从“神舟”到“天宫”

庞之浩

从第一颗人造地球卫星“东方红”诞生，再到神舟十三号载人飞船成功返回，中国人对无边宇宙的探索从未停止。

早在1964至1966年，中国就发射了多枚生物火箭，先后把小白鼠、大白鼠和小狗等动物送上了天并实现安全回收。这些生物火箭试验开创了中国宇宙生物试验的先河，为航天医学的发展积累了宝贵的经验。

1966年，中国制定了第一个“载人宇宙航行规划”，设想在1973至1975年发射中国第一艘载人宇宙飞船，并在两年内将两名航天员送入太空。1968年1月，中国召开了载人飞船总体方案设想论证会，在这次会上，中国第一艘载人飞船被命名为曙光一号。

1968年4月1日，代号507的航天医学工程研究所正式成立，主要承担有关航天员生命保障、医监医保以及航天员选拔训练的任务。参照当时苏联和美国的经验，中国从战斗机飞行员中拔出19名预备航天员。1971年4月，展开了全面的飞船方案论证工作。

1975年11月26日，中国发射了第一颗返回式卫星，几天后成功回收，为中国载人飞船的返回奠定了基础。

但由于当时的政治环境、经济能力、技术水平和工业基础等条件不成熟，中国无法承担这一耗资巨大的工程，该工程在1975年不得不中途下马。

改革开放后，中国于1986年起开始实施“863”计划—发展高技术，其中包括发展载人航天技术，中国载人航天再次迎来了难得的发展机遇。

在载人航天器中，空间站具有体积大、寿命长和功能强的特点，适合长期载人航天，开展太空科研工作，但不能天地往返，所以在研制、发射空间站之前要先研制可以天地往返但体积小、寿命短的宇宙飞船或航天飞机，主要用于接送航天员和货物。

当时专家就研制哪种天地往返运输器有很大争议，在呼声较高的5种方案中有4种是研制航天飞机的方案，只有一种是研制载人飞船的方案。不过经过几年的深入论证，根據当时中国的国情和国力，遵照“有限目标、突出重点”的“863”高技术研究发展的指导思想，专家们最后一致同意从载人飞船起步，直接研制可载人3人的三舱式载人飞船“神舟”。研制载人飞船也可最大限度地利用中国已掌握的返回式卫星的成熟技术。

1992年9月21日，国家批准研制中国载人飞船工程立项启动，以日期命名为“921工程”，一个路线清晰且雄心勃勃的蓝图也跃然纸上—“三步走”战略。

第一步，突破和掌握载人天地往返运输技术，即用载人飞船将航天员安全地送入轨道，并安全返回地面。这一步中国通过2003年发射神舟五号飞船进行单人单天飞行，2005年发射神舟六号飞船进行两人多天飞行完成。

第二步，突破航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术，并发射空间实验室和货运飞船，这些也都是建造空间站的基础。这一步分两个阶段实施。在第一阶段，先于2008年发射了神舟七号载人飞船，航天员翟志刚完成了空间出舱活动，使中国突破了太空行走技术。随后于2011年发射了天宫一号目标飞行器，接着在2011至2013年陆续发射了神舟八号、九号、十号飞船与之分别对接，使中国突破和掌握了自动和手动交会对接技术，还验证了组合体飞行技术，飞船也定型了。在第二阶段，中国先于2016年发射了天宫二号空间实验室，然后在2016至2017年先后了发射神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船与之分别对接，从而验证了航天员中期在轨驻留技术、在轨加注技术、货运飞船技术和未来空间站的部分新技术，并进行了较大规模的科学实验和技术试验。

第三步，计划在2022年建成长期载人的大型空间站“天宫”，开展大规模、长期有人照料的空间应用。中国没有走美苏建空间站的老路，利用后发优势，直接研制达到世界第三代空间站水平的“天宫”空间站。它采用积木式构型，由3个20吨级舱段组成T字形。它将在轨运营10年以上，用于获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果。

2022年4月30日，长征十一号运载火箭“一箭五星”在中国海域成功发射。这是“长征”系列运载火箭的第418次飞行。“长征”系列运载火箭实现第一个100次发射用时37年；实现第二个100次发射用时7年多；实现第三个100次发射用时4年多；而实现第四个100次发射用时仅2年多。

无论在运载能力、发射数量，还是在型号种类、入轨精度等诸多方面，“长征”系列运载火箭是中国运载火箭中的绝对主力，名副其实的“国家队”。几十年来，通过中国几代火箭人的不懈努力，“长征”系列运载火箭走过了从常温推进到低温推进、串联到并联、低轨到高轨、“一箭一星”到“一箭多星”；从发射人造地球卫星到发射载人航天器和空间探测器、陆射到海射等技术历程，在推力、成功率、发射频度、入轨精度和适应能力等方面均达到世界一流火箭水平。

在载人航天工程中，长征二号F运载火箭（长征-2F）是“神舟”载人飞船的“黄金搭档”。从1999年到2021年，素有“神箭”之称的长征-2F在20多年间将5艘无人飞船、8艘载人飞船、1个目标飞行器和1个空间实验室相继送入太空，创造了发射成功率100%的完美飛行。

在新一代运载火箭中，长征五号B大型运载火箭（长征-5B）是空间站建设的“核心骨干”，长征-5B是专为中国载人航天工程空间站核心舱和实验舱等舱段发射任务打造的一型全新构型的大型运载火箭。2020年搭载新一代载人飞船试验船首飞成功，拉开了中国空间站在轨建造的序幕。

而长征七号运载火箭（长征-7）则是空间站货运飞船的“专列”，长征-7是为满足中国载人空间站工程发射货运飞船的需求而研制的新一代高可靠、高安全的中型运载火箭。从2016年到2022年，长征-7首飞成功后，先后将4艘货运飞船送入太空。

1999年11月20日，中国第一艘无人试验飞船神舟一号首次成功发射，对突破载人航天技术具有重要意义，是中国航天史上的重要里程碑。截至2022年4月，中国已成功发射了13艘“神舟”系列飞船，其中8艘载人飞船，5艘无人试验飞船，成功率达100%。

“神舟”采用由轨道舱、返回舱和推进舱组成的三舱式构型，乘员人数最多3人，可自主飞行7天、停靠飞行180天。其轨道舱位于飞船前部，用于航天员入轨后的工作、吃饭、方便、睡觉和交会对接等；返回舱位于飞船中部，是航天员天地往返时的座舱，也是飞船的控制中心；推进舱位于飞船后部，为非密封结构，为飞船提供动力、电源、燃料等。

“神舟”飞船虽然是一种小型载人航天器，但它由14个分系统组成。这些分系统涉及物理、医学等数十种学科领域，所以具有技术多样性和研制复杂性的特点。

2020年，中国成功发射了新一代载人飞船试验船。与“神舟”相比，新一代载人飞船具有载人多、用途广和可重复使用等一系列优点，可用于未来的载人登月等任务。

“神舟”飞船采用了多项新技术，其中10多项关键技术达到国际先进水平。它使中国的载人飞船技术达到或优于国际第三代载人飞船的水平。“神舟”飞船具有以下主要特点：

★起点很高。作为中国第一代载人飞船，“神舟”采用了当时最先进、目前仍较为先进的3舱式构型，一次可乘3名航天员。

★性能先进。例如，它采用了信息技术的最新成果，从自动化控制、制导与导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示设备，“神舟”的电子技术和智能化水平都领先于同类的俄罗斯“联盟”载人飞船。

★防热性好。其返回舱表面积是22.4平方米，使用的防热材料总质量约500千克。俄罗斯“联盟”飞船返回舱表面积是17平方米，但防热材料质量达700千克。

★降落伞大。“神舟”的主降落伞是中国航天器用最大环帆伞，有1200平方米，可叠起来却只有一个小提包大，质量仅约90千克。

载人航天的核心是载人，关键在航天员。中国载人航天起步晚，航天员培养和训练更是从零开始。肩负着重要使命的航天员，需要具有献身精神、学识水平、工作能力、环境耐力、心理素质和身体素质，选拔标准极高，可谓“千万里挑一”。

1998年1月5日，中国航天员大队成立，从1500多名优秀空军飞行员中严苛选拔的14人，成为中国首批航天员。2010年5月，中国完成第二批航天员选拔工作，新加入7名航天员。2020年，中国完成第三批航天员的选拔工作，新加入18名航天员，其中7名航天驾驶员是从战斗机飞行员里选拔的，7名航天飞行工程师是从与航空航天相关的工程师里选拔的，4名载荷专家是从科学家里选拔的。

载人航天飞行科技含量高、程序流程复杂，航天员每一个操作、每一个细节都直接关系着任务的成败。从天空到太空，航天员们不仅要转换角色，更要经历身体素质、心理素质、知识储备甚至面对特殊环境的全方位考验。航天员要学习掌握包括体能心理强化、航天专业技术、救生与生存等8大类上百个科目训练，每周要固定进行体能训练。

航天环境的适应性训练是一道难关，例如，模拟失重训练，航天员要身着160多千克重的水下训练服，在深水中反复训练舱外活动技能；头低位卧床训练，连续多日保持头低脚高的姿势，顶着脸部充血、鼻塞头痛、胸闷失眠等严重不适，同时进行进食饮水、清理个人卫生等日常操作训练；超重耐力适应性训练，置身时速100千米旋转的离心机，承受8倍重力加速度，以及30分钟以上的低压缺氧训练等等。

中国航天员这支特殊的群体、堪称“国宝”的团队，为中国由航天大国向航天强国的目标迈进做出了巨大奉献。如今，中国空间站进入在轨建造阶段，中国航天员也将面临新任务，他们正探索着未知的新高度。

在进入空间站阶段前，2011年和2016年，中国先后发射了天宫一号目标飞行器和天宫二号空间实验室。用这两个“微型空间站”验证了交会对接、组合体飞行及航天员中期在轨驻留、货运飞船和未来空间站等部分新技术。与载人飞船相比，它们具有空间站寿命长和功能强等一些元素，但因其体积比较小，所以视为微型空间站。

天宫一号和二号在外形、结构、尺寸、质量上基本相同，均由实验舱和资源舱组成，其中的实验舱是控制舱，也是航天员的工作舱和生活舱，由密封舱和非密封舱组成；资源舱是非密封舱。

实验舱的密封舱有专用的睡眠区、锻炼区、实验区、仪表区，非密封舱安装了航天应用设备或空间实验设备。实验舱前端装有通信设备、交会测量设备和对接机构，用于支持与载人飞船实现交会对接。

资源舱用于提供动力、燃料和电能。舱内主要装有推进剂贮箱、镍氢蓄电池以及环境控制用气瓶等设备。舱外装有太阳电池翼以及中继卫星天线。

为了满足航天员中期驻留30天的需要和后续的空间站建设，天宫二号做出了以下改变：

改善了就餐和睡眠环境，增加了锻炼设备和娱乐设施；

安排了在轨维修技术验证和机械臂维修操作验证系统，对空间站的维修体系进行了全面验证需求；

采用了模块化设计，即当某个设备出现故障时可以像插拔U盘一样快速更换和在轨维修；

与天舟一号货运飞船进行了在轨补加推进剂技术试验。

天宫一号是中国入门级的空间实验室，也是中国迈入航天“三步走”战略的第二步第二阶段，主要任务是完成交会对接与绕地运行的实验。

2011年9月29日，中国成功发射了第一个目标飞行器—天宫一号，并完成手动和自动对接。2016年3月16日正式终止数据服务，2018年4月2日再入大气层，销毁部分器件。在轨期间，天宫一号先后与神舟八号、神舟九号和神舟十号飞船完成多次空间交会对接。

在轨期间主要完成了四大任务：

★作为交会对接的目标，与“神舟”飞船配合进行了空间的交会对接任务；

★实现了与“神舟”飞船对接后的组合体控制和管理；

★实现了航天员的在轨驻留、生活和工作，为航天员提供在组合体内工作生活所需的基本条件，开展了相关的科学实验；

★进行空间技术试验，为未来空间站的建造进行先期的技术验证。

天宫二号是中国载人航天工程发射第二个目标飞行器，也是中国首个具备补加功能的载人航天科学实验空间实验室，担负着验证空间站所需技术的重任。

2016年9月15日发射升空，2019年7月16日终止数据服务，2019年7月19日受控离轨并再入大气层，落入南太平洋预定安全海域。在轨期间，天宫二号先后与神舟十一号、天舟一号进行对接，承担着验证空间站相关技术的重要使命。

在轨期间主要完成了三大任务：

★验证航天员在轨中期驻留技术，进行在轨维修技术试验；

★与货运飞船对接，验证推进剂在轨补加技术；

★开展大规模空间科学和应用实验。

“神舟”飞船是一个狭小的空间，如果说到天宫二号空间实验室是一室一厅，那么到了中国空间站就变成三室两厅还带储藏间的“豪宅”—“三室”指天和核心舱以及问天和梦天实验舱，“两厅”则是指“神舟”载人飞船和“天舟”货运飞船。

中国空间站工程于2010年9月25日立项，计划在2022年建成和运营近地载人空间站，从而使中国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与实验和综合开发利用太空资源能力的国家。

中国空间站基本构型包括“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱，这三个舱每个质量都是20吨级，采用水平对称T型构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构，所有舱段均位于组合体水平面内，其中“天和”核心舱居中，“问天”实验舱和“梦天”实验舱对接于两侧。

中国空间站也可以根据需要进一步扩展，由“T”字构型扩展成“干”字构型，活动空间增加一倍。它有望取得有重大科学价值的研究成果和有重大战略意义的应用成果。

中國空间站的应用是以建设国家太空实验室为目标，充分利用空间站能力，开展科学前沿的创新性实验和应用研究，力争在科学和技术上取得重大突破，主要包括航天医学实验、空间科学研究与应用和航天技术试验三大类。

探索未知宇宙、发展航天技术是人类的共同事业，国际合作也是航天发展的趋势潮流。

中国空间站是历史上此类项目首次向所有联合国会员国开放。中国已经和联合国外空司联合开展了面向国际的中国空间站空间科学实验项目征集活动，来自17个国家、23个实体的9个项目成功入选中国空间站第一批科学实验项目，这是中国载人航天工程首次通过联合国进行的大规模国际合作。此后，还在继续面向国际征集实验项目。

“天和”

2021年4月29日，中国先用长征-5B将“天和”核心舱送入太空预定轨道，宣告了中国开启空间站任务的新时代。

“天和”核心舱是空间站组合体控制和管理主份舱段，具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验能力，可支持3名航天员长期在轨驻留，可装有4个科学实验柜。其发射质量为22.5吨，是中国目前研制、发射的最大航天器，长16.6米，供航天员工作生活的空间可达50立方米。

2021年发射的“天和”核心舱采用了不少新技术。例如，配置有一部承载力达25吨的10米长“七自由度大型空间机械臂”。它可在舱体表面的爬行移动。无论是舱段转位、大设备的移动，还是航天员自身移动，都可用该机械臂完成。

为了降低载人航天的成本，“天和”采用了再生式生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收，排泄的尿液也会回收净化，重新作为饮用水和生活用水使用。电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳，将通过化学反应生成氧气。这些都降低了空间站生命保障的补给成本。

“天舟”

由于中国正在建造的大型空间站“天宫”要长期载三人在轨运行，而“神舟”载人飞船每次满载三人上天时只能携带300千克货物，为此，中国又研制和发射了每次能为空间站运送近7吨货物的“天舟”货运飞船，从而满足空间站长期载人航天的需求。第一艘“天舟”号货运飞船于2017年4月20日发射，随后与天宫二号完成首次对接。

“天舟”货运飞船由货物舱和推进舱组成，其中货物舱用于存放货物、设备，推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。每艘“天舟”货运飞船可停靠空间站1年。

该飞船整船最大装载状态下重量达13.5吨，上行货物运输能力为6.9吨，其载货比（所载货物重量与飞船总重量之比）高达51%，居世界第一；每次货物的运载量在全球现役货运飞船中也最大的。

“问天”“梦天”

2022年将发射“问天”和“梦天”两个实验舱。两个实验舱用于支持大规模开展舱内外空间科学实验和技术试验。它们与“天和”核心舱对接后，航天员在空间站的活动空间可达110立方米。

“问天”实验舱还可作为组合体控制和管理的备份舱段，并具备乘员出舱活动能力，有3个卧室，可装8个科学实验柜；

“梦天”实验舱还具备载荷自动进出舱能力，可装13个科学实验柜。

“问天”实验舱配置了1个5米长小机械臂，可以与核心舱的大机械臂组合成15米长的更大机械臂。

“巡天”

在发射了三个舱后，中国还将发射与“天宫”空间站共轨飞行的“巡天”光学舱。它将搭载2米口径的首个大型空间巡天望远镜，分辨率与美国“哈勃空间望远镜”相当，但视场是后者的300多倍，可在大范围巡天科学研究方面显身手，将在宇宙结构形成和演化、暗物质和暗能量、系外行星与太阳系天体等方面开展前沿科学研究，有望取得一批新成果。

（本报道撰文者系全国空间探测技术首席科学传播专家）