中国距离建立空间站还有多远？

吴丽玮+刘周岩

未来在中国自己的空间站里，“非军人出身的科学家和工程师、医学专家都有可能成为中国的航天员”。焦立中这样告诉本刊记者。他曾在美国国家航空航天局服役15年，4次乘坐飞行器飞向太空，共计完成6次太空行走，并且是世界上第一名华裔国际空间站站长，他在太空停留总时长累计超过229天，同时也是在太空一次性停留时间最长的美国宇航员之一。另一名专访对象焦维新教授来自北京大学地球与空间科学学院，同时他也是中国空间科学学会空间探测专业委员会委员。

“三步走”与空间站目标

三联生活周刊：中国载人航天工程“三步走”战略里，第三步是要建造空间站，“神舟十一号”飞船返回地球后，中国距离建立空间站的目标更近了一步。明年还要发射“天舟一号”货运飞船，与“天宫二号”对接，进行推进剂补加等试验。在此之后，是否我国建立空间站的准备工作都已经完成？

焦维新：载人航天两个最关键的技术，一是太空行走，一是空间交会对接。太空行走在“神舟七号”就完成了，而空间交会对接难度更大，所以从“神八”开始，“神八”“神九”“神十”，主要目的都是攻破、掌握空间交会对接技术。

“天宫二号”跟“天宫一号”都是我们载人航天第二步走的重要内容，但是它俩分工不一样。“天宫一号”属于第二步走的第一阶段，它主要扮演的角色就是空间交会对接的目标飞行器。“神八”来了，“神八”跟它对接，“神九”“神十”也一样。通过“天宫一号”，我们基本上掌握了空间交会对接技术，这是建立空间站和维护空间站最关键的技术。

“天宫二号”就更进一步了。整个第二步走都是在为空间站建设做准备，但准备的内容不一样。“天宫二号”跟“天宫一号”的最大不同，就是携带的科学实验的项目多了。“天宫一号”也就是两三项科学实验，我们这次有14项科学实验，是为了以后空间站开展各式各样的科学实验做准备。通过这14项科学实验，我们可以进一步获知，未来选择哪些类型的科学实验效益更好一些，同时实验设备该如何制作。当我们国家的空间站完全建成后，里面要放置大概10个实验柜，每个实验柜里边放不同的实验装置，大大小小的项目都算起来有近百项科学实验。首先需要论证做哪些实验的效果更好。而且地面做实验是有人操作的，在太空做实验大多是自动完成，所以实验装置怎么设计等等，都需要经验。“天宫二号”就是为将来我们空间站建成以后那么多的科学实验积累经验。

2015年10月19日， Expedition 45远征队员聚集在国际空间站的美国“命运号”实验舱商量如何应对当时的突发情况

“天宫二号”的第二项目的，就是把航天员在太空驻留的时间逐渐延长，现在叫中期驻留，原来一两周叫短期驻留，长期驻留要至少半年以上。现在国际空间站的航天员基本上都是驻留半年，也有个别航天员一次驻留超过一年。他们在太空长时间飞行，本身也是项科学实验。看看人类长期在微重力环境下，到底身体状态怎样。长期在微重力环境下，到底人体有哪些反应，待一个星期就回来了可能不太明显。当然一个月也不是我们的目标，我们今后的实验目标至少要驻留半年。

第三步建立空间站要解决的技术问题主要是新的核心舱和实验舱的研制。这些舱不仅仅是外壳的问题，还有里面的控制系统以及最主要的科学实验项目的准备。未来要有近百项空间实验，实验柜怎么安排、使实验便于操作又不互相干扰，这些工作对我们来说都是全新的。

另外就是空间站组合体的控制技术。载人飞船和载货飞船都要和核心舱对接，大的组合体控制是我们面临的新问题。现在这个组合体只是一个飞船跟一个实验室，那将来若干个舱在一起会是怎样的姿态现在还不太清楚，它们不一定都在一个平面上，这就会出现姿态控制的问题。

还有发射这些大吨位舱需要的新型运载火箭。新舱重20多吨，之前升空的运载火箭运载能力都没这么大。11月3日“长征五号”运载火箭在海南文昌的发射场成功发射，这是目前国内运载能力最大的火箭，未来空间站的发射都要依靠“长征五号”。

三联生活周刊：此次“天宫二号”与“神舟十一号”任务实现了多项技术验证，同时进行了14项空间实验，这其中你认为最重要的成绩是什么？

焦维新：这些实验是经过反复论证和选择过的，有些看似简单，但意义都很重大。这次的实验主要分为三类。

第一类是在微重力环境下的空间科学实验。比如说微重力环境下流体力学的实验、微重力环境下的环境科学实验、微重力环境下的燃烧科学实验等，这一类属于探索基础科学规律的。

欧洲空间局工程师在国际空间站拍摄的地球照片

第二类是新技术验证的实验。这次我们有一个实验是空间冷原子钟。如果这个实验获得成功的话，会使我们的原子钟授时精度提高两个量级，这对于提高我们的导航卫星精度有很大帮助。钟表经历了摆钟、石英钟、原子钟等发展，精度越来越高。原子钟利用不同能级之间的振荡，发出信号，信号的频率非常的稳定。不过原子钟也要热运动，热运动影响精度，于是专门用特殊的激光束作用，使它运动缓慢下来，又可以提高精度，就是冷原子钟。再进一步，冷原子钟在地球重力的作用下，做加速运动，又影响授时的精度。在空间微重力的环境，那又可以使它的精度提高一两个量级，这就是空间冷原子钟。这可以大大提高我们北斗系统的定位精度。新技术验证还有很多，还比如说激光通信。太赫兹是无线电中最高的频率，频率越高能携带的信息越多。这个非常有用，将来探测火星等的通讯都可能应用太赫兹频率。但是太赫兹受大气层衰减，地面上这个实验就不行，要放到空间上做。我仅仅举这两个代表性的，就是说在我们有空间站建成以后，利用这个平台，可以发展许多新技术。

第三种类型是太空产品开发。比如说计算机的芯片，芯片最原始的就是晶体，在地面产生的各种比如硅单晶、锗单晶、铯单晶等，有重力情况下单晶就小，而且结构不均匀，在微重力环境下，单晶结构又大又均匀，性能就好，我们把它做成大规模集成电路，这就是太空产品了。还有各式各样的蛋白质晶体、太空制药等等。制药的时候不可能是一种元素组成的，都是复杂的高分子化合物，可是混在一起比重不一样，也不可能做到均匀的混合。可是在微重力下不存在比重的问题，所有的物质都没有重量，可以均匀地混合，药的疗效可能也就更好。

在这之前呢，国家做了大量的准备工作，包括我们北大的先进技术研究院，召集理科各院系的老师，大家可以提出自己想在空间科学实验室做的实验。经过有关专业专家批准，可以进行预研，再进行下一步工作。这些项目都是一级一级在准备，毕竟成本非常高，一公斤有效载荷运到太空的成本大概是两万美元。空间站还没建成，实际上早期的研究工作好多年之前就开展起来了。实验内容筹备是我们载人航天一个关键问题，我们的空间站能否超越现有空间站，不在于外形设计新颖不新颖，关键还是能取得更多的科学反馈。空间站本身只是一个平台，就像一座大楼，重要的还是里面的内容，也就是开展的空间实验项目。

空间站里的航天员

三联生活周刊：明年我国将启动第三批航天员的选拔工作，新一批航天员将会有什么新的选拔要求，从而能满足在空间站工作的人才需求？

焦维新：我们现在都是飞行员为基础的航天员上天，将来空间站形成一定规模以后，就该有任务工程师上天了。之前的航天员都是从飞行员中选拔的。航天员必备的三个素质，身体素质、心理素质和业务素质，前两批航天员主要注重身体素质和心理素质，未来对业务素质，包括许多空间实验的科学知识和操作方面的要求会逐渐增加，也会考虑从青年学者当中选拔任务工程师。包括一些年轻的博士生，只要他身体可以，经过一定训练，能适应发射返回的过程，空间站里将靠他们来真正做实验。前两批航天员本身是飞行员出身，不是实验项目领域的专家，虽然现在的实验操作都是在地面上教过的，但他们很难理解实验背后本质的东西，如果实验过程出现新的现象，或者出现问题需要解决，可能就无能为力。如果我们探索更新的东西，就需要行业的专家亲自去天上做实验，像美国的航天飞机上早就有任务工程师的角色了。

焦立中：美国和苏联一样，第一批航天员都是从空军中选拔出来的。美国也是在空间探索的经验日益丰富之后，开始吸收科学家和工程师进来，这很正常，中国毋庸置疑也会按照这样的模式为空间站做准备。不同学科背景的航天员根据个人所长进行选拔，在掌握必备的技术和知识之外，每个人也会因此被施以不同的训练内容。

1990年我被NASA（美国国家航空航天局）录取，在此之前我在企业的实验室工作，我从学士一直到博士时，所学的专业都是化学工程，后来在实验室研究太空复合材料。在成为宇航员之后，我在飞行过程中担任的职务是任务专家，飞行过程中，还有飞行员、飞行工程师、任务指挥官等职务。任务专家的任务是医学实验和技术探索，比如太空梭空电整合实验室里航天飞机飞行软件确认等等。我一共飞行过4次，1994年第一次飞向太空乘坐的是“哥伦比亚号”航天飞机，当时我负责进行科学实验;第二次飞行是1996年，当时我进行了两次太空行走，目的是为了实验建造国际空间站的设备和装配技巧，并且测试改善后的太空服的保暖性能;第三次飞行是2000年，当时的主要工作是领导出舱的宇航员队伍，为建立国际空间站做更多准备;我最后一次升空是2004年，当时作为国际空间站的站长，在空间站驻留了半年，主要负责大多数的美国实验，同时也给其他的俄罗斯航天员帮忙。国际空间站的站长要对这次任务全权负责。正常情况下，每天要先跟地面任务控制中心开一个短会，讨论当天的活动，随后宇航员根据各自的日程开始工作，周末时工作会相对轻松一些。

我曾经访问过中国航天员中心，航天员中心的训练方法非常专业，和美国以及俄罗斯都有很多相似之处。未来随着中国载人航空事业的成熟，非军人出身的科学家和工程师、医学专家都有可能成为航天员。这些人需要具备在中国空间站里完成复杂实验的能力。我也和杨利伟、费俊龙、聂海胜都见过面，我知道中国的航天员选拔非常严格，在我看来，他们的技术都非常好。

空间站与国家竞争

三联生活周刊：随着本次任务的圆满完成，中国的空间站计划正在稳步推进，预计2020年前后初步建成独立的空间站。是否可以认为，空间站是当前中国航天的核心项目？空间站工程与探月工程、火星探测工程、深孔探测工程等的相互关系是什么？

焦维新：空间站项目是我们载人航天事业的核心。我们载人航天“三步走”的最终目标就是建立空间站，我们既然费这么大力气造出空间站，以后就不会喜新厌旧再搞别的东西，而是肯定充分利用空间站，脚踏实地把这个工作做得有特色，真正得出一大批具有国际先进水平的成果，对推动我们国家技术的发展也会起到很大作用。

载人登陆火星对我们来讲还太遥远了，现在不去考虑。但是未来空间站之后很有可能进行载人登陆月球。我们载人登陆月球绝不是简单重复美国几十年前做的事情，我们再登陆就是完全不同的。

当年美国阿波罗计划主要目的是政治竞争。现在没有那种“冷战”思维了，我们完全是根据自己的需要搞载人登月。我们要搞载人登月最重要的目标就是要建立月球基地。我们为什么要在南极设立科考站，有科学家长期驻守，而不是去两三天就回来？因为得到的科学成果肯定不一样。我们建立月球基地，就相当于在月球又建立了空间站，对于研究月球各种各样问题非常有价值。都说月球含有丰富的氦三，我们可以让航天员在月球实际做实验，在月球不同地点取到不同深度，得到月球不同区域氦三含量。另外详细测量月球的地质特征，这样可以跟遥感测量对比，来矫正遥感测量的结果。在六分之一地球重力的环境下，也可以开展生命科学实验，比如看动物产卵是否会有变异。天文学家还提出在月球背面建立射电望远镜。我们要做出真正的科学成果来，长久以来我们国家在深空探测方面都非常落后，中国人关于火星、土星等的知识都是西方提供的。我们不能过了几千年了还和孩子们说四大发明，中华民族要为人类知识做出贡献，月球是一个合适的起点。

另外还有月球资源的问题，我们还完全没有搞清楚。即使是我们每天生活的地球，还年年有新的成果，高校每年还要招收地质学的学生，科学家在不断发现新的油气田。

再一方面就是技术上的发展。如果我们一开始没有探测月球，可能就不会有“长征五号”火箭。同样，如果不搞载人登月，可能我们的运载火箭就停留在“长征五号”上了，有新的目标了，就会促进技术发展。我们将来运载火箭目标是130吨，而现在“长征五号”只是20多吨。有了这么大的运载火箭，对于我们科技实力、国防实力的增加，都是无法想象的。像阿波罗登月，其实它整个推动了电子、材料的发展，美国的工业迈上了新的台阶。我们的火箭、导航、通讯等技术也会随着载人登月而发展。

焦立中：中国选择空间站作为目前最重要的一个目标，这个计划非常合理。空间站为更多的太空探索提供了研究保障，同时也使得中国能拓展其在航空领域的国际合作。未来在中国的空间站里，也是应该以生物医学研究为主，之前美国和苏联都是同样的研究目标。

三联生活周刊：国际空间站在几年之后将会退役，美国和其他国家就目前来说，未来也并没有新的空间站计划。这是否意味着空间站项目的研究成果有限，未来发展前景不大？我们所努力的空间站计划，是否能够超越美国和其他国家在这个领域上的成绩？

焦维新：空间站已经有很长的历史了，这方面苏联资格最老，前三代都是苏联搞的，国际空间站是第四代。但是我们今天搞空间站并不是说别人有什么我们就搞什么、别人不搞我们也不搞，还是从自身需求出发进行的。而且年代也不一样，比如说20世纪七八十年代的空间站上的电子技术和现在能比吗？我们今天搞的也是不一样的东西，不是简单重复。

况且国际空间站在实验方面组织得不是那么好，都是各干各的。实验舱基本都是独立的，俄罗斯有“星辰号”实验舱，美国的叫“命运号”实验舱，欧洲空间局的“哥伦布”实验舱以及日本的实验舱，实验舱通过过渡段连接。实验都是各国搞各国的，也有些交流，但主要还是各顾各的。我们基本的理念就是面向未来科技的发展，根据我们国家自身的需要独立自主地来设计有针对性的实验。

国际空间站还有一个问题是科技成果没有及时返回，它过分重视往上面运材料、人员，没有足够重视把取得的科研成果及时研究应用。比如一些材料科学的实验结果，应该及时返回地面进行扩大规模的应用，但是往往是许多成果在上面待了很长时间，接航天员返回的时候才带回来，但实际上应该用专门的货运飞船及时运送回来，这方面重视不够。

美国航天事业的一个特点是喜新厌旧。探月竞赛结束以后，那么先进的阿波罗飞船扔在一边不要了，去搞航天飞机。而同时苏联去发展空间站。事后证明苏联的这条路是对的。苏联“和平号”空间站运行了15年，而航天飞机一次上去也就两周，在空间科学实验方面没法比。航天飞机其他一些好处也因为事故和预算超支等等没能完全实现。

焦立中：首先，国际空间站原定运行到2024年，但我认为很有可能会延长至2028年甚至更久。而我在今年5月曾发表一篇文章指出，美国的空间计划因为资金缺乏遭到严重阻碍，更为严重的是，美国的空间发展失去了方向。美国现在眼睁睁地看着中国和俄罗斯取代了它的地位，在月球探索以及未来的火星探索中成为主导国家。空间计划曾是美国的威望来源和软实力的象征，但随着总统选举如火如荼地进行，对于宇宙探索的话题似乎被搁在一边，无人问津。NASA目前面临着资金不足的困境，在财政预算不断增加的同时，NASA的资金投入从20世纪60年代的4%，下降到了90年代的1%，现在甚至连1%也不到了。另一方面，以美国为核心的国际合作即将瓦解，据我所知，欧洲、日本、加拿大这几个国际空间站的合作国家，都纷纷开始与中国商讨未来在中国的空间站进行合作的计划，甚至合作还将延续至不甚明朗的月球探测计划中。

三联生活周刊：国际空间站时代，中国是被排斥在外的，未来我们将以何种态度面对国际合作？

焦维新：美国一开始发展航天飞机，后来意识到空间站的用处，想独立搞空间站，但是力不从心，因为技术积累都在苏联那边。苏联搞过若干代空间站，“和平号”空间站坠毁以后，曾经想搞和平二号。但苏联很快解体了，俄罗斯政治经济都不景气，无暇顾及。美国有钱没技术，俄罗斯有技术没钱，所以他们一拍即合。欧洲空间局也想搞自己的实验舱，日本也想搞。加拿大搞不了实验舱，但是机械手的技术还算先进，也参与进来，所以就有钱出钱，没钱出力，十六国共同建造起了国际空间站。

当初国际空间站中国被排斥在外就是因为美国的反对，怕我们通过合作偷走技术。美国排斥我们也促使我们下定决心，独立自主地开展自己的载人航天事业，“921计划”就是在这样的背景下诞生的。

未来我们会抱着开放的态度开展国际合作。毕竟像俄罗斯、欧洲都有自己的实验舱，也做一些实验了，有科学经验。所以2024年国际空间站退役以后，可能在太空运行的只有我们中国的空间站一家。美国也好，欧洲也好，或者俄罗斯和其他国家，你有好的点子，有一些想法愿意到我们这里实现，我们都抱着一种开放的态度来讨论。两国科学家讨论之后，看以怎样的具体方式实现，无论是共同设计实验，还是说允许其他国家的单独实验舱连接空间站，既然我们抱着开放的态度，那就都有可能。