今天11點(diǎn)20分左右，“天和”號核心艙發(fā)射，8分多鐘后成功入軌?！疤旌汀碧柸L16.6米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，是我國目前研制的最大航天器。
實(shí)際上，這只是拉開中國建設(shè)空間站的序幕，按照我國空間站建造任務(wù)規(guī)劃，今明兩年我國將實(shí)施11次飛行任務(wù)，包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運(yùn)飛船以及4次載人飛船發(fā)射，2022年我國將完成空間站在軌建造。根據(jù)規(guī)劃，今年我國還將發(fā)射兩次載人航天任務(wù)。
4月29日，中國空間站總設(shè)計(jì)師楊宏對《中國航天報(bào)》表示，“中國空間站既是為中國科學(xué)家，也是為全球科學(xué)家提供的科學(xué)探索平臺。這一初衷，注定了中國空間站是開放的”。
事實(shí)上，今年也是人類建設(shè)空間站的第50周年。從1971年，蘇聯(lián)率先建成第一個(gè)空間站到現(xiàn)在，人類在探索太空之路上越走越遠(yuǎn)。
撰文 | 龐之浩（中國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
1961年4月12日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一個(gè)載人航天器——“東方1號”飛船，把航天員加加林送上了太空。
把人送上太空的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了，人們很自然會產(chǎn)生下一個(gè)目標(biāo)——讓人在太空中“待得住”、“待得久”。這不僅僅是為了爭勝好奇，還有很多實(shí)際的意義。比如，很多需要在太空中進(jìn)行的科研、生產(chǎn)和服務(wù)等活動(dòng)，都是需要很長的時(shí)間和很大的空間來完成的。建造能讓航天員在太空中長久居住、生活和工作的空間站的想法便應(yīng)運(yùn)而生。
“禮炮1號”空間站與“聯(lián)盟11號”飛船組合體在軌飛行示意圖
“天空實(shí)驗(yàn)室”側(cè)面的太陽電池陣在發(fā)射過程中被剮掉，上面的“簾”是航天員在艙外活動(dòng)時(shí)安裝上的“遮陽傘”，以節(jié)省電能。
由于空間站猶如一座空中樓閣，是一種可供多名航天員巡訪、長期居住和工作的大型航天器，具有體積大、壽命長、功能強(qiáng)和載人多等優(yōu)點(diǎn)，所以，在與美國競爭載人登月失敗后，蘇聯(lián)就放棄了載人登月計(jì)劃，開始全力打造空間站。經(jīng)過艱苦的努力，蘇聯(lián)終于在1971年4月19日用“質(zhì)子號”火箭成功發(fā)射了世界第一座空間站——“禮炮1號”，它標(biāo)志著人類進(jìn)入太空的一個(gè)新階段的開始。
“禮炮1號”質(zhì)量約18噸，總長16米，最大直徑4.1米，可居住空間85立方米，由對接過渡艙、軌道艙和服務(wù)艙3個(gè)部分組成，其中位于頭部的對接過渡艙用于對接“聯(lián)盟號”飛船，航天員和物資由此對接艙口進(jìn)出空間站。位于中部的軌道艙是“禮炮1號”的“心臟”，由直徑各為2.9米和4.1米的兩個(gè)圓筒組成，供航天員工作、進(jìn)餐、休息和睡眠。位于尾部的服務(wù)艙為非密封艙，裝有機(jī)動(dòng)變軌發(fā)動(dòng)機(jī)、姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和推進(jìn)劑等。
蘇聯(lián)發(fā)射了“禮炮1號”后，對美國產(chǎn)生了很大的刺激，于是美國馬上用“阿波羅”工程的剩余材料研制了一個(gè)名叫“天空實(shí)驗(yàn)室”的空間站，并于1973年5月14日升空。它是迄今為止世界上最大的單個(gè)載人密封艙，壓力艙容積達(dá)316立方米，在里面可以洗澡，曾創(chuàng)下了連續(xù)載人航天84天的世界紀(jì)錄。此后美國便“喜新厭舊”研制航天飛機(jī)去了。
而蘇聯(lián)對空間站一直格外青睞，在先后發(fā)射了7座“一居室”的“禮炮”系列空間站后，蘇聯(lián)從1986年開始發(fā)射由多個(gè)艙段組成的“和平號”空間站。它由1個(gè)核心艙和5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，因而大大擴(kuò)展了航天員的活動(dòng)空間，提高了空間站的工作能力。
到了20世紀(jì)80年代初，美國逐漸發(fā)現(xiàn)在空間站領(lǐng)域已大大落后于蘇聯(lián)。1984年1月25日，美國時(shí)任總統(tǒng)里根批準(zhǔn)建造一個(gè)以美國為主、與盟國合作的長久性空間站計(jì)劃——“自由號”。這個(gè)方案比“和平號”還先進(jìn)，采用桁架掛艙式構(gòu)型。但由于技術(shù)復(fù)雜，費(fèi)用極高，風(fēng)險(xiǎn)很大，所以在研制過程中幾乎夭折。
就在“自由號”空間站的命運(yùn)岌岌可危時(shí)，世界空間站大國蘇聯(lián)于1991年解體，這給了美國一個(gè)發(fā)展國際型空間站的絕佳機(jī)會。因?yàn)殡S著蘇聯(lián)的解體，俄羅斯已不再是美國爭奪太空優(yōu)勢的競爭對手了，但其在空間站建造方面仍有豐富的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的技術(shù)。
于是在1993年，美國對“自由號”空間站建造方案進(jìn)行了“大手術(shù)”，其中最主要的措施是吸收俄羅斯為正式合作伙伴，采用了很多蘇聯(lián)空間站的成熟技術(shù)，目的是節(jié)省費(fèi)用、少走彎路、降低風(fēng)險(xiǎn)和縮短時(shí)間，最后終于在2011年在軌建成了“國際空間站”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)既采用了類似“和平號”的積木式構(gòu)型，又采用了桁架掛艙式構(gòu)型的“混血兒”。
空間站具有自主補(bǔ)給消耗品、檢修和更換設(shè)備的能力，以及變更和擴(kuò)大其功能的性質(zhì)。它先入軌后上人的特征，既提高了安全保障，又簡化了研制過程。
至今，全球已發(fā)射了10座空間站。從總體結(jié)構(gòu)上講，這些空間站可分為以下兩種：
第一種是單艙式空間站。已發(fā)射的蘇聯(lián)“禮炮1號”至“禮炮7號”和美國“天空實(shí)驗(yàn)室”都是單艙式空間站。這種只有一個(gè)艙段的空間站用運(yùn)載火箭一次就能送上太空。其優(yōu)點(diǎn)是所用硬件少、成本低和技術(shù)簡單，不需要航天員出艙等，因而早期的空間站都采用這種設(shè)計(jì)。它的缺點(diǎn)是容積小、太死板和工效低，因而影響了許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的進(jìn)行，并且很難長期載人航天。
第二種空間站是多艙式空間站。目前已發(fā)射的多艙式空間站有蘇聯(lián)/俄羅斯的“和平號”及16國聯(lián)合研制的“國際空間站”。這種空間站是由陸續(xù)發(fā)射的多個(gè)艙段在軌道上組裝而成的。其優(yōu)點(diǎn)是航天員的生活和工作空間大，靈活性強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)間長；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，投資和風(fēng)險(xiǎn)都大。
這兩種空間站還可細(xì)分為四代，蘇聯(lián)的“禮炮1號”至“禮炮5號”和美國的“天空實(shí)驗(yàn)室”是第一代空間站，蘇聯(lián)的“禮炮6號”“禮炮7號”為第二代，蘇聯(lián)/俄羅斯的“和平號”為第三代，“國際空間站”為第四代。
第一代空間站也叫試驗(yàn)性空間站，其主要特征是站上均只有一個(gè)對接口，因而只能接納一艘客貨兩用飛船，運(yùn)送往返人員和少量物品。其科研儀器和主要物品均是發(fā)射前就裝入了空間站內(nèi)，無法及時(shí)補(bǔ)給，這就限制了載人航天的時(shí)間和空間站在軌運(yùn)行壽命。
不過，這一代空間站解決了許多載人航天相關(guān)的重大科技問題。例如，證實(shí)了在太空也和地面一樣，有必要把臥室、工作間等按各自的特點(diǎn)分別建造，以免相互束縛和影響；人在太空待上若干天，可用輪換航天員的辦法，使空間站利用率大為提高。
第二代空間站也叫實(shí)用性空間站，它們分別于1977年9月29日、1982年4月19日入軌。其主要特點(diǎn)是均有兩個(gè)對接口，即可同時(shí)接納兩艘飛船，這樣就能把載人與運(yùn)貨分開，從而大大延長了空間站壽命和航天員在軌時(shí)間。
第三代空間站也叫長久性空間站?！昂推教枴辈捎梅e木式構(gòu)型，于1986年2月20日開始在太空建造。其最大特點(diǎn)是率先升空的核心艙不僅能用于航天員生活居住，控制整個(gè)空間站正常運(yùn)行，還有6個(gè)對接口，它像搭積木一樣先后對接了5個(gè)專用實(shí)驗(yàn)艙及“聯(lián)盟”載人飛船、“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船，形成了龐大的空間復(fù)合體。
第四代空間站也叫永久性空間站。它采用桁架掛艙式構(gòu)型，即以上百米的組裝式桁架為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，然后將多個(gè)艙段和設(shè)備安裝在桁架上。其優(yōu)點(diǎn)是：集中供電、靈活性強(qiáng)、工作效率高、使用維修方便；缺點(diǎn)是：費(fèi)用大、技術(shù)復(fù)雜?！皣H空間站”是世界第一座永久性空間站，它包括13個(gè)增壓艙，其中6個(gè)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，3個(gè)供航天員居住，1個(gè)為多功能貨艙，3個(gè)為對接用的節(jié)點(diǎn)艙，容積約1000立方米，質(zhì)量400多噸。
未來空間站有兩個(gè)重要發(fā)展方向，一是建造舒適的太空旅館；二是建造月球空間站。
太空旅館比空間站觀光更愜意、更享受。其內(nèi)部裝修按酒店方式設(shè)計(jì)，游客可選擇垂直床或者水平床，并有全密閉式的淋浴、雙筒望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)，食物更加精細(xì)、豐富，但花費(fèi)很大，每天要幾百萬美元。現(xiàn)有充氣式太空旅館和空間站式太空旅館兩種方案，其中空間站式太空旅館與目前空間站的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)差不多，最大的不同就是內(nèi)部裝修按酒店樣式設(shè)計(jì)。
充氣式太空旅館將由若干個(gè)可充氣膨脹的軟殼太空艙組裝而成。與傳統(tǒng)剛性太空艙相比，充氣式太空艙有三個(gè)優(yōu)勢：一是發(fā)射成本較低，這些軟殼太空艙發(fā)射到軌道上后會像氣球那樣自行充氣“鼓”起來，這是由于采取了膨脹結(jié)構(gòu)；二是居住空間寬大，這是以往所有的航天器所不及的；三是采用新的多層結(jié)構(gòu)外殼設(shè)計(jì)和使用新材料，充氣的軟殼表面有一定彈性，比起傳統(tǒng)含鋁材料的航天器外殼，能為居住者提供更好的空間防護(hù)，可以抵御太空垃圾、宇宙粒子等的撞擊，為其內(nèi)核提供保護(hù)。
美國正聯(lián)合一些國家合作研制月球空間站——“深空門戶”，預(yù)計(jì)2024年以后投入使用。月球空間站既可成為前往月面、小行星甚至火星的載人飛船的出發(fā)平臺，又能作為月球車的中繼通信平臺，還是前往維修日地L2軌道上的空間望遠(yuǎn)鏡的中轉(zhuǎn)站。
它分三步實(shí)施：第一步是建造“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭；第二步是用“航天發(fā)射系統(tǒng)”把“深空門戶”的主要部件發(fā)射到月球軌道上；第三步是用“獵戶座”飛船把其他部件推到合適的位置，為人類居民準(zhǔn)備好“深空門戶”。
更遠(yuǎn)的未來，有可能建造龐大的太空城。由此可見，空間站的前景是十分廣闊的。
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，至今只有俄羅斯、美國和中國三個(gè)國家獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)。我國在1992年就制定了宏偉的載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。
至今，我國已完成了前兩步的任務(wù)，即成功研制和發(fā)射了6艘“神舟”載人飛船、2座“天宮”空間實(shí)驗(yàn)室和1艘“天舟”貨運(yùn)飛船，掌握了太空行走、交會對接、在軌加注和中期駐留等載人航天的關(guān)鍵技術(shù)，已把11名航天員送上了太空。
中國空間站示意圖
這些都為完成第三步任務(wù)——建造空間站奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，讓我們在空間站建設(shè)上擁有更加廣闊的發(fā)展空間。
注：本文首發(fā)于“北京日報(bào)”，經(jīng)作者授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。
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