天宫二号：中国迈向空间站的门槛

王珊

天宫二号在太空的“门牌号”和将来的空间站基本相同，它是通往空间站征途上的关键一战，标志着中国载人航天正在向空间站时代阔步前进

柏林厚将天宫二号称为“自己的孩子”，这是所有参与研制的科研人员对天宫二号的昵称。

作为中国航天科技集团五院天宫二号系统总体主任设计师、发射场试验队技术组长，两个月前，柏林厚就进驻了发射场，倒数他与“孩子”即将分别的日期。

2016年9月15日22时04分，在长征二号F T2运载火箭的托举下，天宫二号奔赴太空。这意味着，柏林厚和他的同事们过去5年的努力终于可以画上一个句号。目睹着这一瞬间，他有些舍不得。

天宫二号的一个重要任务就是对空间站技术进行提前验证和技术积累。天宫二号的发射，意味着中国距离空间站建设的梦想又近了一步。

2016年10月，天宫二号要先后接受神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船的访问。将会有两名航天员入驻“天宫”，并在那里工作和生活30天，以验证航天员中期在轨驻留等关键技术，包括如何长时间提供适合人生活的环境、物资供给等。这将是目前为止中国载人飞行时间最长的一次任务。

中国载人航天工程总设计师周建平说，天宫二号搭载的空间实验室任务将在2017年上半年全部完成，随后进入空间站建设阶段。在他眼中，天宫二号是“通往空间站征途上的关键一战，标志着中国载人航天正在向空间站时代阔步前进”。

“备胎”升级

全长10.4米，最大直径3.35米，重量约8.6吨。如果仅从体积和外形来看，天宫二号和5年前升空的天宫一号并没有太明显的区别。

2011年，柏林厚就已经参与了天宫一号的研制工作。当时，出于安全等因素的考虑，他们同时设计了天宫一号的备份产品。天宫一号发射成功之后，备份产品解除了原有的使命。

工程师们决定在其基础上研制生产天宫二号空间实验室。柏林厚说，研制团队首先从设备延寿开始做起。“设备产品就跟人一样，也有寿命，时间长了就会受损。”

要想延长设备产品的寿命，首先要定位影响每一台设备寿命的“敏感元素”。研制团队对天宫二号上近300台设备进行了寿命影响因素分析，通过分门别类地做试验、调研，制定具有针对性的延寿方案。同时，他们还开展大量验证试验，对于验证结果不合格或评估无法延寿的产品，果断选择再投产，确保天宫二号不带一点问题上天。

在这个过程中，很多重要的器件同样进行了备份生产。“这既是规避风险的措施，也是预案。”柏林厚告诉《中国新闻周刊》。

在此基础上，他们还对天宫二号进行了全面改装和升级。比如，天宫一号上天需要携带大量的推进剂，而天宫二号凭借新的在轨补加系统，它可以一边飞行一边“加油”，这将极大地提高它在轨运行时间。

每一个航天器在太空都有属于自己的飞行轨道，这好比它们在太空的家庭住址。天宫一号的轨道高度为343公里，天宫二号的轨道高度则上升了50公里左右，达到了中国未来空间站的轨道高度。这意味着，“天宫二号在太空的‘门牌号和将来的空间站基本相同，中国载人航天一只脚已经迈进了空间站的‘门槛”，北京飞控中心副主任李剑曾如此表示。

空间站的建设是探索太空的重要手段，也是一个国家国力的体现。早在20世纪70年代，美国国家航空航天局就曾公开发表《为什么要探索宇宙》一文。文中写道：太空探索不仅给人类提供一面审视自己的镜子，它还能给我们带来全新的技术、全新的挑战和进取精神，以及面对严峻现实问题时依然乐观、自信的心态。

自此以后，关于太空的探索热一直未曾消寂。从1971 年苏联成功发射世界第一座空间站“礼炮”1号起，至今人类已把 10 座空间站送上太空，其中包括正在轨道运行的国际空间站。

国际空间站的设想于上世纪80年代提出，并于上世纪90年代中期开始实施。其建立以美国、俄罗斯为首，包括加拿大、日本、巴西和欧洲空间局等6个太空机构共16个国家参与。参与国际合作，不仅可以获得更为先进的太空探索技术，还可以降低太空探索的成本。尽管做了诸多努力，中国从一开始便因各种因素而未获得国际空间站的门票。

也因此，在1992年，中国政府提出实施载人航天工程三步走计划，即第一步发展载人飞船，突破并掌握载人天地往返技术;第二步建立具有一定应用规模的短期有人照料、长期在轨自主飞行的空间实验室;第三步则是建立长期有人照料的空间站，开展较大规模的空间科学技术试验和应用。

载人航天工程启动以来，中国已成功完成了5次无人飞船飞行和5次载人飞行，突破和掌握了载人天地往返技术、航天员出舱活动技术和空间交会对接技术，为空间站建设打下基础。2010年9月，中国政府批准启动载人空间站工程，工程分空间实验室和空间站两个阶段实施。作为中国载人航天工程战略的第三步，空间站计划于2020年左右建成，2022年全面运行。

“如果天宫二号状态良好，延期服役，太空上或将首次出现空间实验室与空间站交相辉映的画面。”中国航天科技集团公司天宫二号总设计师朱枞鹏如此对媒体表示。

在太空中看球赛

从“体型”上来说，天宫二号只能算是一个迷你版的空间站。它由实验舱和资源舱两舱构成。在舱内，航天员活动的范围约为16到18立方米，按6立方米即可满足住一人居住的人机功效看，对于两位航天员来说，住得还算宽敞。

在一个失重的环境中生活30天，并不是一件容易的事。当时航天员在天宫一号上的生活的时间只有10天。“从10天到30天是一个不小的跨度，也是为了空间站建立成功后的长期驻留进行验证。”柏林厚说。

为了保持航天员的舒适性，天宫二号首次系统开展了面向中期驻留的载人宜居环境设计。为了尽可能地扩大航天员的活动空间。研制人员研制出了直径3米多的薄壁飞船结构，以符合既要大空间、又要轻巧结实的要求。

相比以往的载人飞船，天宫二号对航天员的生活质量、睡眠环境、娱乐等方面的条件提高了不少。在舱内，航天员可以和在地面一样收看球赛直播;可以和父母打电话、使用无线音箱听音乐;没事的时候还能在太空自行车和太空跑台上锻炼一下。就连舱内的把手都提高了硬度，以方便航天员抓握、协助行走。此外，研制人员还制定出严格的生活区和仪器区控制指标，以保证航天员不被日夜不停工作的仪器设备发出的声音搞得身心俱疲。

科研人员形象地说：如果把航天员杨利伟乘坐的神舟五号返回舱比作“一居室”，费俊龙和聂海胜乘坐的神舟六号返回舱和轨道舱相当于“两居室”，那么天宫二号相当于套房，未来的空间站可能就相当于别墅了。

当然，除了生存任务之外，两位航天员还要验证在轨维修系统的可靠性。而这是天宫一号所不具备的。“在太空的时间久了，设备有可能会随时出问题，换设备，换产品也变得有必要起来。” 柏林厚说。所以，不久后，你可能看到太空中传来的一组画面，在太空中，两个航天员拿着工具，奋力修理出了故障的器件。当然，这只是想象的情形。不管是机械的维修还是新的载荷装备，都要依靠天宫二号实验的机械臂操作技术。

相比于2020年即将建设成功的空间站，天宫二号的实验室要小得多，功能和任务也要比空间站少很多。比如说，天宫二号是单舱室，重量8吨左右，而空间站则是一个组合体，初期将由一个核心舱、两个实验舱构成，每个舱段都是20吨级。核心舱有5个对接口，可以对接一艘货运飞船、两艘载人飞船和两个实验舱。换句话说，空间站运营期间，最多时整个系统加起来将重达90多吨。

即将建立的空间站要在太空中工作十年或者更长的时间，寿命的维持需要靠有序添加的推进剂。为了对此做预演，天舟货运飞船将要发射并与天宫二号对接，为其提供补给物资，包括推进剂、航天员生活消耗品、空间科研设施设备、空间站维修备品备份等。

中国的空间站更开放

伴随着天宫二号一起上天的，还有14项空间科学与应用项目。这些项目，使得天宫二号成为中国历次载人航天使命中搭载应用项目最多的一次。

搭载的实验大多是当前世界最前沿领域的研究，这些任务涉及微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用以及应用新技术试验等8个领域。

所有项目都是经过严格的遴选程序的。早在2005年，天宫二号上安排的空间科学实验和应用项目便已经开始论证。“项目论证遴选过程，需要各领域对行业发展把握得非常准确的院士、专家，能够比较准确地预见到未来几年甚至十几年科学发展的前沿方向和热点。”中科院空间应用系统工程部副主任、空间应用系统副总设计师吕从民如此介绍。

以“天极”望远镜项目为例，这是天宫二号上搭载的唯一一个国际合作项目。“天极”的全称是“天极”伽玛暴偏振探测仪，由中科院高能物理研究所牵头，瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所、波兰核物理研究所等多个机构共同参与。

伽玛暴是宇宙伽玛射线暴的简称，从1973年公布发现伽玛暴以来，关于它的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。自1997年以来，有关伽玛暴的观测发现四次被《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。

近十几年来，人们对伽玛暴的研究取得了长足进步，但有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好解决。作为国际上最灵敏的伽玛暴偏振探测仪，“天极”的探测效率比国际同类仪器高几十倍，它预期运行两年，可以探测到大约100个伽玛射线暴。“‘天极跟一般的望远镜不一样，有很多敏感的元件用来探测偏振，类似于蜜蜂和蜻蜓等昆虫的复眼。探测器由1600根塑料闪烁棒组成一个阵列，犹如1600个小眼组成一只复眼。”中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、天宫二号伽玛暴偏振探测仪首席科学家张双南表示。

2005年天宫二号开始征集科学载荷的时候，张双南等人就将“天极”的概念提了出来。他相信，可以凭借天极实现对伽玛暴伽玛射线偏振的有效测量。

除此之外，天空二号上搭载的空间科学实验与探测项目还有冷原子钟实验、液桥热毛细对流实验、综合材料制备实验、高等植物培养实验等;对地观测及地球科学研究项目包括宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计、紫外临边成像光谱仪;应用新技术试验项目包括空地量子密钥分配试验、伴随卫星飞行试验等。

讲起来如此高大上，但航天实验距离公众的生活其实并不远。比如说，空间冷原子钟将会提高卫星导航精度，让人们的出行更加精确;宽波段成像光谱仪和紫外临边成像光谱仪，将提高天气预报及空气质量的预报水平。

其实，自1992年实施载人航天工程以来，累计形成近千项国家级发明专利，有2000余项技术成果被广泛应用于国民经济各行业。比如，果珍和脱水蔬菜满足口腹之欲，载人航天环控生保技术用于煤矿事故救援，航天医学成果成为治疗中老年人骨密度降低疾病的良方;而神舟三号的中分辨率成像光谱仪、神舟四号多模态微波遥感器，都已经转化到目前的海洋卫星应用上。

按照计划，中国将在2018年发射三舱空间站也就是长期有航天员照料的空间站的首舱，组装工作将于2020年完成，2022年投入全面运行。随着舱段的增加，航天员的数量可能从最初的3名增加到6名。

外界猜测，国际空间站将在2020 年完成历史使命并退役，届时中国空间站可能将成为唯一的在轨运行的太空空间站。

事实上，运作多年的国际空间站一直被问题所困扰。2009年11月25日，美国政府问责局曾发布题为《“国际空间站”：巨大挑战可能限制站上科研》的报告。该报告认为，至今，国际空间站的首要目标一直是建设工作，科研利用并未摆在首位。据《美国航空周刊》网站2009年12月报道，问责局称，高昂的发射成本和紧张的资金状况可能使美国永远无法充分利用“国际空间站”。

或许是基于此项原因，一些美国媒体早已经在反思美国当年阻拦中国一起建设国际空间站的行为。

而相对于美国宇航局的保守姿态，中国的空间站显然有着更为开放的态度。中国载人航天办公室已经同俄罗斯联邦航天署和欧洲航天局就科学家进入中国空间站达成协议。而且，中国空间站为大舱段对接预留的接口，也为更多的国际合作提供了可能性。