上九天 建天宫

段景颐

2021年4月29日，搭载着“天和”核心舱（以下简称“天和”）的“长征五号”B运载火箭从中国文昌航天发射场升空，向预定轨道飞去，由此拉开了我国空间站为期两年的在轨建设大幕。

“天和”是“天宫号”空间站（以下简称“天宫号”）的首个升空舱段，也是最核心的舱段。到2023年，“问天”和“梦天”这两个科学实验舱也将先后发射，并与“天和”对接。“天和”最多可对接包括科学实验舱、载人飞船和货运飞船在内的5个舱体，组成以“天和”为核心舱的“天宫号”空间站。“天宫号”运行约15年，为我国空间科学实验和航天员（有些国家称“宇航员”）长期驻留近地轨道提供平台。

“东方红一号”卫星

从人造卫星到空间站

1971年4月24日，数亿中国人第一次从广播里听到“东方红一号”人造地球卫星从太空传来的乐曲。虽然它只工作了28天，但它搭载的粒子辐射计和磁强计等设备，让我国科学家能够获取来自太空的第一手科学数据，为我国的空间科学研究奠定了基础。

同时期，美国和苏联在先后完成探测器登月任务后，又同时把目光投向了空间站。空间站，顾名思义，悬在空间中的一个站点，即是可以载人的大型航天器，能为航天员提供长期驻留轨道的平台，也能为载人飞船和货运飞船提供停靠基地，能为空间探索发挥不可替代的作用。

1971年，苏联“礼炮一号”成为人类首个成功发射的空间站，并完成了与“联盟十一号”飞船的对接任务。此后，苏联又相继发射了六座“礼炮”空间站。美国则于1973年发射了“天空实验室”空间站，并派出了载人登月用的“阿波罗号”飞船与其对接。“天空实验室”在内部空间、可容纳宇航员人数和可供宇航员工作总时长上都遥遥领先于“礼炮”系列空间站。美国宇航员在“天空实验室”里进行了大量科学实验。这是人类第一次在太空中不用穿笨重的太空服，而是只需穿便装就能作业。

苏联“礼炮7 号”空间站

先研发卫星，然后研发空间站

美苏在空间站上的投入给当时的中国航天科学家带来了极大震撼，他们纷纷畅想我国自己的空间站计划。然而，空间站建设费用不菲，而当时我国财力有限。1975年，在中央的决策下，中国航天事业的发展方向被定为通信卫星工程。对当时的中国来说，通信卫星比空间站更重要，中国载人航天计划也被暂时搁置。

1986年，发展载人航天技术被明确列入“863计划”。经过专家多年的论证，1992年9月21日，我国确定了载人航天“三步走”的发展战略。“三步走”的第一步是发射载人飞船，第二步是航天员出舱活动、飞行器交会对接和发射空间实验室，第三步则是建造空间站，让航天员长期驻留轨道。“神舟”飞船首任总设计师戚发轫院士曾感慨地说：“我们发展航天，最终目的是进行科学研究，而不是做表面工程。”

“载人航天三步走”发展战略

空间站立项

2008年，“神舟七号”任务成功实施后不久，负责载人航天总体方案的侯永清被告知，她的工作重心要换了——改为负责中国空间站的立项论证。随后，杨宏、王翔、徐小平等一批有着丰富载人航天工程经验的科学骨干加入其中。他们聚在一起，分头查找文献，开始论证“为啥要建空间站”和“如何建空间站”的问题。

查阅的资料越多，侯永清等人越发现这个活儿不好干。首先，团队构想中的“空间站三舱”总质量超过66吨，要把这么重的舱体发射到预定轨道，就需要大推力火箭。其次，空间站采用模块化设计，由多个舱体组装而成，同时还要保证航天员长期驻留。要完成这些工作，就需要多次发射飞行器，进行多次交会对接。要确保顺利对接，飞行器的每一次飞行都必须精准无误，而此前我国并没有进行相关验证，更别提每一个舱段和每一艘飞船都要考慮载人需求和实验需求。

制造、发射并组装空间站绝非易事：既需要掌握发射场、着陆场、测控和航天员培训等载人航天基本技术，还需要攻克大推力运载火箭、新型载人飞船、新型货运飞船的设计与制造，大型空间设施在轨组装和长期在轨飞行生命保障等一系列技术难关。

中国航天人自主攻克了一个个难题，从初次太空交会对接到航天员长期在空间站生活，中国航天人仅用了10年时间就完成载人航天技术的飞跃。不仅如此，2021年发射升空的“长征五号”B火箭的近地轨道运载能力高达25吨，处于世界先进水平。大推力火箭、完善的人货天地往返技术、飞船和空间站的常态化交会对接……如今，中国航天科技已经跻身世界第一梯队。

目前我国运载能力最强的火箭——“长征五号”B运载火箭

飞向“天宫号”

2021年6月17日上午9时22分，“长征二号”F遥十二运载火箭搭载着“神舟十二号”飞船发射升空。完成这趟天地之旅，火箭需要飞行约10分钟，其间火箭大部分时间在进行急加速，由此产生的超重状态会引起人体血液移动到下肢，从而导致航天员出现大脑缺血等症状。为了克服火箭升空时产生的超重，航天员在训练时需要在离心训练设备中承受最高相当于8倍重力加速度的加速度对身体产生的重压。除此之外，在火箭升空过程中产生的震动和噪声，以及进入太空后随之而来的失重和长时间太空停留产生的孤独感，都是航天员必须克服的障碍。

2021年6月17日下午15时54分，“神舟十二号"载人飞船与“天和”完成自主交会对接。此时，“天和”内部的温湿度和气压已经调整到最适宜航天员的范围。18时48分，航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波脱下厚重的压力服，换上轻薄的蓝色工作服，先后开启了节点舱舱门和核心舱舱门，并顺利飘进“天和”。

“ 天和” 核心舱和“ 神舟十二号”载人飞船顺利对接

从神舟载人飞船进入“天和”核心舱的汤洪波、刘伯明和聂海胜三人

这3名航天员要在“天和”上驻留3个月，在此期间他们的工作内容主要有四项：检查“天和”的各项功能是否能正常运行;进行两次出舱活动，组装、测试舱外工具箱等设备;开展空间科学实验，并向地球直播太空科普教学内容;照料自己的日常生活，定期锻炼，检测、维护和评估自身健康状况。

“天宫”膳食

其实，早在三名航天员进入“天和”之前，他们的餐食等物资就先行一步抵达了。2021年5月30日，“长征七号”遥三运载火箭搭载着“天舟二号”无人货运飞船，为“天宫号”上的3名航天员送去了6.64吨物资，其中包括空间站所需的推进剂、建设材料和各种设备、2套进行舱外行走的太空服，以及足够3名航天员在空间站生活6个月所需的生活必需品和食物。

2003年，“神舟五号”飞船上储备了20多种食物供杨利伟选择。随着我国载人航天事业不断推进，航天员的食物选择越来越多。如今，“天宫号”为航天员们提供了120多种餐食，其中包括莲子银耳羹、什锦炒饭、豆沙粽、去骨烧鸡腿、冰激凌……当然，也少不了中国历任载人航天任务中的明星菜——鱼香肉丝。中国的太空版鱼香肉丝于2002年研制成功。2003年，杨利伟乘坐的“神舟五号”飞船上配备的0多种太空食物，鱼香肉丝就已位列其中。

我国航天员食用的航天食品

魚香肉丝能够满足太空环境和航天员的营养需求

数据显示，在太空生活25周后人体的骨小梁（骨骼的基本支撑单元）体积可减少33%，肌肉也会明显萎缩。因此，航天员必须从每日餐食中获取全面营养，同时配合锻炼，才能保持健康。20世纪60年代，第一批苏联航天员在太空吃的是包装在软管中的流食，他们吃流食就像在往嘴里挤牙膏。20世纪70年代，美国宇航员在太空中的食物包括金枪鱼肉罐头、脱水炒蛋（食用时需加水）、经辐照处理的面包和牛排，以及冻干的草莓和小虾干。而我国航天员食用的鱼香肉丝中有猪肉、辣椒、笋丝和木耳，碳水化合物、蛋白质、脂肪和膳食纤维配比合理，不仅营养丰富，能让长期驻留空间站的航天员大饱口福，而且吃鱼香肉丝还不用吐骨头或渣，食用过程中也不会产生危害空间站内部设备的食物碎屑。鉴于上述原因，鱼香肉丝可谓是中国航天员的理想餐食之一。

空间站的生活

“天宫号”空间站是模块化多舱式空间站，建造过程好像搭积木。其中，“天和”是“积木”的核心模块，“问天”实验舱和“梦天”实验舱分别组装在“天和”两端，三者共同组成一座三室两厅带储藏间的太空“豪宅”。

作为“天宫号”的核心舱段 ，“天和”全长16.6米，竖立起来比5层楼房还高，发射质量22.5吨，相当于3辆大货车的空重，可同时容纳3名航天员长期在轨驻留。“天和”一方面是航天员长期生活和工作的场所，另一方面也对接实验舱、载人飞船和货运飞船。

“天和”由节点舱、生活控制舱、后端通道和资源舱组成。航天员主要在生活控制舱内活动。该舱又分为两个部分：大柱段作为航天员的书房、餐厅和健身房，其中科学仪器、通信设备、微波炉、冰箱和太空自行车等设备一应俱全;小柱段有三个独立“卧室”作为航天员休息的场所，还有一个卫生间。

进入“天和”核心舱后，航天员要先整理物资

竖立起来比5 层楼还高的“ 天和”核心舱

2013年6月26日，张晓光、聂海胜和王亚平搭乘“神舟十号”的返回舱，降落在内蒙古四子王旗着陆场

自主研发先进机械臂

“天和”的舱外安装有一大一小两台机械臂。在航天员生活的小柱段外侧，一台10米长的大型空间机械臂负责完成舱段转位、辅助航天员舱外移动和移动大型设备等工作，最大载荷可达25吨。“天宫号”外侧安装有锚点，这些遍布“天宫号”的锚点就相当于机械臂通行的道路，让机械臂能够移动到所需前往的位置。

“天宫号”的大机械臂拥有七个“关节”，采用肩3肘1腕3的关节布局，可谓相当灵活。在太空中活动的航天员处于失重状态，为了避免机械臂意外击飞物体，设计师们给机械臂设计了一个小程序——一旦机械臂在工作中出现意外碰撞，就会立刻停止动作，并根据实际情况自行判断后续动作。和汽车制造流水线上动作单调重复的工业机械臂不同，在太空环境作业的机械臂要自行判断所操作物体的位置、大小和形状等信息，这就要求机械臂先通过摄像头捕捉物体的位置和运动信息。此外，机械臂还具有手动操作模式，航天员可以通过操作手套，让机械臂还原操作者的手部动作。

“天和”的大型机械臂在各个参数上都超过了目前国际空间站上由加拿大研发制造的机械臂。“天和”的大型机械臂是在前几代机械臂基础上的最新型号，而我国载人航天器机械臂的研发团队竟然是一个3人团队，他们的平均年龄仅为32岁。

2014年，就职于中国空间技术研究院的工程师刘冬雨接到一个任务：组建一个兴趣小组，研制载人航天器用的机械臂。刘冬雨在高校时的专业是机器人，因此接到这个任务让他十分兴奋。小组成立之初有十几位员工，但由于是业余性质，许多组员陆续退出，最后仅留下了刘冬雨、罗超和张峤。

“天宫号”的机械臂（模拟图）

在经历了多次讨论、废弃方案和调整方案后，机械臂小组终于将图纸中的机械臂做成了实物。2016年4月，此时距离正式交付机械臂的最后期限只剩3个月，罗超带着机械臂前往哈尔滨，测试机械臂在极高和极低温度下的表现。4月6日，实验室中的机械臂突然开始不受控制地抖动，技术人员迅速上前排除故障。经过几个昼夜的连续排查，故障根源终于被找到。原来，机械臂的一个传感器因为热胀冷缩发生故障，发出了错误的信号。排除了故障后，团队又进行了多次验证实验。机械臂最终被按时交付，并在“天宫二号”上顺利完成了太空实验。

 “天宫号”技术档案

“天宫号”空间站的有效载荷质量比达到了17.7%，远高于国际空间站的7.9%，可谓个头不大装得多。

迄今，国际空间站已“挂失”的物件数量超过100个。“天宫号”上的所有物品均配备二维码，航天员通过终端即可查询到每样物品的实时位置。

“天宫号”上的超冷原子实验柜可实现接近绝对零度的超低温，位于其中的原子钟组的精度很高，每30亿年误差仅有1秒，类似的科学实验柜在“天宫号”上共有16个。

作为航天员往返“天宫号”和地球的专列，“神舟十二号”飞船的导航和返回过程依靠北斗导航系统，飞船使用的控制计算机和数据管理计算机完全使用国产处理芯片。

“天宫号”将进行超千项太空实验，这些实验涉及生物科学、生命科学、材料学、天文学、地球物理学、空间物理学、基础物理学和医学。

“天和”核心舱内的实验柜之一

在“天和”中，航天员们呼出的水汽会被生命保障系统冷凝、回收并净化，重新作为饮用水和生活用水。航天员呼出的二氧化碳也会被生命保障系统回收，再生成氧气。

据专家介绍，“天和”的用电需求是“天宫二号”的3倍，因此，保障“天和”的用電尤为重要。“天和”的所有电能均来自巨大的柔性可折叠太阳能电池翼，光电转换效率居于世界领先水平，电池翼展开后总面积可达134平方米，发电功率达18千瓦，在为舱内所有设备供电的同时，还能保证航天员的日常生活用电。

据悉，“天宫号”将成为中国与世界各国开展太空合作的桥梁。截至目前，已有17个国家的9项科学实验获批进入“天宫号”。欧洲宇航员中心训练专家表示，为了入驻“天宫号”空间站，该中心的宇航员都在努力学习中文。中国从航天大国逐渐成为航天强国，同时也肩负起了一个航天强国应有的担当。

“天和”核心舱内部（模拟图）

我国载人航天任务回顾

1999—2002年 “神舟一号”～“神舟四号”

我国成功完成4次载人飞船无人试飞试验。

2003 年“ 神舟五号”（首次载人任务）

杨利伟成为中国首位进入太空的航天员。

2003年10月15日，航天员杨利伟搭乘“神舟五号”飞船进入太空，在轨飞行21小时

2005年 “神舟六号”

费俊龙和聂海胜两位航天员乘坐“神舟六号”飞船在轨道上飞行了5天，中国由此基本掌握了载人天地往返技术。

2008年 “神舟七号”（首次出舱任务）

航天員翟志刚成功出舱作业，这标志着我国正式迈出了“三步走”战略中的第二步。

2011年 “天宫一号”

2011年9月29日，具有验证性质的“天宫一号”发射升空。作为目标飞行器，“天宫一号”的用途并不是进行科学实验，而是作为载人飞船或货运飞船的交会对接目标。2016年3月21日，“天宫一号”停止运行，并于2018年4月2日坠入大气层。

“神舟八号”与“天宫一号”第二次对接全过程示意图

2011年“神舟八号”（首次自动交会对接）

“神舟八号”飞船与“天宫一号”空间站完成了自动交会对接。从此，中国成为继美国和俄罗斯后，第三个成功掌握完整太空对接技术的国家。

2012年 “神舟九号”（首次人工交会对接）

“神舟九号”飞船与“天宫一号”目标飞行器分别进行了两次交会对接，其中第一次为自动交会对接，第二次由航天员刘旺通过手柄控制完成。景海鹏、刘旺和刘洋这三名航天员进入“天宫一号”，并生活了10余天。

2013年 “神舟十号”

王亚平进行空间站直播

在这次任务中，航天员王亚平从“天宫一号”向地面课堂进行直播授课，课时总长40分钟。在此期间，王亚平演示了失重状态下的物体运动，并用通俗易懂的语言解释了其背后的物理知识。这次空间站直播授课受到全球各大媒体的关注。

2016年 “天宫二号”

2016年9月15日，“天宫二号”太空实验室发射升空。2019年7月19日，完成预定任务的“天宫二号”受控离轨并坠入大气层。

2016年“ 神舟十一号”

“神舟十一号”飞船与“天宫二号”顺利对接，航天员景海鹏与陈冬进入“天宫二号”，进行了多项试验和失重防护锻炼，还种下了生菜种子，并饲养了6只蚕。2016年10月21日晚，两名航天员按照计划在“天宫二号”内收看“新闻联播”，还可以向地面点播自己喜爱的电视节目。

2021年 “神舟十二号”

聂海胜在舱内操控机械臂

航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波乘坐的“神舟十二号”飞船与“天和”顺利对接，他们顺利进入“天和”。

“天宫号”的网速非常棒

2021年6月23日，在“天和”内部执行任务的聂海胜、刘伯明和汤洪波与地面进行了视频通话。让不少人没想到的是，这次“天地通话”全程没有出现像直播电视节目中主持人和场外记者对话中常见的“尴尬延迟”。那么，如此流畅的信号传输是如何做到的？其实，为这次“天地通话”提供信号中继的，是距离地面3.6万千米、由三颗中继卫星组成的天基测控系统。

中继卫星是专门为航天器提供信号中继服务的人造卫星。中继卫星在比 “天宫号”更高的轨道运行，正所谓“站得高，看得远”，在更高轨道运行的中继卫星具有比空间站更大的信号覆盖范围，因此被作为空间站等航天器的数据中转站。在中继卫星的帮助下，“天宫号”的下载数据速度相当于地面5G网络设备的下载速度，大幅度领先由美国等主导的国际空间站。

空间站为科研事业提速

2001年，在完成了15年的在轨飞行任务后，俄罗斯的“和平号”空间站在地面控制下坠毁。航天员在“和平号”上总共进行了约1.6万个科学实验，帮助研发了600多项新技术。2000—2020年，国际空间站上的宇航员进行了约3000次科学实验，课题领域覆盖基础物理学、地球和空间科学、生物医学等。多家跨国药企都在国际空间站上开展过或正在开展药物和医疗器械实验。一线抗癌药物帕博利珠单抗和帮助降低患者骨折风险的骨质疏松治疗药物普罗力的研发，都离不开空间站的微重力环境。

空间站能提供地面实验室无法提供的微重力环境，可以培育出地面实验室无法培育的品种。例如，我国某企业利用空间站进行益生菌育种。经过太空环境诱变的鼠李糖乳杆菌M9的菌落形态发生了明显变化，变得更大更黏，因此其益生特性可能也发生了变化。益生菌在地球环境中的变异速度远没有在太空中快，因此，要获得更耐人类胃酸、益生效果更好的菌种，空间站的太空环境可以大大加速益生菌的变异速度，从而快速获得人类需要的变异特性。

“天宫二号”上进行的科学实验