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十七年間5次飛躍,迅猛發展的載人航天有多重要?不辦奧運也要幹


巔峰高地優質創作者第屆夏季奧林匹克運動會開幕式年月日在事關載人航天工程立項上馬的一次重要會議上,第一個發言的一位領導擲地有聲地說道,如果錢不...

- 2020年11月11日00時55分
- 科學文摘 /

巔峰高地

優質創作者

第29屆夏季奧林匹克運動會開幕式

1992年9月21日在事關載人航天工程立項上馬的一次重要會議上,第一個發言的一位領導擲地有聲地說道,如果錢不夠,奧運會不申辦了也要辦這個事

2016年10月17日,酒泉衛星發射中心使用長征2號F型運載火箭成功發射了神舟十一號載人飛船,自此之後至今我們已有四年多時間沒有再發射新的神舟飛船,有些人不禁發問,為什麼載人航天工程推進的這麼慢?

對接機構地面模擬

早在上世紀九十年代中期航天科技八院就開始研究航天器空間交會對接原理技術,上世紀末第一台原理樣機制備成功,2000年開始部件級關鍵技術攻關,2005年空間交會對接機構正式立項,2010年完成正樣產品交付,次年完成試驗,整個研制時間前後長達16年。

在項目研制過程中,我們建成了具有世界領先水平的一系列地面試驗裝置,比如世界首創氣浮裝置的對接緩沖試驗台,以及全程模擬太空對接的熱真空試驗台等等,一整套地面試驗裝置可以完美複現高低溫、真空、失重等空間環境下的捕獲、緩沖、分離過程。

天宮空間站機械臂輔助對接地面試驗

工欲善其事必先利其器,正是因為有了充分完備的地面試驗系統,我國空間交會對接任務才交出了100%成功的滿分答卷,繼神舟八號與天宮一號實現無人自動交會對接之後,神舟九號、神舟十號又相繼與天宮一號進行了多次自動、手動交會對接任務。

神舟十號與天宮一號交會對接

俄航天專家來華參觀試驗設施後曾感歎,這是當今世界上水平最高的對接機構地面試驗設備。

為什麼我們的起點要這麼高?因為使命在肩,天宮空間站還將攻克更大噸位的異體同構周邊對接技術,本月即將發射的嫦娥五號也應用了具有全球領先水平的深空航天器對接裝置,既然幹的就是驚天動地事,那麼配套的裝置也必然是世界頂尖。

第四次飛躍:天宮二號以小博大開創曆史

天宮系列空間實驗室最初計劃有天宮一號、二號、三號共三次任務,那麼為什麼現如今沒有天宮三號了呢?

核心原因是由於技術的進步大大加速了工程整體進度,神舟二號至神舟六號共5艘飛船軌道艙為了具備獨立留軌運行能力,全部配置有獨立的動力系統,這樣一來的確可以承擔部分太空科研任務,但這顯然與神舟飛船最終天地往返載人運輸的技術狀態並不一致。

具備獨立運行能力的神舟飛船軌道艙

讓軌道艙擁有獨立運行能力的核心原因在於早期我們計劃的天宮一號並不是現在看到的8噸級目標飛行器,而是將神舟飛船軌道艙作為目標飛行器,如果按部就班地發展我們會看到一款發射質量僅有1.5噸左右的天宮一號,其承擔的任務就是單純的驗證空間交會對接技術。

基於技術的進步,摒棄1.5噸方案的天宮一號目標飛行器應運而生,它除了承擔自動/手動空間交會對接任務外,還能兼做空間實驗室,同時能滿足中長期太空駐留任務需求,神舟九號、十號兩艘載人飛船駐留天宮一號的時長分別是13天與14天。

天宮一號

事實上新規劃中的天宮一號融合了舊計劃中的天宮一號、二號兩次任務,基於天宮一號的出色表現,天宮二號直接使用天宮一號備份航天器加以改裝,由於備份航天器早在2011年時就已經完成建造,再度啟用時已是5年後,這也是為什麼天宮二號在軌壽命不到3年,而天宮一號可以工作超過4年的重要原因。

天宮二號改裝是在正樣備份產品基礎上進行,同時改裝幅度也非常大,比如要加裝在軌燃料補加系統,同時還要對所有單機系統及元器件進行測試,以確保產品性能始終處於優良狀態,這種傷筋動骨式的改造升級就如同螺螄殼裏做道場,既要改裝測試,也要確保航天器不受損壞。

在軌燃料補加是天宮二號核心改裝項目

為解決這一問題項目團隊創造性地提出用天宮一號初樣產品進行改裝演練,經過技術摸底後天宮二號才開始進行改裝測試,在此期間總計對300多台設備進行了壽命影響因素測試分析,資源艙也見縫插針地加裝了多台設備,我國第一艘真正意義的空間實驗室就是這樣誕生的。

看到“實驗”二字很多人以為它真的就只是一個實驗品,而這又是嚴重的誤讀,因為天宮二號的職能定位是太空“實驗室”,符合這一定位的還有接下來天宮空間站中的問天號實驗艙與夢天號實驗艙,它們都是貨真價實的正式任務艙段,並不是所謂的“實驗品”。

天宮二號

天宮二號別看身板只有8噸,它卻能以小博大,做到了很多前輩做不到的事,首先它具備了在軌燃料補加能力,僅此一點昔日大洋彼岸重達77噸的天空實驗室終其一生也沒能完成。

再就是能夠支持航天員進行中期駐留任務,神舟十一號就完成了駐留天宮二號長達一個月的任務,蘇聯也是到禮炮四號空間站才最終突破航天員中期駐留技術,以此為據判斷天宮二號就是事實上的空間站。

景海鵬、陳冬在天宮二號中期駐留

除了攻克在軌燃料補加與航天員30天中期在軌駐留技術,還與天舟一號貨運飛船一道實施並驗證了6.5小時快速對接技術。

天宮二號也是名副其實的空間實驗室,比如,承擔了人類首次量子密鑰天地傳輸試驗任務,以及空間冷原子鐘、伽馬暴偏振探測、液橋熱毛細對流實驗、綜合材料制備實驗等一系列任務。

天宮二號搭載的多角度寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀等遙感設備也進行了成功的應用,除此之外它還釋放了一顆繞飛小衛星“伴星二號”。

天宮二號微波高度計成像

在天宮二號30天載人任務時間裏,這是太空空間少有的有兩座載人空間站比翼齊飛的時刻,隨著天宮二號再入大氣層,我國載人航天工程將在明年正式進入全新的天宮空間站時代。

從明年開始神舟飛船與天舟貨運飛船將保持每年三艘的高頻率發射,航天員將以半年為周期進行常態化輪換駐留,天和號核心艙、問天號實驗艙、夢天號實驗艙將在兩年時間內先後發射,從此中國人的生活中將與太空更加緊密。

明年我們將發射天宮空間站天和號核心艙

第五次飛躍:新一代載人飛船航向月球

星空浩瀚無比,探索永無止境。站在天宮空間站勝利在望的新基點上的中國航天人又開始了新一輪長征,今年5月5日新一代載人飛船試驗船搭乘長征五號B型遙一運載火箭順利升空,用總師張柏楠的話說這艘飛船的定位就像當年的神舟一號一樣。

長征五號B遙一運載火箭

不一樣的是,它的目標不再是近地軌道,而是更加遙遠的月球。新一代載人飛船跳出了神舟三艙方案進而采用兩艙布局,由服務艙與返回艙組成,航天員搭載數量由神舟飛船的三人升級為6至7人,發射質量21.6噸,是神舟飛船的將近3倍。

新一代載人飛船試驗船

新飛船進入軌道後在自主軌道控制系統支持下實施了7次自主軌道提升,最終爬升至七千多公裏的高軌軌道,刷新了上世紀八十年代以來服務載人用途的航天器軌道高度紀錄,此前大洋彼岸的獵戶座飛船試驗返回艙也曾進入高軌軌道,但軌道高度不及我國新飛船。

更高的軌道高度能更充分地驗證月地返回軌道再入地球大氣層的熱流燒蝕情況,最終在自適應預測制導系統助力下新飛船返回艙實現了10.8環的超高落點精度,飛行任務圓滿成功。

經受近三千度熱流燒蝕的新飛船返回艙

在世界新一代載人登月飛船中,我國新飛船率先實現了完整版構型的首飛任務,實現了多年前總師張柏楠“爭取與國際同步推出新飛船”的目標,如今我們不僅實現了同步,更在局部領域實現了反超。

一年多前嫦娥探月總師吳偉仁曾在正式會議場合宣布,“未來十年左右,月球南極將出現中國主導、多國參與的月球科研站,月球上將留下中國人的足跡,我國將邁入世界航天強國前列。”,這意味著到2029年左右我國將實施載人登月任務

航天科技五院公開的登月概念圖

神舟五號航天員楊利偉首飛太空、神舟七號航天員翟志剛出艙行走、神舟十一號航天員景海鵬三戰太空……

曆經時間磨洗這些曾經的感動也許會被遺忘,而中國載人航天工程短短十七年的五次飛躍卻實實在在地刷新了世界航天史,也打破了世界航天發展的普遍規律,這背後是日益強大的綜合國力,是不斷創造的中國速度,而我們必將開創屬於中國人的太空曆史,因為占世界人口五分之一的中國應當對人類發展有較大的貢獻,這一點毫無疑議。


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