中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團隊：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)團隊
獲獎理由
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，國家太空實驗室遨游蒼穹。三十而立的中國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略“第三步”取得重要進展，中國載人航天器綜合性能達到國際先進水平。中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團隊為此做出不懈努力。
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，三名航天員費俊龍、鄧清明、張陸進入中國空間站，與神舟十四號乘組的三名航天員首次實現(xiàn)“太空會師”。
神舟十五號的發(fā)射，標志著中國空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證和建造階段的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個空間站艙段、4艘載人飛船、4艘貨運飛船，同一發(fā)射場兩次任務(wù)最短間隔僅12天。自此，中國空間站進入運營階段，將保持長期有人駐留，乘組在軌輪換也將成為常態(tài)。
載人航天是一項高投入、高風險、高技術(shù)的系統(tǒng)工程，世界范圍內(nèi)，只有俄羅斯、美國和中國三個國家獨立掌握載人航天技術(shù)。1992年9月，中央決策實施載人航天工程，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)在是一個主要的太空大國》一文中指出，中國現(xiàn)在已獨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)計和技術(shù)比先前的空間站更先進。
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”兩個實驗艙，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、保障空間科學實驗等能力；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)，能夠為航天員工作和生活提供舒適良好的保障。
2022年7月24日，“問天”實驗艙發(fā)射升空，可以對“天和”核心艙平臺功能進行系統(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)、艙外科學實驗和技術(shù)試驗。
2022年10月31日，搭載“夢天”實驗艙的長征五號B遙四運載火箭在海南文昌發(fā)射，約8分鐘后成功進入預(yù)定軌道。這是中國空間站的第三個艙段，也是最后一個模塊。11月3日，隨著“夢天”實驗艙順利完成轉(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，實現(xiàn)航天員天地往返等目標；第二步是空間實驗室階段，掌握出艙、交會對接技術(shù)，驗證推進劑在軌補加技術(shù)，完成運送貨物補給等任務(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)驗證、組裝建造和運營三個階段。
中國空間站研制工作由中國航天科技集團五院(以下簡稱“航天五院”)抓總。研制團隊抓總完成天宮空間站系統(tǒng)設(shè)計、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)驗證和組裝建造。團隊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)高剛度高精度機械臂在軌操作等多項關(guān)鍵技術(shù)。
胡軍是航天科技集團五院載人飛船系統(tǒng)副總設(shè)計師。1993年7月，彼時從北京大學博士畢業(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》采訪時稱，當時中國在航天技術(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，當時三位軟件編程設(shè)計師都是初出校門，邊學邊研發(fā)，費盡心血。
胡軍參與了載人天地安全往返、組合導航系統(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)慣性組合導航和地面實驗這幾項攻關(guān)是比較難的�！焙娬f，所以從1993年開始，一直到1999年，中國才發(fā)射神舟一號，當時都是老同志帶著年輕人一點點摸索過來。
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)，使得實施空間站交會對接技術(shù)時，不會受到測控資源的約束。
“我國當前有了非常完備的航天體系�！焙教炜萍技瘓F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談道，而且，諸多技術(shù)能力是完全自主可控的。
一個面向全球的太空研究基地
2022年10月，接受《自然》雜志采訪時，澳大利亞格里菲斯大學研發(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巨大的成就�！斑@是杰出的，”他補充說，空間站為中國研究人員開辟了一個新的科學研究基地。
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實驗平臺�！蹲匀弧冯s志指出，天宮號是目前太空中唯二的實驗室，預(yù)計將在其至少10年的生命周期內(nèi)開展1000多項科學實驗。
雖然空間站運行在距離地面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、北京林業(yè)大學、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。
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展》指出，天宮空間站作為國家太空實驗室，將利用艙內(nèi)25個實驗機柜、艙外67個暴露載荷支持設(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、空間生命科學與生物技術(shù)、空間天文與天體物理學、微重力流體物理與燃燒科學等。
空間站實驗項目采取滾動征集、遴選和實施的機制，每2~3年按照規(guī)劃進行一次項目征集。與國際空間站將合作國以外的他國科學家拒之門外不同，中國空間站的實驗室資源是面向全球的。中國載人航天工程總設(shè)計師周建平曾表示，對一些有意愿、沒能力獨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，或其他可能被當作噪音而忽視的天體物理活動。天宮還搭載了一臺超級計算機，能在太空中分析數(shù)據(jù)，這些信息隨后可以與地面科學家共享，以便研究同步進行。
空間站建成后，預(yù)計2024年前后投入運行的巡天空間望遠鏡也將與它共軌飛行，在附近軌道上以光學和紫外線波長觀測宇宙。巡天的口徑為兩米，分辨率與哈勃望遠鏡相當，且視場角是哈勃的300多倍，是中國第一個大口徑、大視場的空間天文望遠鏡。當巡天望遠鏡需要維修、推進劑補加和載荷設(shè)備升級時，就可以與空間站對接，單獨運行時，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空間站在運行上的重要創(chuàng)新。除了巡天空間望遠鏡外， 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個年頭，超長的服役期使得空間站的設(shè)備性能嚴重老化，每年高達50億美元的維護成本，依舊無法修補其損傷。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，其在太空科學研究方面的意義將更為顯著。北京大學地球與空間科學學院教授焦維新曾在接受《中國新聞周刊》采訪時強調(diào)，所有空間站本身建造技術(shù)的進步也都是為科學實驗服務(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，也是我們由空間大國變?yōu)榭臻g強國的根本方向”。
注重應(yīng)用效益和運營經(jīng)濟性
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個核心艙和5個實驗艙組成，5個實驗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。美國印第安納大學研究太空治理的教授艾坦·泰佩爾等人2022年12月在學術(shù)類媒體《對話》的文章中指出，天宮參照了蘇聯(lián)時代的設(shè)計，不過，天宮空間站進行了大量的現(xiàn)代化改進。
空間機械臂技術(shù)是天宮空間站的亮點技術(shù)之一。天宮空間站在“天和”核心艙配置1個7自由度大機械臂，作業(yè)半徑為10米；在“問天”實驗艙配置1個7自由度小機械臂， 作業(yè)半徑為5米，可獨立、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，已成為當代世界航天的標志。它由美俄主導，日本、歐洲、加拿大航天局參加，16個國家共建和運行。1998年11月20日，由美國出資、俄羅斯制造的第一個組件“曙光”號功能艙發(fā)射成功，隨后10多年間，國際空間站從2個太空艙拓展至15個太空艙，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，“每個年代的航天工程，都打上了那個時代的烙印�！彼f，天宮空間站在設(shè)計時，考慮的就是一個大規(guī)模的中控系統(tǒng)，盡可能把各種分散在各個艙段的資源整合起來，實現(xiàn)資源的重組、融合，降低冗余設(shè)計。比如，信息技術(shù)方面，不再采用國外空間站的點對點通信，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，且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
《紐約時報》指出，西方航天專家表示，國際空間站的規(guī)模超出實際需要，特別是考慮到自1994年以來，計算機和其他科學設(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)驗和教訓，最大限度降低組裝、建造和運營成本，最大程度地支持科學實驗。王翔等人發(fā)表的文章寫道，天宮空間站的設(shè)計從中國國情出發(fā)，遵循規(guī)模適度，有所為、有所不為的原則，充分采用當代先進技術(shù)，注重應(yīng)用效益和運營經(jīng)濟性，實現(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主要用于開展實驗工作的實驗艙，其真正用于實驗的艙體占整個空間站重量比不到20%。天宮號空間站除了兩個實驗艙，核心艙也可以開展部分實驗工作。中國載人航天工程總設(shè)計師周建平近來在接受采訪時談到，通過高效的空間管理，中國空間站提供的實驗機柜數(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。當時，他透露，中國正在研究載人飛船的回收問題，下一個發(fā)展目標就是回收和重復利用載人飛船。
2022年12月，在接受采訪時，周建平重提了這一目標，并表示，“我相信幾年內(nèi)我們就可以實現(xiàn)新一代飛船返回艙的重復使用�！被鸺矫妫�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)動機原型試車成功，該發(fā)動機是瞄準新一代運載火箭重復使用而打造的天地往返動力裝置。
空間站進入運營階段后，航天科技集團五院負責載人飛船系統(tǒng)的副總設(shè)計師胡軍說，空間站有定期例行的發(fā)射任務(wù)，需要載人飛船和貨運飛船提供支持服務(wù)，以實現(xiàn)航天員和貨物的往來。因此，其所在團隊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目標是月球。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今世界載人航天發(fā)展的熱點和焦點。
王翔在12月接受央視采訪時也談到，天宮空間站的前向可以繼續(xù)發(fā)射對接一個擴展艙段，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平臺在天上進行驗證�！翱臻g站的應(yīng)用和發(fā)展剛剛起步�！�
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