中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)：天宮筑成

　　中國新聞周刊記者/彭丹妮

　　發(fā)于2023.1.9總第1076期《中國新聞周刊》雜志

　　2022年度科技人物 中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)　

　　獲獎(jiǎng)理由

　　2022年，中國空間站在軌完成三艙“T”字基本構(gòu)型，首次實(shí)現(xiàn)六名航天員太空會師，中國空間站全面建成，國家太空實(shí)驗(yàn)室遨游蒼穹。三十而立的中國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略“第三步”取得重要進(jìn)展，中國載人航天器綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)為此做出不懈努力。

　　2022年11月29日，搭載了神舟十五號載人飛船的運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。次日早晨，三名航天員費(fèi)俊龍、鄧清明、張陸進(jìn)入中國空間站，與神舟十四號乘組的三名航天員首次實(shí)現(xiàn)“太空會師”。

　　神舟十五號的發(fā)射，標(biāo)志著中國空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和建造階段的12次發(fā)射任務(wù)全部完成。2021年4月底，“天和”核心艙發(fā)射以來，中國先后發(fā)射了3個(gè)空間站艙段、4艘載人飛船、4艘貨運(yùn)飛船，同一發(fā)射場兩次任務(wù)最短間隔僅12天。自此，中國空間站進(jìn)入運(yùn)營階段，將保持長期有人駐留，乘組在軌輪換也將成為常態(tài)。

　　載人航天是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的系統(tǒng)工程，世界范圍內(nèi)，只有俄羅斯、美國和中國三個(gè)國家獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)。1992年9月，中央決策實(shí)施載人航天工程，代號“921工程”，并確定了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。30年后，隨著空間站全面建成，中國在航天強(qiáng)國建設(shè)的過程中又邁出關(guān)鍵一步。

　　2022年10月末，美國著名的科技類雜志《連線》在《中國現(xiàn)在是一個(gè)主要的太空大國》一文中指出，中國現(xiàn)在已獨(dú)立完成了俄羅斯和美國幾十年前所做的事情，天宮空間站完成得如此之快，而且一些設(shè)計(jì)和技術(shù)比先前的空間站更先進(jìn)。

　　非常完備的航天體系

　　距離世界第一座空間站“禮炮一號”升空50周年紀(jì)念日10天后，2021年4月29日，天宮號的核心艙“天和”發(fā)射。中國天宮空間站由三部分組成，包括“天和”核心艙、“問天”及“夢天”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，整體呈T字型。

　　核心艙是空間站的指揮控制中心，具備交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等能力；密封艙內(nèi)配置有工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)及鍛煉區(qū)，能夠?yàn)楹教靻T工作和生活提供舒適良好的保障。

　　2022年7月24日，“問天”實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射升空，可以對“天和”核心艙平臺功能進(jìn)行系統(tǒng)級備份，能夠在應(yīng)急情況下“整體接管”空間站。它支持航天員在軌駐留，提供專用氣閘艙和應(yīng)急避難場所，還支持開展密封艙內(nèi)、艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。

　　2022年10月31日，搭載“夢天”實(shí)驗(yàn)艙的長征五號B遙四運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射，約8分鐘后成功進(jìn)入預(yù)定軌道。這是中國空間站的第三個(gè)艙段，也是最后一個(gè)模塊。11月3日，隨著“夢天”實(shí)驗(yàn)艙順利完成轉(zhuǎn)位，“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成，擁有整體110立方米活動空間的中國空間站建造完成。

　　空間站工程是中國載人航天工程的第三步?！叭阶摺钡牡谝徊绞茄兄戚d人飛船階段，實(shí)現(xiàn)航天員天地往返等目標(biāo)；第二步是空間實(shí)驗(yàn)室階段，掌握出艙、交會對接技術(shù)，驗(yàn)證推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，完成運(yùn)送貨物補(bǔ)給等任務(wù)；第三步則是空間站建設(shè)任務(wù)，具體來說，又包括關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、組裝建造和運(yùn)營三個(gè)階段。

　　中國空間站研制工作由中國航天科技集團(tuán)五院(以下簡稱“航天五院”)抓總。研制團(tuán)隊(duì)抓總完成天宮空間站系統(tǒng)設(shè)計(jì)、核心艙和問天艙研制發(fā)射任務(wù)，及空間站在軌關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和組裝建造。團(tuán)隊(duì)突破超大型載人航天器系統(tǒng)研制、大型載人航天器交會對接與艙段轉(zhuǎn)位、多任務(wù)高剛度高精度機(jī)械臂在軌操作等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　胡軍是航天科技集團(tuán)五院載人飛船系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師。1993年7月，彼時(shí)從北京大學(xué)博士畢業(yè)的他就加入五院，投身到剛剛啟動的“921”工程中，見證了基礎(chǔ)薄弱的中國載人航天如何一步步騰飛。

　　他在接受《中國新聞周刊》采訪時(shí)稱，當(dāng)時(shí)中國在航天技術(shù)、工業(yè)和人才方面底子薄，大大小小的任務(wù)都要從頭摸索。比如，研發(fā)載人航天工程的相關(guān)軟件要從零起步，當(dāng)時(shí)三位軟件編程設(shè)計(jì)師都是初出校門，邊學(xué)邊研發(fā)，費(fèi)盡心血。

　　胡軍參與了載人天地安全往返、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、空間交會對接技術(shù)等關(guān)鍵控制技術(shù)的攻關(guān)，“返回控制技術(shù)、捷聯(lián)慣性組合導(dǎo)航和地面實(shí)驗(yàn)這幾項(xiàng)攻關(guān)是比較難的。”胡軍說，所以從1993年開始，一直到1999年，中國才發(fā)射神舟一號，當(dāng)時(shí)都是老同志帶著年輕人一點(diǎn)點(diǎn)摸索過來。

　　2003年，神舟五號首次將中國航天員送入太空?；仡^來看，胡軍說，最開始那10年的艱難起步，雖然困難重重，但是的確做了很多工作，為后來載人航天工程第二步和第三步打下了很好的基礎(chǔ)。

　　比如，第一步當(dāng)中，中國建立了現(xiàn)代化的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心、航天員訓(xùn)練基地，建立了測控、火箭發(fā)射、飛船制造、著陸救援等新的技術(shù)體系。更重要的是，像胡軍這一批剛剛參加工作的新人，經(jīng)歷了從神舟一號到神舟五號的鍛煉，都逐步成長為各自領(lǐng)域的專家。再加上整體國力、工業(yè)水平等方面的綜合提升，載人航天工程的二期和三期開展得更加順利。

　　“921”工程帶動了中國整體航天技術(shù)的進(jìn)步。比如，為了支撐中國載人航天工程，中國建立了自己的中繼衛(wèi)星。從2008年4月發(fā)射天鏈一號01星以來，中國已建成了擁有全球覆蓋能力的中繼星衛(wèi)星系統(tǒng)，使得實(shí)施空間站交會對接技術(shù)時(shí)，不會受到測控資源的約束。

　　“我國當(dāng)前有了非常完備的航天體系?！焙教炜萍技瘓F(tuán)五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔2022年8月在接受央視采訪時(shí)談道，而且，諸多技術(shù)能力是完全自主可控的。

　　一個(gè)面向全球的太空研究基地

　　2022年10月，接受《自然》雜志采訪時(shí)，澳大利亞格里菲斯大學(xué)研發(fā)太空技術(shù)的教授保羅·索薩表示，中國建造天宮空間站是一項(xiàng)巨大的成就。“這是杰出的，”他補(bǔ)充說，空間站為中國研究人員開辟了一個(gè)新的科學(xué)研究基地。

　　空間站是人類飛往深空的前哨站，也是人類在太空中的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。《自然》雜志指出，天宮號是目前太空中唯二的實(shí)驗(yàn)室，預(yù)計(jì)將在其至少10年的生命周期內(nèi)開展1000多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

　　雖然空間站運(yùn)行在距離地面340至450公里的低地球軌道上，比起地球到月球、火星等天體的距離近很多，但是這里已進(jìn)入了太空，可以獲得微重力環(huán)境，這為許多研究提供了可能性。

　　2022年5月，神舟十三號載人飛船返回艙在北京開艙，出艙的除了宇航員，還有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟等單位精選的作物種子。這次跟著3名航天員一起搭乘該飛船返回地球的有約12000顆種子，包括中藥材、牧草、水稻、生菜等各類植物種子。

　　太空育種的最大優(yōu)勢在于空間誘變材料的變異率高、育種周期短，可在較短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)制出高產(chǎn)、早熟、抗病等性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源。30多年來，中國通過航天育種已篩選新材料1200多份，培育水稻、小麥、大豆、蔬菜等新品種260多個(gè)。

　　2022年7月，空間站系統(tǒng)總指揮王翔等人發(fā)表的文章《我國天宮空間站研制及建造進(jìn)展》指出，天宮空間站作為國家太空實(shí)驗(yàn)室，將利用艙內(nèi)25個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、艙外67個(gè)暴露載荷支持設(shè)施，持續(xù)滾動開展各類研究。主要研究方向包括航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、空間天文與天體物理學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)等。

　　空間站實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采取滾動征集、遴選和實(shí)施的機(jī)制，每2~3年按照規(guī)劃進(jìn)行一次項(xiàng)目征集。與國際空間站將合作國以外的他國科學(xué)家拒之門外不同，中國空間站的實(shí)驗(yàn)室資源是面向全球的。中國載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平曾表示，對一些有意愿、沒能力獨(dú)立從事載人航天活動的國家，中國可為其提供太空飛行和科研的機(jī)會。

　　天宮空間站的高速通訊系統(tǒng)可以每天向地面發(fā)送數(shù)10G的數(shù)據(jù)。這將讓科學(xué)家得以分析所有可能包含了重大發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)，例如非常微弱的伽馬射線暴，或其他可能被當(dāng)作噪音而忽視的天體物理活動。天宮還搭載了一臺超級計(jì)算機(jī)，能在太空中分析數(shù)據(jù)，這些信息隨后可以與地面科學(xué)家共享，以便研究同步進(jìn)行。

　　空間站建成后，預(yù)計(jì)2024年前后投入運(yùn)行的巡天空間望遠(yuǎn)鏡也將與它共軌飛行，在附近軌道上以光學(xué)和紫外線波長觀測宇宙。巡天的口徑為兩米，分辨率與哈勃望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，且視場角是哈勃的300多倍，是中國第一個(gè)大口徑、大視場的空間天文望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)巡天望遠(yuǎn)鏡需要維修、推進(jìn)劑補(bǔ)加和載荷設(shè)備升級時(shí)，就可以與空間站對接，單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，又不受其他艙體影響。

　　王翔等人指出，這種長期共軌飛行、短期對接?？康哪Ｊ绞翘鞂m空間站在運(yùn)行上的重要?jiǎng)?chuàng)新。除了巡天空間望遠(yuǎn)鏡外， 未來還將可能有更多的航天器與天宮空間站共軌飛行，接受在軌服務(wù)，天宮空間站將逐漸發(fā)揮“太空母港”的重要作用。

　　2022年，是國際空間站工作的第24個(gè)年頭，超長的服役期使得空間站的設(shè)備性能嚴(yán)重老化，每年高達(dá)50億美元的維護(hù)成本，依舊無法修補(bǔ)其損傷。2021年，拜登政府給出了最后的期限：國際空間站最早可能在2030年退役。不過，這還要取決于合作國的意愿。

　　也就是說，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，天宮空間站可能將會成為近地軌道的唯一的空間站。因此，其在太空科學(xué)研究方面的意義將更為顯著。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新曾在接受《中國新聞周刊》采訪時(shí)強(qiáng)調(diào)，所有空間站本身建造技術(shù)的進(jìn)步也都是為科學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)，要有原創(chuàng)、特色的成果和新的技術(shù)應(yīng)用出現(xiàn)，“這是我們的主要目標(biāo)，也是我們由空間大國變?yōu)榭臻g強(qiáng)國的根本方向”。

　　注重應(yīng)用效益和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性

　　空間站技術(shù)發(fā)展方面，此前最具代表性的是蘇聯(lián)的“和平號”空間站和16國聯(lián)合建造的國際空間站。

　　1986年，蘇聯(lián)的“和平號”空間站升空，這是第三代空間站代表，其多艙結(jié)構(gòu)亦可稱之為組合式、積木式的空間站?！昂推教枴笨臻g站由1個(gè)核心艙和5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙都通過核心艙上的接口與之緊密結(jié)合，像堆積木一樣。

　　中國的天宮號亦屬于第三代空間站。美國印第安納大學(xué)研究太空治理的教授艾坦·泰佩爾等人2022年12月在學(xué)術(shù)類媒體《對話》的文章中指出，天宮參照了蘇聯(lián)時(shí)代的設(shè)計(jì)，不過，天宮空間站進(jìn)行了大量的現(xiàn)代化改進(jìn)。

　　空間機(jī)械臂技術(shù)是天宮空間站的亮點(diǎn)技術(shù)之一。天宮空間站在“天和”核心艙配置1個(gè)7自由度大機(jī)械臂，作業(yè)半徑為10米；在“問天”實(shí)驗(yàn)艙配置1個(gè)7自由度小機(jī)械臂， 作業(yè)半徑為5米，可獨(dú)立、組合或協(xié)同使用，完成艙段轉(zhuǎn)位、輔助航天員出艙、艙外貨物轉(zhuǎn)移、懸停捕獲來訪飛行器等任務(wù)。

　　國際空間站以其龐大的規(guī)模、酷炫的外形，已成為當(dāng)代世界航天的標(biāo)志。它由美俄主導(dǎo)，日本、歐洲、加拿大航天局參加，16個(gè)國家共建和運(yùn)行。1998年11月20日，由美國出資、俄羅斯制造的第一個(gè)組件“曙光”號功能艙發(fā)射成功，隨后10多年間，國際空間站從2個(gè)太空艙拓展至15個(gè)太空艙，直到2010年才最終建造完成并轉(zhuǎn)入全面使用階段。

　　國際空間站落成這一年，中國載人空間站工程正式啟動。與國際空間站相比，天宮號雖然起步更晚，反而有了更多后發(fā)優(yōu)勢。正如胡軍所指出的，“每個(gè)年代的航天工程，都打上了那個(gè)時(shí)代的烙印?！彼f，天宮空間站在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮的就是一個(gè)大規(guī)模的中控系統(tǒng)，盡可能把各種分散在各個(gè)艙段的資源整合起來，實(shí)現(xiàn)資源的重組、融合，降低冗余設(shè)計(jì)。比如，信息技術(shù)方面，不再采用國外空間站的點(diǎn)對點(diǎn)通信，而是全總線結(jié)構(gòu)，不但能大大減輕電纜重量，而且數(shù)據(jù)量更大，且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

　　《紐約時(shí)報(bào)》指出，西方航天專家表示，國際空間站的規(guī)模超出實(shí)際需要，特別是考慮到自1994年以來，計(jì)算機(jī)和其他科學(xué)設(shè)備都已經(jīng)小型化。相反，中國空間站吸取了國外空間站的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，最大限度降低組裝、建造和運(yùn)營成本，最大程度地支持科學(xué)實(shí)驗(yàn)。王翔等人發(fā)表的文章寫道，天宮空間站的設(shè)計(jì)從中國國情出發(fā)，遵循規(guī)模適度，有所為、有所不為的原則，充分采用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，注重應(yīng)用效益和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

　　比如，國際空間站中，美、俄、日及歐洲航天局各有一個(gè)主要用于開展實(shí)驗(yàn)工作的實(shí)驗(yàn)艙，其真正用于實(shí)驗(yàn)的艙體占整個(gè)空間站重量比不到20%。天宮號空間站除了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，核心艙也可以開展部分實(shí)驗(yàn)工作。中國載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平近來在接受采訪時(shí)談到，通過高效的空間管理，中國空間站提供的實(shí)驗(yàn)機(jī)柜數(shù)量將會是國際空間站的五分之四。

　　早至2016年，周建平就曾談及，航天事業(yè)很花錢，中國一直在琢磨著省錢。當(dāng)時(shí)，他透露，中國正在研究載人飛船的回收問題，下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)就是回收和重復(fù)利用載人飛船。

　　2022年12月，在接受采訪時(shí)，周建平重提了這一目標(biāo)，并表示，“我相信幾年內(nèi)我們就可以實(shí)現(xiàn)新一代飛船返回艙的重復(fù)使用。”火箭方面，2022年11月26日，由航天六院研發(fā)的一種燒液氧煤油的火箭發(fā)動機(jī)原型試車成功，該發(fā)動機(jī)是瞄準(zhǔn)新一代運(yùn)載火箭重復(fù)使用而打造的天地往返動力裝置。

　　空間站進(jìn)入運(yùn)營階段后，航天科技集團(tuán)五院負(fù)責(zé)載人飛船系統(tǒng)的副總設(shè)計(jì)師胡軍說，空間站有定期例行的發(fā)射任務(wù)，需要載人飛船和貨運(yùn)飛船提供支持服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)航天員和貨物的往來。因此，其所在團(tuán)隊(duì)接下來還是要保證飛船系統(tǒng)的兩大基本使命：交會對接和能夠更加安全可靠地返回。未來，還要進(jìn)一步發(fā)展自主的快速返回系統(tǒng)。他表示，“要未雨綢繆，考慮到更多的場景和可能的意外情況。”

　　中國載人航天的下一個(gè)目標(biāo)是月球。2022年11月28日，在神舟十五號載人飛行任務(wù)新聞發(fā)布會上，中國載人航天工程辦公室主任助理季啟明表示，中國載人航天探索的腳步不會只停留在近地軌道。月球是人類拓展和開發(fā)利用地外空間的理想基地和前哨站，月球探索也一直是當(dāng)今世界載人航天發(fā)展的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。

　　王翔在12月接受央視采訪時(shí)也談到，天宮空間站的前向可以繼續(xù)發(fā)射對接一個(gè)擴(kuò)展艙段，從而提供更多的空間站對接口。后續(xù)如果要開展載人月球探測，一些飛行器的技術(shù)或者新一代飛船的技術(shù)，都可以利用空間站的這個(gè)平臺在天上進(jìn)行驗(yàn)證。“空間站的應(yīng)用和發(fā)展剛剛起步。”

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