氧，另一种是液氧煤油。现在的火箭用的推进剂是有毒的四氧化二氮。“长征五号”火箭用的推进剂是环保材料——液氢液氧和液氧煤油，液氢液氧产生的化合物只有水，所以它是清洁、环保的能源。液氢液氧推进剂在我国火箭上早已开始应用了，技术上也很成熟；而液氧煤油只在小发动机上使用过，目前国外使用这样的推进剂。因此，“长征五号”是无毒无污染的高性能运载火箭。

“长征五号”运载火箭身长59.5米，有4个助推器，起飞重量643吨，起飞推力833.8吨。与中国现有的运载火箭相比，它的运载能力系数达到0.0146，目前世界排名第二，其近地轨道的运载能力可以提高到25吨，地球同步转移轨道的运载能力可以从现在的5.5吨提高到14吨；25吨的运载火箭可以发射在低轨道空间站，也可以服务在高轨道的月球探测等其他深空探测。

“长征五号”火箭使用最前沿的技术和最新研制的材料。在火箭制造技术上，“长征五号”火箭推进剂储箱开始使用2219铝合金，这是美国“土星五号”火箭直到航天飞机，以及前苏联能源火箭和欧日新一代运载火箭广泛使用的材料。箭体加工上使用了先进的搅拌摩擦焊，这是1991年发明，1998年美国才在运载火箭上首次使用的焊接技术。搅拌摩擦焊和轻质铝合金的使用减轻了结构质量，提高了运载能力。此外“长征五号”火箭还使用了电气一体化设计与冗余，光纤通道火箭控制系统总线等先进技术，这些点点滴滴的进步奠定了新一代运载火箭高水平的基础。

“长征五号”为我国太空站增添了“年青的臂力”。根据现在的进展，“长征五号”火箭将于2014年首飞。“长征五号”运载火箭研制成功以后，我国进入空间的能力将得到大幅度提升，火箭综合性能达到国际一流水平。

向我们走来的中国空间站

“天宫一号”属于短期有人照料、长期(两年)在轨自主飞行的空间实验室的前期研究，在交会对接的技术，尤其是载人交会对接技术突破以后，我们就要实施构建大型空间站的计划。随着技术的成熟，一艘又一艘飞船升空，然后利用这个交会对接技术进行组装，像搭积木一样将飞船或舱体连接起来，最后将形成长期有人值守、短期无人照料的大型空间站。

空间站就像是一座空间大厦，是在太空轨道上逐步组装起来的。比如说，“天宫一号”与“神舟八号”飞船交会对接成功后，接着就是发射“神舟九号”、“神舟十号”，然后把这三艘飞船与“天宫一号”进行组装对接，这就形成了一个小型空间站。当各种部件在地面上设计完成以后，借助大型的运输工具，也就是能够进行大运载的火箭把大的部件送入到太空。

我国首个空间站将是一个符合中国需要、适度规模的空间站，有核心舱、实验舱、结点舱。结点舱为一个球形，有很多接口，在上面可以对接好几个航天器，可以如核心舱那么大，也可以比它小。就像插座一样，可以根据我们的需要随意组合，使空间站得到扩展。

核心舱起码要20吨重，需靠“长征五号”运载火箭送上太空。如我国目前正在研制的“天宫”空间实验室采用两舱结构，分别为实验舱和资源舱。空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其他舱，总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守，能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。此外，空间站在运行期间也需要大运载能力的货运飞船来回运输大量物资。这个空间站建成后，核心舱可不断加舱。届时，每年将往空间站发射若干个航天器。

大型空间站上面一般都有六七个宇航员，其实随着太空技术的成熟，空间站内部的条件会越来越接近地面环境，所以对航天员身体和心理素质的要求也会逐渐降低，不仅女航天员可以上空间站，科学家上站自然也不是难题。甚至让普通人去太空漫游也不是不可能的事情。

我国载人航天工程发言人曾宣称：“我们争取到2020年左右逐步建成有较大规模的、长期有人照料的空间站。”