【全球新要聞】“夢天”順利入軌，中國載人航天即將完成“三步走”

2021年4月29日，長五B火箭成功發射天和核心艙，中國空間站在軌組裝建造全面展開。2022年7月24日，長五B火箭成功發射中國空間站第二個艙段——問天實驗艙。2022年10月31日，長五B火箭成功發射夢天實驗艙，即將完成中國空間站“T”字基本構型在軌建造任務。

今年是我國載人航天工程(603698)立項實施30周年，夢天實驗艙的成功發射也標志著我國載人航天工程“三步走”的發展戰略即將完成。

據中國載人航天工程辦公室消息，后續我國空間站將轉入為期十年以上的應用與發展階段。初步計劃每年發射兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船。同時，將研制新一代載人運載火箭和載人飛船，并考慮研發空間站擴展艙段，進一步提升工程綜合能力和技術水平。

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中國空間站任務規劃穩步推進

載人航天事業，對我國政治、經濟、科技等都有重要意義。1992年9月21日，中國載人航天工程正式立項，代號為“921工程”。

根據規劃，工程將按“三步走”發展戰略實施：第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；第二步，突破航天員出艙活動技術、空間飛行器的交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

“921”工程正式啟動后，我國確定了“第一艘試驗無人飛船要爭取1998年、確保1999年首飛”的目標，即神舟一號飛船要“爭八保九”。這也是當時整個神舟工程團隊必須完成的軍令狀。

神舟團隊面臨著巨大的壓力。飛船與返回式衛星有相通之處，但由于多了“人”，對各項技術要求極高，復雜程度極大，許多技術問題必須先在地面做充分驗證，完成初樣、正樣兩個階段。

當時，以長征二號E（長二捆）為基礎的長征二號F火箭打造完成，準備在1999年進行首次發射試驗。為了抓住這次機會，神舟團隊創造性地提出了將僅用于地面電性能測試的試驗飛船（初樣電性船）改造為試驗船的方案，制定了飛船最小配置進行首飛的簡化方案，去掉5個分系統，僅保留8個確保飛船返回中國境內的分系統。

方案報批后，1999年，神舟一號成功升空，這也為“921”工程后續開展奠定了堅實基礎。進入21世紀后，我國載人航天事業有了飛躍式的發展。

2003年發射的神舟五號是我國首艘載人飛船，中國首位航天員楊利偉搭乘神舟五號飛船，從酒泉衛星發射中心飛向太空。在這次任務前，神舟二號、神舟三號、神舟四號飛船先后發射成功，積累了必要經驗。

2005年，神舟六號實現多人多天太空飛行。與神舟五號相比，神舟六號乘組中，航天員人數增加到2人，飛行天數增加到5天。2008年9月27日，航天員翟志剛穿著中國自主知識產權的“飛天”艙外航天服，走出軌道艙艙門，邁開了中國人漫步太空的第一步。

天宮一號是我國全新研制的載人飛行器，也是我國首個目標飛行器。天宮一號由實驗艙和資源艙構成，實驗艙有效使用空間約15立方米，可滿足3名航天員在艙內工作和生活需要，前端安裝被動式對按機構，可與飛船實現對接，資源艙為空間飛行提供動力和能源。

2011年，神舟八號與天宮一號完成首次交會對接任務，標志著我國空間交會對接技術取得重大突破。2012年，神舟九號載人飛船發射成功，天宮一號與神舟九號載人交會對接任務全面實現了“準確進人軌道、精準操控對接、穩定組合運行、安全健康返回”的預定目標。

為了實現航天員更長時間的駐留，維持空間站的長時間運行，除了載人的神舟飛船，還需要負責載貨的“太空貨車”——“天舟”飛船。

2017年，“天舟一號”與“天宮二號”自動對接成功，開始多次向后者補加推進劑，實現了“太空快遞”的使命。“天舟一號”飛行任務取得圓滿成功，標志著中國載人航天邁進“空間站時代”。

整個空間站任務規劃包括關鍵技術驗證、建造和運營三個階段。隨著載人航天工程穩步推進，我國目前掌握了載人天地往返、空間出艙、空間交會對接、航天員中期駐留和空間貨物運輸與補給等關鍵技術。

中國空間站艙段的“專屬座駕”

我國載人航天工程有CZ-2F、CZ-5B、CZ-7三種運載火箭系統。作為參與載人航天工程的長征火箭“三勇士”之一，CZ-5B（長五B火箭）是目前世界在役火箭中唯一一級半直接入軌的火箭。

作為專門為載人航天工程空間站建設而研制的新型運載火箭，長五B火箭已相繼完成了天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙的發射任務，算得上是我國空間站艙段的“專屬座駕”。

長五B火箭為一級半構型，捆綁4個直徑3.35米液體助推器，芯一級直徑5米。火箭總長約54米，起飛重量約850噸，起飛推力約1078噸，近地軌道運載能力達到25噸級。

據火箭院長五火箭副總設計師黃兵介紹，為滿足空間站大艙段發射任務要求，長五B火箭突破了多項關鍵技術，其中包括20.5米國內最大整流罩分離技術、4.1 米大直徑艙箭連接分離技術、大推力直接入軌偏差精確控制技術等，并將發射窗口由“零窗口”拓展為±2.5分鐘的“窄窗口”。

整流罩是運載火箭的重要組成部分，用于保護衛星或其他有效載荷免受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環境的影響。長五B火箭擁有目前我國最長最大的整流罩，長度達到20.5米、直徑5.2米，容積超過345立方米。

整流罩的規模增大后，為了保證運載效率，結構的剛度會隨之減少，而剛度是影響分離能源設計、分離包絡設計的關鍵要素。如何準確模擬飛行及分離過程中整流罩的剛度特性、確保安全可靠分離，是研制過程中面臨的技術難題。

對此，研制團隊通過大量的仿真分析、預示，對整流罩分離方案進行評估，并多次開展了整流罩分離試驗，有效驗證了設計正確性和各系統接口協調性。

火箭院長五B火箭總體副主任設計師王乾介紹，針對此次任務，在整流罩生產初期，研制團隊采用了三維視覺掃描等技術，對整流罩以及實驗艙的尺寸進行了精準仿真，反復詳細校核，確認了關鍵位置的安全間隙，確保在飛行、分離的過程中，實驗艙享有足夠的空間，不會在飛行過程中貼近整流罩。

據了解，長五B還將承擔中國第一個大型空間巡天望遠鏡發射任務，屆時與空間站共軌飛行，開展更多的宇宙空間探測和前沿科學研究，未來還將與遠征系列上面級形成組合，形成多星組網發射的能力，充分發揮運載能力大、單位有效載荷經濟性好的優勢，滿足國家不同發射任務的需求。

集結新技術，空間站建造運營更加經濟合理

我國空間站建設雖然起步晚，但通過借鑒經驗，大量采用當代最新技術，從而擁有了自己的特點。

北京大學地球與空間科學學院教授焦維新告訴記者，俄羅斯的和平號空間站有6個實驗艙，但因結構緊湊，屬立體分布，導致太陽電池翼受遮擋，同時維修不便。此外，國際空間站采用桁架式結構，整體結構龐大，建設周期長，各艙段互不相干，造成資源浪費。

基于這兩種情況，我國空間站在建造上進行了兩方面的改進。一是各艙段的布局在同一平面內，減少艙段間艙體的互相遮擋；二是借鑒了國際空間站橫向將太陽電池翼布局于整體構型的兩側，以減少遮擋的設計。同時配置雙自由度驅動機構，使太陽電池翼能夠隨時與太陽光光線垂直，讓發電效率保持在最高狀態。

相比其他空間站，我國空間站建造采用新技術的比重大是顯著特征之一。例如再生生保技術、大面積柔性太陽翼技術、 空間站艙段轉位技術等。“我們空間站中的科學實驗起點也高。科學事業項目是經過全國各行各業的科學家充分論證，并借鑒了國際空間站實驗項目的基礎才確定的，瞄準了當代科技的前沿。”焦維新說。

從總體重來看，我國空間站比其他空間站都要輕。但實際上，我國空間站的實驗艙要比其他空間站的實驗艙大。整體結構做到了統籌兼顧，讓我國空間站在建造和運營上更為經濟合理。

焦維新介紹，“中國空間站目前配備實驗柜25個，國際空間站安裝的實驗柜有31個，但是我們的空間站以大約國際空間站1/6的重量，提供了約4/5的實驗柜數量，這體現了很高的應用支持效率。”

天宮空間站還有很強的艙外應用載荷支持能力，可支持67個暴露應用載荷。天宮空間站也可作為未來載人深空探測關鍵技術的先期驗證平臺，通過現有應用載荷支持設施或者擴展建設專用的支持設施，開展相關關鍵技術的在軌驗證，有效降低深空探測任務實施的技術風險。

我國空間站的核心艙配備了生命保障系統，但為了確保航天員在軌工作和生活的絕對安全，在問天實驗艙中也配備了幾乎同樣規模的生命保障系統。作為天宮空間站的應急避難場所，一旦天和核心艙出現艙體失壓、被空間碎片撞擊等問題，航天員可進入問天實驗艙進行緊急避難。航天員在關閉雙向承壓艙門后，節點艙和問天實驗艙將連為一體，為航天員進入神舟飛船保留了生命通道。

此外，我國空間站重大科學研究設施部署了兩米口徑的巡天空間望遠鏡，與空間站同軌飛行。該望遠鏡預計2024年發射，是我國空間天文的旗艦項目。發射后的望遠鏡將圍繞銀河系和恒星、天體測量、系外行星、太陽系天體和暫現源等內容開展觀測研究。

“在空間站建造之后的應用與發展階段，我們國家還規劃了第二個旗艦型項目，即高能宇宙輻射探測設施‘HERD’。該項目測量宇宙線中的電子和核子的能量范圍以及探測靈敏度，其比現有的設備高出一個量級或數10倍。”焦維新告訴記者。

天宮空間站建造完成后將在軌運行10年以上，需具備良好的艙段擴展和應用支持擴展能力。根據空間科學技術研究、空間應用和國際合作的需要，我國空間站可進行靈活擴展。

焦維新表示，天宮空間站在方案設計階段，即對未來的擴展方案進行了統籌考慮，在現有三艙構型基礎上，預留了機、電、熱等擴展接口，具備擴展對接三個新艙段形成的約180噸6艙組合體的擴展能力。

今年年底實現空間站建造階段所有既定任務

目前，我國空間站在軌關鍵技術驗證已取得重大進展。機械臂在軌爬行測試與巡檢、太陽翼在軌辨識、推進劑在軌補加等任務成功實施，多次飛行任務也全面驗證了核心艙作為空間站管理和控制中心的各項功能及性能，突破和掌握了空間站建造與運營所需的各項關鍵技術，為后續空間站的全面建造與運營奠定了堅實的技術基礎。

空間站在軌應用實驗實現新突破。天和核心艙在軌部署了無容器材料科學實驗柜和高微重力科學實驗柜等兩個大型研究設施，已完成基本功能測試，突破了部分關鍵實驗技術，獲取了高質量的在軌測試和應用數據。

其中，無容器材料科學實驗柜為國內首臺在軌空間站材料實驗設施，可進行金屬、非金屬的無容器加工研究，獲得先進材料的空間制備技術和生產工藝關鍵條件，指導地面材料加工工藝的改進與發展；高微重力科學實驗柜首創采用雙層懸浮隔離振動，可開展相對論物理與引力物理、流體動力學及其應用、材料制備機理等前沿科學研究。

此外，今年年初，《2021中國的航天》白皮書發布，首次提出在外空領域推動構建人類命運共同體。可以預見，面向未來五年及更遠的將來，中國航天將以更加積極開放的姿態開展國際交流合作，加快發展高質量、可持續、增福祉的航天事業。

2016年以來，中國與19個國家和地區、4個國際組織，簽署46項空間合作協定或諒解備忘錄；積極推動外空全球治理；利用雙邊、多邊合作機制，開展空間科學、空間技術、空間應用等領域國際合作，取得豐碩成果。

據中國航天科技(000901)集團介紹，未來，我國將繼續實施載人航天工程，全面建成并運營中國空間站，打造國家太空實驗室，開展航天員長期駐留、大規模空間科學實驗、空間站平臺維護等工作。深化載人登月方案論證，組織開展關鍵技術攻關，研制新一代載人飛船，夯實載人探索開發地月空間基礎。

據了解，今年年底，長征七號和長征二號F火箭將分別發射天舟五號貨運飛船、神舟十五號載人飛船，實現空間站建造階段所有既定任務。

新京報記者 張建林

編輯 白爽 校對 李立軍