今(2021)年6月17日9时22分,长征二F遥十二运载火箭在酒泉卫星发射中心搭载“神舟十二号”太空船以及聂海胜、刘伯明、汤洪波三位太空人成功起飞,进入环绕地球低轨道(LEO)。当天15时54分,“神舟十二号”与已经在轨飞行一个多月的“天和一号”核心舱完成自主交会对接。18时48分,聂海胜等三位太空人进入中华民族第一个太空站,“天宫”太空站的核心舱。就长期驻留太空而言,人类目前还没有超过LEO,中华民族此刻已追平,在某些方面还超越了先进国家。

2021年7月4日8时11分,神舟十二号乘组航天员刘伯明成功开启天和核心舱节点舱出舱舱门,截至11时02分,航天员刘伯明、汤洪波身着中国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服,已先后从天和核心舱节点舱成功出舱,并已完成在机械臂上安装脚限位器和舱外工作台等工作。(新华社)
2021年7月4日8时11分,神舟十二号乘组航天员刘伯明成功开启天和核心舱节点舱出舱舱门,截至11时02分,航天员刘伯明、汤洪波身着中国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服,已先后从天和核心舱节点舱成功出舱,并已完成在机械臂上安装脚限位器和舱外工作台等工作。(新华社)

一长串技术问题必须解决以人类现有技术,太空站不同舱段必须多次发射入轨,然后由太空人在轨道上组合、检测不同的舱段成为太空站。

中华民族在建设太空站方面分成三大阶段。首先必须掌握人员搭乘太空船安全往返地面与轨道之间的技术,这是1992年启动计划,到2003年杨利伟首次上太空。然后必须掌握人员进出在轨飞行的太空船并在舱外行走和工作的技术;此外还有载人太空船与太空站的舱段、货运太空船等太空飞行器在轨对接和分离的技术。

2008年,“神舟七号”太空人实现中华民族太空人首次在轨出舱活动。中国载人航太计划第二阶段成功实施了10次交会对接和分离,为在轨组建太空站打下坚实的技术基础。如今,太空站的建设已经开始。以上这些只是概要叙述,细节多到几本书也说不完,光是出舱的航太服就有一长串技术问题必须解决。更别提遥测、通信保障、人控交会对接、自动快速交会对接、太空站的生命维持系统(水和氧气的再生利用,甚至种植粮食)、太空站的调姿和变轨推进系统(比如核心舱的霍尔电磁推力器)、高效率太阳能板发电系统等。

“天宫”太空站最先发射入轨的是“天和一号”核心舱。2021年4月29日11时23分,长征五号乙遥二运载火箭在海南文昌航太发射场发射“天和”升空,并且在949秒后成功进入LEO轨道。

“天宫”太空站的基本架构呈丁字形:直的一竖是“天和”系列核心舱,横的两半边分别是“问天”实验舱、“梦天”实验舱。前述三个舱段的交会部是核心舱最前部的节点舱。节点舱是一具有六个开口和舱盖的球壳状结构,上面天顶方向一个气闸舱口容许太空人出去到太空站外面;后方通往核心舱;左右各一个通往实验舱;前端一个轴向对接靠泊口;下方还有一个朝向地面的侧向靠泊口。核心舱的前半段小柱体直径小于后半段大柱体,而且大柱体尾部还有舱口可以对接太空船。

2021年4月29日,搭载天和号核心舱的长征五号B运载火箭成功于海南文昌发射场发射升空,迈入中国天宫号空间站组装的第一步。(新华社)
2021年4月29日,搭载天和号核心舱的长征五号B运载火箭成功于海南文昌发射场发射升空,迈入中国天宫号空间站组装的第一步。(新华社)

“天和”核心舱的体型和内部容积大于国际太空站的任何一个舱段。一个“天和”核心舱全部三个靠泊口都是内径80公分的异体同构靠泊口(不同的太空船各自靠泊口的结构是相同的,在紧急救援时尤其有利),可以相容中国任何型号的载人太空船或者货运太空船。华府主导不接纳中国参与的国际太空站(ISS)10个舱段虽然有六个载人太空船靠泊口,但只有两个适用“异体同构”对接装置。国际太空站还有两个货运太空船靠泊口,内径为120公分,不适用载人太空船内径80公分的对接靠泊口。近期人类唯一可用的太空站今年5月29日20时55分,搭载“天舟二号”货运太空船的长征七号遥三运载火箭,在海南岛文昌航太发射场点火发射,约604秒后,太空船与火箭成功分离,精确进入预定轨道。21时17分,太阳能帆板两翼顺利展开工作,发射取得圆满成功。本次任务也是“天舟”货运太空船和长征七号运载火箭组成的太空站货物运输系统的第一次应用性飞行。5月30日5时01分,“天舟二号”货运太空船与“天和”核心舱完成了全自主快速交会对接。“天舟二号”搭载了6.5公吨物资预置在太空站等候太空人抵达之后使用。然后才是6月17日发射三位太空人前往核心舱。

“天和”核心舱直立时,全高约16.6米,全重约22吨,内部容积约50立方米,大于ISS的任何舱段。“天和”能够支持三位太空人长期生活和工作,在组员换班时能够短期支持六位太空人。

核心舱分为三个主要部分,顶部是节点舱,中间的小柱段是圆筒形的生活、控制舱,下方的大柱段是资源舱。节点舱外部最宽部分估计约2.8米,高度约3.5米。生活、控制舱外径约2.8米、长度约5.15米(不含资源舱连接部)。资源舱外径约4.2米、长度约7.95米,其底部设置一个太空船对接口。

核心舱外部配备有大型机械臂,能够在太空中抓取25吨的物体。实验舱长度,最大外径分别与去掉节点舱的核心舱近似,其内部可容纳实验装置,而且设有气闸出舱口,可供人员和器材出舱。在必要时,太空人能够从任一实验舱接管整个太空站。任何一个核心舱和实验舱配置的太阳能发电功率都超过整个ISS的太阳能发电功率。各舱都有自己的调姿和变轨推进系统,包括核心舱配备的霍尔电磁推力器。

2021年6月17日18时48分,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站。(新华社)
2021年6月17日18时48分,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站。(新华社)

为了完成“天宫”太空站基本建设,在“神舟十二”之后的发射任务包括:“天舟三号”运送物资;“神舟十三”运送换班太空人;验证核心舱完全正常后发射“问天”实验舱;“天舟四号”运送物资;“神舟十四”运送换班太空人;发射“梦天”实验舱;“天舟五号”运送物资;“神舟十五”运送换班太空人。若一切正常,“天宫”太空站基本建设在2022年底之前就会完成。

“天宫”因为后发优势,很多方面的技术都优于ISS,但是仍应不断追求进步。此外,中国已在2020年5月5日成功发射与收回下一代载人太空船试验船,其上行物资运送能力达到4公吨,乘坐人员可达6或7人,远大于“神舟”系列。更强的载人太空船将会有助“天宫”太空站的运行和进步发展。

ISS快则2024年,慢则2028年达其寿限。此后,中华民族的“天宫”太空站有可能在一段时期内是人类唯一可用的太空站。目前已有17个国家排队申请,派遣太空人去未来竣工的“天宫”太空站从事科研工作。华府也想加入,但已被拒绝,真是刚刚好啊!(本文作者高雄柏,系美国弗吉尼亚理工学院暨州立大学航太工程博士;经授权转载,原文标题为《天宫高阁上何频 每上令人耳目新:中华民族自主的“天宫”太空站开工建设了》)推荐阅读: