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天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

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10月27日中国正式宣布中国载人空间站工程启动,明年将发射天宫一号目标飞行器和神州八号飞船,并将在2020年前后建成空间实验室。那么在接下来的10年时间里,中国空间站的建设将会经历一个怎样的过程?它最终建成时又会是一个怎样的水平?网易军事将给予独家分析。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

中国早在90年代的921工程启动的时候就提出了载人航天三步走的战略。在前几年的规划中,天宫一号是计划在2010年进行发射。

中国载人航天官方网站10月27日宣布中国载人空间站工程启动,明年将发射天宫一号目标飞行器和神州八号飞船,新闻还提到载人空间站工程分为“空间实验室”和“空间站”两个阶段,2016年前发射空间实验室,2020年前后进行载人空间站建设。中央电视台、新华网和中国新闻网等官方媒体也进行了报道。沉寂已久的载人航天工程再次发力,航天站的建设正式启动。读者需要注意的是,新闻中的“空间实验室”就是指明年发射“天宫一号”目标飞行器,及后续的天宫二号、天宫三号。

其实对于关注中国航天的爱好者来说,这个新闻颇有旧闻的味道。1992年正式启动的921工程中,就明确提出了载人航天三步走的发展战略。三步走战略的第一步是掌握载人航天技术,使中国成为具备独立研制、成功发射和顺利回收载人航天器的国家;载人航天第二步的目标是突破航天员出舱活动和航天器空间交会对接技术,实施空间实验室工程;载人航天第三步的目标是建造大规模、长期有人照料的空间站。近日的新闻重提了这个规划,给出了更确切的时间表。中国载人航天工程自2003神舟五号顺利发射和成功返回后,已经实现了第一步的目标;2008年神舟七号出舱活动后,第二步的目标已经部分实现。明年发射天宫一号目标飞行器和与之对接的神州八号飞船后,将逐步实现第二步的目标。第三步的大型长期有人照料的空间站将在2020年前后实现,此时中国载人航天领域将具备全面的工程技术能力,达到国际先进水平。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

天宫一号实物图片,从图片中可以看出其对接装置仿制的是俄罗斯APAS-89对接装置(图中小图)。

天宫一号的结构和技术特点

2008年神舟七号飞行中提前进行了航天员出舱活动(EVA),2009年春节联欢晚会上天宫一号目标飞行器亮相。天宫一号目标飞行器是为了满足中国载人航天第二步第一阶段任务而研制的新型航天器,要求具备进行交会对接试验、提供航天员在轨工作生活空间、开展空间科学技术试验等能力,并为空间站系统建设积累经验。天宫一号目标飞行器由实验舱和资源舱两部分组成,实验舱是密封舱,用于航天员驻留期间在轨生活和工作,资源舱为非密封环境,安装发动机、电源装置并外接太阳能电池板,为飞行器提供轨道维持能力和电力供应。天宫一号将为后继的空间实验室和空间站进行新技术验证,采用了一系列新技术新工艺,实现电子设备的小型化和多功能化,还将验证近地轨道航天器长期在轨的能力,在技术上是一个很大的跨越。天宫一号作为一种大质量平台,还将改进为货运飞船,甚至作为大型天文和对地观测平台使用。

天宫一号实验舱前段安装了一个交会对接结构,这是天宫一号目标飞行器和神舟飞船进行对接联通的关键所在。2002年起上海航天技术研究院就开始研制对接装置,已经进行了大量的地面试验,2009年进入初样研制阶段,从天宫一号的视频和图片看,中国的对接装置仿制俄罗斯APAS-89对接装置,公开报道中和APAS-89一致的0.8米内部直径也验证了这一猜测。从现有资料看,中国的交会对接将使用高精度的激光雷达测量相对姿态,这是俄罗斯并未投入实用、欧日在ATV/HTV中开始使用的新技术,这说明中国载人航天技术并不仅是学习俄罗斯的成熟技术,而是着眼技术前沿,博采众家之长。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

天宫一号与神舟飞船的对接想像图,请注意在对接中还使用了激光系统来进行对接校准和距离测量(图中红框处)。天宫一号将与三艘神舟飞船进行对接试验。

天宫一号将与三艘神舟飞船进行对接试验

天宫一号设计寿命2年,将分别在2011年下半年、2012年完成神舟八号、神州九号和神舟十号飞船的交会对接试验。2011年首次对接试验的神州八号将是无人飞船,神舟十号则确定为有人飞船,神州九号是否载人将根据神州八号对接试验的具体结果确定。天宫一号寿命主要的制约因素是轨道维持,由于不具备和货运飞船对接的能力,天宫一号只能靠发射时自带的推进剂维持轨道。目前太阳活动进入了新一轮的活跃期,近地轨道的大气密度将大大增加。8吨级的天宫一号维持在340公里高度的神舟飞船轨道上,较极端的情况下轨道维持需要1.6吨推进剂,若在400公里高度轨道,则同等条件下只需要800多千克。

天宫一号发射已经一再延期

由于天宫一号目标飞行器设计制造的技术跨度和空间交会对接的技术难度,或许还有保证后继神舟飞船按时发射的因素,使天宫一号的发射一再延期,2010年8月18日天宫一号完成总装,发射则确定为2011年上半年,发射仍将使用现有的长征二号F型火箭。2011年载人航天技术领域还有一次重要发射,那就是空间机械臂卫星的发射。空间机械臂将成为大型空间站的重要组成部分,此外空间机械臂还是空间自主交会与在轨服务的必要技术。2007年《航天器工程》刊物上就刊登了《空间机械臂技术及发展建议》的论文,2008年中国公开了空间机械臂的信息并计划2011年发射,空间机械臂由科工九院的湖北红林厂生产。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

央视纪录片中关于未来神舟1×号飞船与“天宫2号”对接想象图,小图为将与天宫3号进行对接的货运飞船想象图,它将以天宫一号为平台改进而来。

天宫二号将同时与两艘神舟飞船对接

按照规划,在正式发射构建空间站之前,除了天宫一号,还要发射2个空间实验室对所有技术进行验证,这就是天宫二号和天宫三号。从目前的资料看,天宫二号和天宫三号在设计上与天宫一号大同小异,都是8.5吨级的空间实验室,不过后继的空间实验室可能增加一个对接装置,为大型空间站核心舱的双对接装置进行技术验证。2013年左右中国将发射天宫二号空间实验室,并分别发射两艘载人的神舟飞船与其进行交会对接,天宫二号将主要开展地球观测、空间应用技术和航天医学等试验,天宫二号任务期间还将与伴星二号伴飞,公开的消息中,天宫二号没有货运飞船在轨试验,它的轨道寿命恐怕仍然是2年。

天宫三号将首次与货运飞船对接

天宫三号将2015年左右发射,天宫三号空间实验室将主要验证再生生保关键技术、航天员中期在轨驻留、飞行器长期在轨自主飞行和货运飞船在轨试验等技术,还将开展部分空间科学和航天医学试验。天宫三号空间实验室很可能具备两个对接装置,它在轨飞行期间总计与两艘载人神舟飞船和一艘货运飞船对接。货运飞船将输送补给,并为天宫三号提升轨道,它以天宫一号为平台改进而来,总质量13吨,上行运货能力不大于5.5吨,货运能力两倍于俄罗斯现有的进步号货运飞船,但略小于日本的HTV和欧洲的ATV飞船。

货运飞船将使用新型长征2F/H火箭发射

由于中国货运飞船的质量大于现有发射神舟飞船的长征二号F火箭的运载能力,将使用新的长征二号F/H运载火箭发射。根据载人航天官方网站的介绍,长征二号F/H运载火箭使用YF-100液氧煤油发动机代替了原有的肼类发动机,发动机比冲更高,火箭起飞推力也更大,因此具有更大的运载能力,近地轨道运载能力分别为货运13吨和客运12.5吨。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

中国官方去年在国际宇航联大会上发布的最新的空间站模拟图。空间站的主体由核心舱和两个实验舱组成,另外还带有大型桁架。它将在2016年后开始建设。

中国载人空间站的结构特点

天宫一号到天宫三号的空间实验室验证了空间交会对接、航天器长期飞行、再生式生保、货运飞船补给和航天员中期驻留的技术后,2016年至2022年中国将建成一个大型载人空间站,空间站轨道高度为400~450公里倾角42~43度,设计寿命为10年,长期驻留3人,总质量可达60吨,以进行较大规模的空间应用。建设大型空间站是中国载人航天三步走战略的第三步,这个阶段中国将掌握近地轨道空间组装、近地轨道长时间有人驻留等技术。大型空间站的舱室将由正在开发的长征五号火箭发射,核心舱和两个实验舱都是密封加压舱,核心舱前部的5个对接口平时与一艘神舟飞船对接,最后留有2个对接口备用。

中国官方在2008年和2009年的国际宇航联合会公布文档的想象图中,货运飞船多与核心舱另一端的对接口对接,这可能是方便货运飞船进行轨道维持的缘故,中央电视台《飞天之路》纪录片中,就有货运飞船与核心舱前部对接的片段,根据这段视频,除了核心舱和实验舱,空间站上还有两艘神舟飞船和两艘货运飞船,此时空间站总质量超过100吨。想象图和相关视频中,还出现空间机械臂的身影,但和国际空间站用于对接的机械臂不同,从视频看中国的机械臂并没有用于对接,而是用于实验舱的转移,不知道是否意味着核心舱前部只有一个对接装置具有完整的对接能力。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

美国NASA拍摄的前苏联和平号空间站图片,由于中国缺乏与其他国家的技术交流,在空间站的发展规划上基本上是复制了前苏联的发展步骤。

对前苏联载人航天的复制和超越

官方资料想象图还有很有趣的一个地方,实验舱的两侧都有很明显的桁架结构,不过并没有附着太阳能电池板等功能器件,这预示着这个空间站并不是”目标站”,中国载人航天网载人空间站的文章结尾有这么一句话“在实现空间站建设目标后,我们将以此为新的起点,追求更高的目标”,或许中国航天人的目标是国际空间站类型的大型桁架式空间站,当然那肯定是2030年以后的事情了。

展望中国载人空间站的发展规划,会发现一个现象:从天宫一号到载人空间站的发展,基本就是复制苏联时代礼炮一号到和平号的发展史,这与中国缺乏与其他先进国家的技术交流,只能接触俄罗斯的航天技术有关。不过中国航天并没有停止对更高水平的追求,从30多年前根据公开资料仿制双子星飞船的曙光号飞船,到现在激光雷达系统、新型货运飞船的开发,还有将来可能的大型桁架式空间站,无不体现了追赶世界先进水平的雄心,当然更高的技术水平肯定需要更多的投资来支撑。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

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俄罗斯空间网根据中国在今年范堡罗航展上展出的长征5号E火箭模型(图中小图),做出的发射工位上的长征五号运载火箭想象图。中国空间站计划直接推动了长征五号大推力火箭的研制。

空间站没有不可替代的作用

对于投资巨大的航天事业,长久以来世界各国的公众都颇有微词。载人航天领域投资直接的费效比很低,除了研究太空长期工作生活对人体的影响,载人航天站目前没有不可替代的作用。无论是对地观测、天文观测还是工业技术研究,都可以通过其他手段以更低的成本实现。好事者曾讽刺国际空间站说它最大的价值就是证明人类具备了组装400吨级空间站的能力,辛辣的讽刺揭示了国际空间站科研上的尴尬地位。

中国空间站计划直接推动长征五号火箭的研制

同样中国的载人空间站也不会成为“下金蛋的鸡”,但就中国具体国情来说,载人空间站的发展还是有其不可替代的作用。921工程明确提出了三步走的战略,第三步的空间站需要开发大型运载火箭,直接推动了新一代长征五号运载火箭的发展。目前长征五号可预见的三个用途是发射载人空间站20吨级舱室,发射探月工程的取样返回探测器,发射大质量的东方红五号通信卫星,后两项都是近期才确定的目标,可以说如果没有当年载人空间站计划的推动,中国航天事业与先进国家的差距将进一步扩大。

在载人航天站的研制中,中国将掌握诸多航天发展不可缺少的技术如空间交会对接、客运货运飞船、在轨组装和长期运行、人类长期空间驻留,这些技术短期内看不到经济价值,但航天长期发展来说是不能回避的。此外空间站建设中开发的货运飞船,大型舱段,也将为中国提供新的太空平台,发展出类似KH-9/11的大型对地观测卫星以及大型天文观测卫星,如天宫二号空间实验室将搭载观测GRB偏振的POLAR载荷,以天宫为平台2018年左右中国将发射15吨级的X射线时变和偏振探测卫星(XTP)。

天宫的征途:中国载人空间站规划浅析

从中国目前载人航天的发展规划来看,包括载人空间站在内的载人航天项目本身着眼于技术的积累与突破,总体投资不算太高,也没有苛求进度。美国曾有20个月发射10艘双子星飞船,实现从双人成员组到交会对接的规模与进度记录。竞赛中苏联实力不足,但14年发射40艘联盟飞船,其中22艘与礼炮号对接,也是令人叹为观止的。相比之下中国空间站建设6年多的准备阶段预计只会发射3个空间实验室、2艘无人飞船和5艘载人飞船外加1艘货运飞船,尽量做到好省的原则,和美苏冷战期间的疯狂发展与重复建设不可同日而语,就是对比欧洲和日本未来的载人航天发展,费效比也要高得多。

另外,载人空间站毕竟是一项投资上百亿的大型航天工程,能否顺利建成是公众目光的焦点,但我们同时也应该对“能否用好”给予足够的关注。当然,对空间站“能否用好”已不仅仅是“航天口”的事情,更多的责任将落在中国科学院及各大学的空间科学研究人员身上。

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