中国载人航天技术发展历程——讲稿(30页)
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中国载人航天技术发展历程 （讲稿） 前 言 2016年我国载人航天活动又进入了一个高潮期。9月15日，我国用长征二号F-T2火箭成功发射了天宫二号空间实验室。10月中下旬，还将发射神舟十一号载人飞船，将与天宫二号对接，并且送去两名航天员，在里面工作30天。2017年4月将发射我国首艘货运飞船天舟一号与天宫二号对接，对天宫二号进行在轨推进剂补加，从而完成我国载人航天工程第二步第二阶段的任务，为第三步建造空间站奠定坚实的基础。 载人航天是航天技术更高阶段的发展，可以完成更复杂的太空开发工作，大大提高航天活动的效率。它还关系到人类的未来，因为失重环境可以解放人的双脚。现在人类有几大问题亟待解决，比如说资源枯竭、环境恶化、人口激增……这些问题只有通过开放地球、扩大人类生存环境来解决。因此，载人航天意义十分重大。然而，由于载人航天技术特别复杂，投资和风险也很大，至今只有前苏联、俄罗斯、美国和中国独立掌握了载人航天的技术。经过几十年的努力，我国载人航天事业取得了辉煌的成就，在全球产生了巨大的影响。 一、我国载人航天发展总体概况 - 1 - （一）我国载人航天早期活动情况 载人航天是当今高技术中最具挑战的领域，能体现一个国家的综合国力和整体的科技发展水平，可以通过航天员直接操作更好地开发太空资源。我国其实很早就开始载人航天活动的一些工作，包括早期用太空火箭发射小白鼠、小狗做一些生物方面的实验。 20世纪70年代初，我国曾经准备研制载人飞船，名叫曙光号飞船。它是一个两舱式飞船，形状有点像一个倒扣的大漏斗，由座舱和设备舱组成，同时从全国空军1000多名飞行员中选出了88名飞行员，1971年到北京进行复选，最后选出了首批19名预备航天员。由于当时政治经济技术方面的原因，自1971年10月以后，曙光一号飞船研制处于停滞状态。1975年3月国家正式宣布这项工程下马。虽然我国第一个载人航天计划终止了，但这项计划中已经开展的各项工作给未来的载人航天发展积累了经验。虽然初选的航天员中没有进行培训，但是航天医学工程研究所的工作没有停止，继续进行了多项研究，取得了大量宝贵数据，包括研制航天食品等，为之后的航天员选拔创造了良好的条件。 （二）我国载人航天的途径选择 从1986年起我国开始实行著名的863计划，其中一个重要内容提出我国载人航天技术发展途径和总体方案。最终目的是要研制空间站，但是空间站本身没有天地往返运输功能，所以在研- 2 - 制空间站之前要研制天地往返运输器，要把航天员和货物送到空间站，工作完了以后再运回。当时有两种天地往返运输器，一种是航天飞机，一种是载人飞船。刚开始的时候，有些人赞同研制航天飞机，认为它技术先进。后来，经过几年的论证，表明航天飞机虽然先进，但是太复杂，投资太大，风险也太大。所以，根据我国国情国力和遵照“有所为、有所不为”“有限目标、重点突出”的863高技术研究发展的指导思想，专家们最后一致同意从载人飞船起步。同时，研制载人飞船能够最大限度地利用我国已经掌握的返回式卫星的成熟技术。另外，考虑到我国在运载火箭、返回式卫星方面有坚实的技术基础和丰富研制经验，并且可以借鉴国外研制载人飞船的经验，最后决定一步到位，越过一舱式飞船、两舱式飞船，从当时最先进的三舱式飞船起步，并起了一个非常有特色的名字——“神舟”。1992年9月21日党中央批准了研制载人飞船工程，自此中国的载人航天工程正式启动。 前苏联、俄罗斯一直在研制飞船，中间也搞过暴风雪号航天飞机，但是只进行了一次无人飞行以后就下马了，因为太贵。美国发射了三种飞船以后，也把大量的财力、物力、人力投入到被吹嘘的神乎其神的航天飞机上。但是，在走了一大段弯路以后，他们发现航天飞机又贵又不安全。所以，在发射了135架次航天飞行、损失了两架航天飞机、牺牲了14名航天员之后，又回归飞船，目前正在研制新的飞船。实践证明，我国当时的决策非常英明。 - 3 - （三）我国载人航天的发展战略 载人航天是当今高技术中最具挑战的领域，能够体现一个国家的综合国力。我国载人航天实施“三步走”发展战略。 第一步，用载人飞船将航天员安全送入轨道并安全返回地面，实现载人航天的历史性突破。这一步通过发射神舟五号和神舟六号载人飞船实现了。 第二步，突破航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术，这也是建造空间站必备的技术；发射空间实验室和货运飞船等，这些也是建造空间站的前提。 掌握太空行走技术有五大用途。第一，在太空组装和扩建大型空间站；第二，在太空维修、维护、升级各类空间站；第三，能够方便实现回收和释放卫星，以及进行一些科研任务；第四，可以实施紧急太空救援；第五，满足未来建立月球基地和载人登火星的需求。我国的太空行走，通过2008年9月神舟七号航天员翟志刚出舱，取得了突破。其亮点之一是，神舟号飞船的轨道舱改成了既可以作为出舱活动的气闸舱，又可以作为航天员的生活舱。另一个亮点是，使用国产的“飞天”舱外航天服，性能非常优异。并且通过神舟七号飞船首次释放了小卫星。 掌握交会对接技术也有很多用途。第一，为长期运行的空间设施提供人员运输和货物补给。第二，可以使两个空间站在太空中相互支持，从一个空间站可以派飞船到另一个空间站。第三，可以在轨组装大型航天器结构。空间站是由多舱组成的，把各个- 4 - 单舱通过交会对接组装成一个大型的空间站。第四，可以实现航天器重构，以实现系统的优化，等等。2011年，我国天宫一号目标飞行器和神舟八号无人飞船实现了自动交会对接。2012年、2013年我国发射的神舟九号、神舟十号载人飞船与天宫一号进行了自动和手控交会对接，并送上了两名女航天员。这三次飞行使我国突破和掌握了交会技术，也是世界第三个掌握这项技术的国家，并使神舟号载人飞船基本定型。以前是试验飞行，从神舟八号开始飞船就定型了，之后没有大的变化。至此，第二步第一阶段结束。 此后，我国载人航天进入第二步第二阶段。2016年、2017年分别发射天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船以及天舟一号货运飞船，验证空间站部分新技术，进行中等规模的空间应用发展。天宫二号原来是天宫一号的备份，由于天宫一号目标飞行器表现得很好，目前仍在超期服役，所以对天宫二号进行了适应性改装，让它执行空间实验室任务，包括考核航天员中期在轨驻留的能力，验证在轨补加推进剂技术，开展较大规模科学实验和应用试验，以及在轨维修和空间站技术验证等实验。 我国正在研制的天舟货运飞船由货物舱和推进舱组成，其上行货物运输能力是6.5吨，下行销毁废弃物能力是6吨，达到了国际先进水平。俄罗斯的进步号货运飞船每次只能运输2.5吨货物。 第三步，在2020年左右建成长期载人的大型空间站，大规- 5 - 模长时间开发太空资源。我国空间站基本构型是T字形，由从2018年起先后发射的三个20吨级的舱段组成，其中天和一号核心舱居中，实验舱Ⅰ问天和实验舱Ⅱ梦天分别对接在两侧。我国空间站采用再生式生命保障系统，按长期载三人状态设计，每半年由载人飞船实现人员的轮换，由货物飞船进行推进剂和物资的补给。为此，要突破四大关键技术，包括推进剂补加技术、物理化学再生式生命保障技术、电源技术和空间机械臂技术。它将在轨运行10年以上，成为我国空间科学新技术研究实验的重要基地，还是科学普及和国际合作的基地，可以获取具有重大科研价值的研制成果和重大战略意义的运用成果。 二、神舟飞船发展历程：从一号到十一号 神舟飞船是我国第一代载人飞船。从系统组成讲，我国的神舟飞船采用了当时最先进的三舱式构型。1992年9月21日，我们决定采用三舱式飞船，由轨道舱、返回舱、推进舱组成（有的时候还要加一个附加段或者对接口）。其中，轨道舱和返回舱是压力密封舱，里面的环境和地面是一样的。整个飞船长约9米，重约8吨，乘员人数是3人，入轨载荷是300公斤（因为有货运飞船，载人飞船主要以载人飞船为主），返回时还能带回100公斤的样品。飞船的可靠性达到97%，航天员安全性达到99.7%。飞船的自主飞行时间可以达到7天，如果停靠在天宫或者未来空间站上，可以达到180天。两个压力舱内部的压力在101千帕左右，气体成分是氧氮混合气，这和地面是一样的。飞船内航天员- 6 - 自由活动空间大概有6个立方米。最后返回地面的是返回舱，具有支持航天员生存的功能，在陆上可以生存48小时，在海上可以生存24小时。在预定地点着陆后，马上有着陆场系统的救援人员为航天员提供支持。如果没有降落在着陆地点，航天员本身可以自我紧急救生，随后等待救援部队进行救援。 神舟载人飞船由飞船系统总体和13个分系统组成。分系统有结构与机构分系统、热控系统、环境控制与生命保障系统，等等。在13个分系统中，乘员分系统和有效载荷分系统分别属于航天员系统和空间应用系统的装船部分，其他属于飞船分系统。这些分系统涉及物理、医学、环境等数十种科学领域，所以飞船具有技术的多样性和研制的复杂性的特点。 飞船一般是在既定轨道飞行，包括空间站也是。所有载人航天器轨道高度一般都在300公里到500公里范围之内进行飞行。如果再高，将进入或者接近地球腐蚀带，对航天员造成伤害。如果低于300公里，则会受残存大气阻力影响，轨道衰减较快，这样就需要较多的推进剂进行轨道保持。 我国的飞船是一般先发射到近地点200公里、远地点350公里的椭圆轨道，到5圈时再变轨，运行在倾角42.4°、高343公里的圆轨道上，目的是为了紧急返回时方便。但是，2016年10月中下旬发射的神舟十一号载人航天飞船将在393公里高的轨道上与天宫二号进行交会对接，主要是考虑到我国未来空间站将在393年公里高进行交会对接。为了验证技术，这次交会对接- 7 - 的轨道比原来运行的轨道高50公里。 （一）我国飞船技术状态 为了适应不同阶段的任务变化，神舟系列载人飞船有三种技术状态。第一种是初期试验技术状态。它的特点是，神舟飞船的轨道舱可以进行留轨利用。飞船完成任务以后，返回舱返回地面，轨道舱还可以留轨利用半年以上，相当于一颗科研卫星。神舟五号、六号飞船就采用这种技术状态。第二种是出舱活动试验技术状态。它的特点是，为了完成航天员空间出舱活动（太空行走），轨道舱不再留轨利用了，因此取消了轨道舱上的太阳电池翼和姿态控制系统，但它的轨道舱除了具备生活舱的功能，还具备出舱活动的气闸舱功能，用于突破太空行走技术。轨道舱还放置了舱外航天服，并配置轨道舱卸负压系统、舱外行走扶手。神舟七号载人飞船就采用这种技术状态。第三种是天地往返运输器技术状态。它的特点是在轨道舱的前端安装了用于交会的测量、运动控制等设备和对接用的机构，用于跟其他的航天器进行交会对接，而且它的轨道舱也不留轨利用，因此轨道舱没有太阳电池翼和独立姿控系统。神舟八号以后的所有神舟飞船都采用这种技术状态，作为天地往返运输器，供天宫一号、二号以及未来的天宫空间站使用，运送往来的人员。 下面对神舟飞船三个舱进行一个简单介绍。轨道舱位于飞船的最前部，是一个圆柱形，最长2.8米。这个舱用于航天员登天以后在里面工作、吃饭、方便、睡觉。返回舱位于飞船中部，呈- 8 - 钟形，长2.5米，最大直径也是2.5米，在返回舱外表面涂有不同厚度的低密度烧蚀材料。由于返回的时候经过大气层会产生高温，通过烧蚀材料，能够将舱内温度控制在40度以下，在航天员可以忍受的范围内。另外，返回舱上还有缓冲发动机，着陆的时候起动缓冲发动机，使航天员乘坐飞船软着陆。当然，返回舱还装有降落伞，离地面10公里的时候打开降落伞减速。推进舱位于飞船的后部，是一个非密封结构。它也是一个圆柱体，总长2.94米，主要是为飞船提供动力和能源，并进行姿态控制、变轨、制动，等等。 （二）神舟飞船的技术特点 我国的神舟飞船有几大技术特点。第一，作为我国第一代飞船，神舟飞船起点很高，直接研制三舱式飞船，可以乘坐三名航天员。第二，我国的飞船可以一船多用，国外的飞船返回后，它的轨道舱就废弃在轨道上了，而我国飞船的轨道舱具有留轨利用的功能，可以再工作半年，发挥余热。第三，性能先进，智能化程度很高，在某些方面比俄罗斯联盟号飞船性能还好。比如，采用信息技术的最新成果，从自动化控制、制导导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示，神舟飞船的电子技术和智能化水平远远领先。装在飞船推进舱上的太阳电池翼具有自动对准太阳的功能，能够保证飞船的电源充足。国外的飞船有的还是采用电池，包括美国的航天飞机都是采用电池。第四，我国神舟号飞船防热技术具有国际先进水平。最大直径为2.5米的神舟号飞- 9 - 船返回舱表面积是22.4平方米，使用的防热材料总质量是500公斤。而俄罗斯的联盟号飞船直径比我们小，只有2.2米，表面积是17平方米，但它的防热材料质量达到700公斤。第五，神舟号飞船降落伞是世界上回收能力最强的降落伞之一，也是最大的，足有1200平方米。降落伞由引导伞、减速伞、主伞、牵顶伞（后加）和伞包组成。引导伞的任务是将减速伞拉出、拉直；减速伞把返回舱的速度从每秒200米减至每秒80米左右后，与主伞分离；主伞打开以后，能把返回舱的速度减至每秒6米。整个降落伞在地上足有半个足球场大小，但折叠起来只有一个手提包大小，质量仅有90多公斤，如果用普通的降落伞材料制作，体积和质量都会增加三倍。 神舟号飞船采用了多项先进技术，其中10多项关键技术达到了国际先进水平，它使我国载人飞船技术达到或优于国际第三代载人飞船的水平。从神舟八号起，我国的飞船就基本定型了，并有交会对接功能，可以小批量生产，因而可以提高可靠性、缩短研制周期、降低研制费用。其对接机构采用了异体同构周边式对接机构，可以在对接以后形成直径0.8米航天员转移通道，而且定型以后还改进了手控设备，增加了8台平移发动机和4台反推发动机，可以使飞船向前平移或后移，对接的时候更加自由，同时提供了紧急避撞的动力，可以及时返回撤离。为了安全起见，神舟号飞船的返回舱落地时，要提升座椅，以免减少落地时产生冲击力。 - 10 - 从神舟九号飞船起，返回舱内的航天员座椅下的提升装置用压缩空气取代了燃气，这样比较安全。为了满足交会对接和返回的需求，飞船上有1吨的推进剂，同时配备了应急电池，舱外还有摄像机，采用了扩频通信方案，大大提高了图像的传输质量。另外，对神舟飞船的技术性能和安全性、可靠性也进行了进一步改进。比如，飞船在前期可以独立飞行5~7天的基础上，具有了与空间站对接后停靠180天的能力，而且它的推进舱的太阳电池功率也提高了50%，由1.2千瓦增加到1.8千瓦。返回时为了更加安全，在以前的几个伞的基础上增加了一个牵顶伞，进一步提高了整个回收系统的可靠性。在神舟九号和十号任务中，为了解决女航天员适体性问题，对女航天员所使用的舱内航天服、座椅也进行了修改，并且为女航天员准备了巧克力、甜食和一些补血食品，对大小便收集装置的高度和相对位置也进行了局部修改。 （三）神舟飞船的发展历程 1999年11月20日，我国用长征二号F运载火箭发射了神舟一号无人实验试验飞船，考核了载人航天工程总体设计方案的可行性和关键技术的可靠性。它还不是正样船，所以采用了最小的配置，13个分系统只上了9个分系统。实践表明，我国已经掌握了飞船舱段分离、调姿制动等关键技术，而且飞船和火箭的性能优良，新建的载人航天发射场、测控网具有先进水平。 2001年1月10日发射的神舟二号是我国第一艘无人正样飞船（注：正样飞船是用于正式发射的飞船）。这个飞船在技术状- 11 - 态上和载人飞船基本是一致的，13个分系统均参加了飞行实验，重点考核了环境控制与生命保障系统和应急救生两个分系统，首次进行了轨道舱留轨飞行。 2002年3月25日，发射了神舟三号无人飞船，技术状态与载人飞船技术状态是完全一致的。它全面完善了逃逸与应急救生功能，首次进行了待发段与上升段逃逸救生试验，而且明确了漏逃和误逃的界限，提高了载人航天安全性和可靠性。我国火箭和飞船的成功率已经达到了97%，甚至更高，另外3%是依靠逃逸系统来弥补的，这样航天员就安全了。我国首创使用太空模拟人。我国没有像国外那样把小动物送上去，因为这与真正载人差别还很大。模拟人是由人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备和形体假人组成，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数，包括耗氧、脉搏等 2002年的12月30日，我国发射了神舟四号无人飞船。它是我国最完善的无人试验飞船，也是考核最全面、最接近载人航天技术状态的最后一次演练，备用着陆场、陆地和海上应急救生等系统都参加了此次飞行的试验和考核，进一步完善了逃生和应急救生功能，增加了自主返回功能。 2003年10月15日，我国发射了神舟五号载人飞船，这是我国第一艘载人飞船。我国首位航天员杨利伟进行了世界载人航天历史上第241次飞行，这次飞行也使杨利伟成为世界上第428位进入太空的航天员。这艘飞船在2003年10月16日返回，我- 12 - 国成为世界第三个能独立开展载人航天活动的国家。 神舟五号与神舟四号基本相似，但对航天员座椅的安全性和适应性进行了进一步改进，同时设置了多种安全救生模式和百余种故障对策方案，以保障航天员的安全。它证明了我国的飞船具备了载人航天飞行的条件。本来，神舟五号载人飞船可以载两人，考虑到稳妥，只载了一个航天员上去，它的座椅缓冲器也由神舟一号到神舟四号的拉刀式改为胀环式，为杨利伟的安全返回又增加了一道保险。 2005年10月12日，我们发射了神舟六号载人飞船，送费俊龙和聂海胜到太空遨游。它的主要变化是：人数由1人增加到2人，飞行天数由1天增加到5天，活动范围增加到全船。因为杨利伟只是在返回舱活动，而费俊龙、聂海胜上天以后，脱下了舱内航天服，首次打开了返回舱舱门，进入到轨道舱工作和生活。这也全面启动了环境控制与生命保障系统，创造了更加舒适的环境。航天食品的种类也从神舟五号的二三十种增加到四五十种。载人航天最大的特点就是有人直接参与太空活动。如果没有人参与的话，有些实验会受到很大的限制。所以，这次航天飞行顺利完成，为后来航天员出舱活动和航天器交会对接，打下了一个坚实的基础。 2008年9月25日发射的神舟七号飞船载翟志刚、刘伯明、景海鹏升空，实现了三大突破：一是太空行走；二是首次满载三名航天员；三是首次从一个航天器释放了另一个航天器，神舟七- 13 - 号释放了一个小卫星。另外，首次与天链一号中继卫星进行了中继链路试验。神舟七号的轨道舱改进是一大亮点，满足了出舱活动的要求。另外，翟志刚穿的“飞天”航天服是我国国产的舱外航天服。这次服务的完成，标志着我国成为世界第三个独立掌握太空行走技术的国家。 2011年11月1日发射的神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器进行了我国首次无人自动交会对接，使我国也成为世界第三个掌握自动交会对接的国家。飞船上面装有自动测量系统和对接机构，从此神舟号飞船就定型了。 2012年6月16日发射了神舟九号载人飞船，载景海鹏、刘旺、刘洋升空，验证了自动和手控交会对接技术。因为自动交会技术比较省事，但成功率没有手控高，所以当自动交会对接技术出现问题的时候，要采用手控，成功率比较高。我国全面掌握了这两样交会对接技术，而且实现了多项第一。比如说，首次考核了飞船的手控系统，航天员不仅是坐飞船，也要开飞船；首次飞行了13天；首次打开了天宫一号的舱门（神舟八号因为是无人的，所以对接后舱门没有办法打开），神舟九号与天宫一号对接以后打开了舱门，航天员访问了在轨的航天器；首次安排了航天员二上太空，景海鹏二上太空，他原来参与了神舟七号的任务；首次安排女航天员执行太空任务，刘洋是我国第一个女航天员；首次用太空“自行车”锻炼身体，等等，还有很多首次。 2013年6月11日，发射了神舟十号飞船，载聂海胜、张晓- 14 - 光和王亚平升空。它和以前的飞船最大的区别就是，首次进行了应用性飞行和绕飞，我们以前的飞船都是试验飞船，每次都要进行较大的改动。定型了以后，这次改动是最小的，进行了应用性飞行，完成正常的天地往返运输任务。与神舟九号飞船相比，神舟十号没有新的大的技术变化，只是进行了小的调整，技术状态已经固化了。 与神舟九号相比，第一，神舟十号更加舒适了。神舟十号做了一些小改进，包括垃圾处理、食品改进、作息制度安排，使它更加舒适。第二，神舟十号进行了在轨维修试验，包括更换地板的材料、进行密封圈的置换。因为以后空间站要进行在轨维修，所以我们这方面进行了试验。第三个是一大亮点，进行了太空授课，女航天员王亚平为地面的青少年进行了我国首次太空授课。我也是太空授课专家组成员，准备了一些方案，根据科学性、教育性、趣味性、可行性、可适性、操作性、安全性等原则，集思广益，最后确定了5个实验项目，包括质量测量、单摆运动、陀螺、水膜、水球等，完成得非常成功，影响非常大。 神舟十号进行了首次绕飞。神舟号飞船以往完成了任务就直接飞回来了，神舟十号飞船为了满足以后空间站交会对接的需求（以后空间站交会对接，不仅是直接进行轴向交会对接，有可能进行侧面交会对接），神舟十号飞船在完成最后任务以后，脱离天宫一号目标飞行器，绕着天宫一号目标飞行器进行绕飞试验，也取得了成功。 - 15 - 我国在2016年10月中下旬要发射神舟十一号飞船。神舟十一号飞船只送去两名航天员，因为我们这次要进行中期驻留考核（以前都是短期10天、12天，这次要进行30天驻留），因为天宫一号或者二号的生命保障系统能提供60人/天。也就是说，一个航天员在上面可以工作生活60天，如果3名航天员在上面能生活20天，我们要进行中期驻留30天，所以这次送上去两名航天员。以后空间站驻留时间将更长，每批航天员上去要驻留工作半年左右，所以，我们要看看中期驻留有什么问题，需要验证技术。少一个人，不仅能够延长驻留时间，而且可以多带一些空间科学实验设备或者技术试验设备。这次飞行带的空间科学设备比较多一些，可以一举两得。当然神舟十一号也进行了少量的改动。 三、揭秘天宫二号 我们称天宫为天宫小站。天宫是一个微型的空间站，这是世界独一无二。世界第一座空间站——“礼炮”一号在20世纪70年代发射的，一个舱就是20吨左右，当然它有运载能力较大的质子号火箭，所以目前的空间站每个舱段的重量都在20吨左右，包括和平号空间站的每个舱段、国际空间站的每个舱段都是20吨左右。目前我国运载火箭的能力能够发射8.5吨的航天器，2016年11月要发射近地轨道运载能力达25吨的长征5号大型运载火箭，但是在此之前怎么办？为了提前做有关实验，我们利用现有的火箭先研制了微型空间站，也叫做空间实验室，就是天- 16 - 宫一号和二号。 我们在2011年9月29日，先是用长征二号F-T1运载火箭成功了发射了天宫一号目标飞行器，发射飞船是用Y系列，而发射天宫系列是用T系列的。虽然也是长征二号F运载火箭，但与发射飞船尤其是发射载人飞船的火箭不一样，因为没有载人，所以没有装逃逸塔。先是把无人的天宫一号发射到太空去，然后再把载人飞船发上去和它对接，然后人再上去。 2016年9月15日，我们用长征二号F-T2发射了天宫二号空间实验室，跟天宫一号的名字不一样了，天宫一号叫目标飞行器，天宫二号叫空间实验室，下面主要介绍天宫二号。 （一）天宫二号基本情况 天宫一号的主要任务还是完成交会对接任务，因为我们要突破这项技术。研制天宫一号目标飞行器也是我国的一个创新。它有一个很突出的优点，发射一个天宫目标飞行器可以进行多次交会对接。比如，我们发射天宫一号以后，又先后发射了神舟八号、九号、十号与之对接，对接三次只发射四个飞行器就行了。而且天宫一号不仅用于交会对接，还可以验证组合体飞行技术，航天员还可以在里面进行科学实验和技术试验。而国外如果进行三次交会对接，要发射六艘飞船，每次交会对接以后两个飞船返回了，而天宫一号是不返回的，这样节省了经费和研制周期。 天宫二号是在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上改进而成的。它在外形、结构、尺寸、质量上都没有变化，长得和天- 17 - 宫一号是一样的，但天宫二号的“内芯”是不一样的。天宫二号和天宫一号尺寸是这样的：长10.4米，最大直径3.35米，太阳电池翼展宽是18.4米，重8.6吨，仍采用实验舱和资源舱两舱式构型，跟飞船不一样，飞船是三舱式构型——轨道舱、返回舱、推进舱。它的设计寿命也很长，可以使用至少两年。由于天宫二号执行的航天任务与相比天宫一号有很大的变化，所以它的“内核”有很大的不同，主要完成三大任务。第一个是要接受航天员的访问，进行30天中期驻留验证试验，来考核面向长期飞行的航天员的生活、健康、工作、保障等相关技术。第二个是接受我国首艘货运飞船天舟一号的访问，考核验证推进剂在轨补加技术。因为我们以后空间站在轨运行10年以上，不可能把所有的燃料物资运上去，需要不断用货用飞船进行补加，这次主要是用推进剂进行补加，以后航天员在空间站里面还可以运输一些物资。这天宫二号是我国第一个具备太空补加功能的载人航天实验室。第三个是开展较大规模的空间科学实验和空间应用试验以及在轨维修和空间站技术验证试验。 围绕三大任务，天宫二号开展很多新的设计工作。第一，天宫二号比天宫一号飞得更高，要高50公里，在393公里的轨道高度运行。第二，实验更多。第三，时间更长。航天员在里面驻留的时间长，有14大项实验。为了保持与天宫一号相同的质量，专家们对设计方案进行了调整和改变，乘员人数只有两位，在燃料方面这次发射时所携带的推进剂比天宫一号少一些，一是因为- 18 - 2017年我们的货运飞船会为它进行推进剂补加，不需要带那么多；二是省出的空间和重量可以多带一些科研设备和空间站的技术试验设备上去。 （二）天宫二号与飞船的交会对接 天宫二号升空以后，先进入近地点200公里、远地点350公里高度的初始轨道，之后变轨进入约380公里高的运行轨道，进行在轨测试。神舟十一号载人飞船10月中下旬发射前，天宫二号要进入高度为393公里的近圆对接轨道，等待交会对接。所以，它不是一开始就进入到393公里交会对接轨道。由于轨道高度的变化，对它的设计要重新计算，现在我国的测控系统已经做好了这方面的准备。按照计划，天宫二号升空后和交会对接以前，要开展平台和空间应用载荷的测试。据最新消息，这个测试很顺利，并取得了一些科研成果。一是要进行平台和空间应用载荷的在轨测试，包括完成平台的姿态和轨道控制、供配电、信息传输与控制等方面的性能测试，以及交会对接支持、航天员驻留支持等功能的检查，完成应用载荷的功能性检查和测试。此后，转入独立运行模式，开展部分空间科学实验。二是在神舟十一号飞船发射前，天宫二号再一次进行状态和功能检查，确认是否满足载人交会对接条件和驻留要求，并将轨道调升至高度393公里近圆对接轨道。之后，按计划发射神舟十一号载人飞船，入轨后经变轨调向（一般要追两天）与天宫二号交会对接成一个组合体，航天员进入天宫二号开展科学实验和技术试验。组合体运行到30天的- 19 - 时候，神舟十一号的航天员就要进入飞船，关上舱门与天宫二号分离，航天员乘返回舱返回四子王旗主着陆场，天宫二号继续在轨飞行。 2017年4月，天舟货运飞船在文昌发射。这次不是酒泉发射，因为这个飞船质量比较大，有13吨左右，要用我们新研制的长征七号新一代中型运载火箭发射。入轨后，天舟一号要经过变轨调相与天宫二号交会对接构成组合体，进行推进剂补加试验。完成了任务以后，天舟一号与天宫二号分离，开展搭载载荷试验。天宫二号要继续在轨飞行，进行空间科学实验。天宫二号的有些实验是有人进行实施的，有些实验是可以无人进行实施的。 在整个交会对接任务中，天宫二号要扮演一个引导者和指挥管理者的角色，始终管控着工作的进度和进展。它能发信号告诉飞船“我在这里”，并且始终给追踪飞行器提供引导信息（一般大的航天器叫做目标飞行器，这个目标飞行器跟天宫一号不一样，我们统称为目标飞行器，而飞船可以叫做追踪飞行器）。对接成功以后，飞船停靠关机，转由天宫二号组合体进行控制飞行，它的电源也是用天宫二号的电源补充，另外能源系统、管理系统都是由天宫负责的。发射天宫二号是全面完成我国空间实验室任务的关键之战，将为我国后续的空间站建造和运营奠定坚实的基础、积累宝贵的经验，对推进我国载人航天事业持续发展，具有十分重要的意义。 下面介绍天宫上两舱的功能。天宫一号、二号都是由实验舱- 20 - 和资源舱两个舱组成。实验舱是控制舱也是航天员生活和工作的地方；资源舱为非封闭舱，为天宫提供动力和能源，进行姿控和轨控。实验舱前端安装通信设备、交会测量设备以及对接机构（用于与飞船交会对接），上面的通信设备比较多的，包括微波雷达、激光雷达、光学敏感器等等。而对接机构采用先进的异体同构周边式对接机构，中间用一个0.8米密封转移通道，航天员可以从飞船到天宫，也可以从天宫到飞船。实验舱的直径是3.35米、长6.4米，可以保证航天员的生活和工作。它的四壁都是一些机柜和各种设备、操作台以及睡眠的舱室，中间有一个2.2米高、1.8米宽、4米长的通道，是航天员运动、工作、生活的场所。在飞船航天员进入天宫之前，先要用微量有害气体净化装置对舱内的气体进行高效的净化，还要用带入的微生物装置对空气进行高效过滤净化。水汽会引起电器受潮短路，人在潮湿的环境中也不舒服，所以载人航天器还要用冷凝水收集装置定时自动收集实验舱内的人体呼吸、排汗等代谢产生的水汽。如果这些工作都做完了，航天员就可以进入实验舱工作和生活。实验舱里面有专门的睡眠区、锻炼区、实验区、仪表区等，有较多的实验设备，可以用笔记本上网、听CD和接收邮件。天宫一号的航天员只能收邮件不能发邮件，而天宫二号的航天员可以收发邮件。 天宫的资源舱和神舟号飞船推进舱类似，为非密封舱，直径2.25米、长3.2米，舱外安装了一对由四块太阳电池板组成的太阳电池翼以及一个直径1米中继卫星天线。太阳电池翼展开后- 21 - 是18.4米，发电效率高达27%到28%，与国际先进水平相差无几。我想这项技术也可以用于地面光伏系统，提高发电效率，以后也可用于空间站，但那将更大，而且是柔性太阳电池板。舱内还装了6个控制力矩陀螺，用于姿态控制。其上的电源分系统的质量比飞船减轻了40%，尾部装了两部490牛轨控发动机，周边还有四台150牛备用发动机和多台姿控发动机。 （三）天宫二号——温馨的“小家” 如果说天宫一号进行了“简装”，那么天宫二号就进行了“精装修”，主要是为了保证航天员在里面能够工作和生活得更舒适，因为这次航天员在里面生活时间比较长——30天，另外还要独立飞行3天。航天专家开展了宜居环境设计，集成了内部装饰、舱内活动空间规划等宜居技术，改善了就餐、睡眠环境，增加了体育锻炼设施和娱乐设施，改进了内装饰、硬质软质扶手，为航天员提供了舒适人性化的空间家居环境。这些变化可以使航天员驻留期间的生活和环境更加舒适、更加方便、更加丰富多彩。 例如，在天宫二号上首次使用可展开的多功能小平台。航天员在这个小平台上可以写字、吃饭、做实验等，生活工作两不误。原来航天员在飞船里面吃饭、方便，在天宫一号里面睡觉锻炼开展实验。有了小桌以后，航天员就可以在天宫二号里面吃饭。在通信方面，为航天员配置了蓝牙耳机、蓝牙音响，都是无线的。用地板代替了地毯，以前天宫一号里面铺着地毯，觉得软一些舒服，但据航天员反映好像地板更好一些，有脚踏实地的感觉。舱- 22 - 内的灯光采用米黄色的色调，而且亮度可以手动调节，而且为每个航天员安装了一个床前灯。在多个区域增加了不少硬质扶手，硬质扶手感觉比较牢靠。还引入了驻留腰带，如果不希望飘起来，就用腰带把自己控制起来。在锻炼方面除了动感单车，还增加了跑台、拉力器等等。还为航天员定制了一个“健身神器”——骨丢失对抗仪，可以防止长期飞行造成的骨丢失。当然，多功能小平台和跑台都是折叠式的，用的时候打开，不用的时候就折叠起来，以免占地。通过采取设备分区安装、增设吸能装置、优化消音装置等方法，把航天员工作区和生活区噪声降低了，控制在50分贝这个适宜的程度。为了避免夜间天宫二号飞行进出测控区时的语音通报影响航天员的睡眠，科研人员还特意设计增加了进出测控区语音通报使能或者禁止功能，航天员可以根据需要自行决定是否屏蔽进出测控区的语音通报。人体最舒适的体表温度是23℃，相对湿度在50％附近。天宫二号所携带的热控系统，便可将密封舱的空气温度控制在22～24℃，相对湿度控制在45％～55％这一人体最舒适的环境。 科研人员为天宫二号漆上不同的颜色，使航天员在里面更舒适一些。四面的墙壁选择了明亮的米白色，底部选择了深灰色，这样有一个天地感觉，工作台等板面选择了天蓝色。多层次的颜色划分，有望带给航天员一种清爽的感觉。值得一提的是，上面刷的漆不是一般的，而是由航天专家专门打造的一种航天漆、它的首要技术指标就是环保，不能含有任何有毒成分。因为在太空- 23 - 失重环境中没有了重力，也没有气压的束缚，物质的挥发速度比在地面上要快，所以必须采用环保漆才行。为了保证航天员在航空的空气质量，还专门研制了环控监测装置，可以同时完成“太空之家”内的二氧化碳、乙醛等20多种有害空气的检测。一旦发现有害物质超过预警值的时候，就会立即报警并指示航天员按规定方法进行处理，保障航天员的安全。 天宫一号、二号实验舱的外壁有特殊的防护板，具有吸收和弹射的功能，能够抵挡空间小碎片对飞行器的撞击，另外其自身2~3毫米厚的金属壳体也能起到一定的防护作用。万一出现5毫米的孔洞，天宫可以维护舱压不小于70千帕约80分钟，这样就为航天员赢得了充足的逃生时间。如果有较大的碎片，地面将向天宫发出指令改变其轨道和速度，避开较大的碎片。 （四）天宫的关键技术 因为天宫一号、二号设计寿命都是两年，是长期在低轨道运行的载人航天器，所以如何保证它们在恶劣太空环境中长寿命工作是一项关键技术。 首先，天宫的密封性一定要非常好才行。天宫一号现在已经超期服役约三年左右，表明天宫一号舱体的密封性很好，资源很充足，也表明天宫的设计是非常合理的。天宫一号现在已经不工作了，但还在轨飞行，预计2017年下半年在人工控制下自由陨落。 要使天宫与神舟对接组合体平稳运行，它的姿态控制也是非- 24 - 常重要的。天宫采用了大型控制力距陀螺进行姿态控制，卫星采用动量轮进行姿态控制，飞船靠发动机进行姿态控制。天宫利用大型控制力距陀螺进行姿态控制，就是利用动量交换原理改变角动量方向而产生控制力距，它的优点是控制精度和可靠性比较高，而且寿命达8年以上，这项技术也将用于未来的空间站。 我国未来的空间站是在太空长期运行的，所以要消耗很多推进剂，这样就必须进行不断补加。在轨补加就像飞机空中加油。这次天宫二号主要的任务要掌握这项技术，技术难度比较大。为了满足推进剂补加试验的需求，对天宫二号推进分系统进行了适应性改造，增加了推进剂补加系统，配置了压气机等设备，采用了全新的储箱设计。天宫二号与货运飞船将首次进行在轨补加，使我国成为继俄罗斯以后第二个掌握航天器在轨补加技术的国家。这项技术试验成功以后，将用于空间站，所以这次天宫二号只加了半箱油，减少重量，靠天舟对它进行在轨补加。 为了后续空间站建设，还安排了在轨维修技术验证和机械壁维修技术验证系统，为空间站的维修进行全面的技术验证。因为空间站飞行时间长，飞行过程中有些设备需要进行维修、更换、升级，这次装了一套设备，首次搭建了由机、电、液等部件组成的液体回路验证系统，用于验证空间站的维修，包括用机械臂的终端进行维修，也进行了准备。科研人员通过合并同类项理念，对天宫二号的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化的模块设计，打造出了可以快速更换的模块，就像插U盘似的，- 25 - 如果某一个部件坏了，将它拔下来以后，可以插上一个新的模块化设备。天宫二号的温控系统等也进行了调整，让它花很少的电能就能进行工作，要比地面的空调省电得多。 同天宫二号一起升空的还有一个伴随小卫星，它将从天宫二号释放出去与天宫二号伴飞，进行联合实验。目的在于，验证在轨释放小卫星的技术；同时，伴随小卫星还要对天宫二号与神舟飞船交会对接进行高清晰度拍摄，观察它们交会对接的过程，另外也要监测空间碎片的情况。这个伴随小卫星与神舟七号释放伴随小卫星有明显的不同，它的清晰度大大提高了，相机是一个全画幅相机，有2500万像素，而神舟七号释放的小卫星上面的相机只有130万像素。在寿命末期都会控制离轨，我估计比天宫一号在轨寿命时间不会短，因为技术进一步提升了，长寿命技术进行了改进，密封性更好。 载人航天工程是一个庞大的系统，最主要的是靠飞船、天宫，其实还有几个系统也是缺一不可的，有的甚至非常重要,包括航天员系统、飞船应用系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统等，2017年开始还有货运飞船系统、空间站系统等。 航天员系统一般是由航天员的选拔、训练、航天服、航天饮食等组成。当然还有很多有关装置，包括用于锻炼的负压装置，甚至有一种“企鹅服”，穿上以后有一定的压力，必须使劲才行，因为长期在太空飞行会出现骨质脱钙、肌肉萎缩等症状。 - 26 - 天宫上面还携带了废物回收设备，对再生式生命保障系统进行验证。因为目前大部分的设备是非再生式的，是消耗式的一次性使用，以后还要进行更换，采用再生式生命保障系统。比如航天员排出的小便经过处理以后还可以循环使用，减少了地面补给的压力。 随天宫进入太空一些食品主要是为了做试验用，因为提前带上去的不能保证新鲜度。所以，航天员真正吃的食品是要随飞船带上去的。在天宫里，航天员要睡觉、锻炼；在飞船里要方便，还要携带食品加热器等。大小便收集装置要隐藏在舱体内，睡袋比以往的睡袋明显减轻，材料也更好，具有抗阻燃、防静电、重量轻、松紧可调等特点。天宫上为航天员准备了保暖内衣内裤、运动袜、运动服等，很多服装都是速干的。我国的航天食品大概有50多种，食谱每4天轮换一次，以往是用应急电源热饭，现在用太阳电池翼的电源热饭，都可以保障一日三餐，每餐配有主食、副食、蔬菜、点心、调味品等。 关于其他的系统，我就简单介绍一下。这次应用系统携带的东西比较多，有14项应用载荷。在基础物理方面，有空间冷原子钟、空地量子密钥分配、静电加速剂等等；在空间天文方面，要进行伽玛射线爆偏振探测；在微重力流体物理和空间材料科学方面，要进行液桥热毛细对流实验研究、综合材料生长实验等；在空间生命科学研究方面，有高等植物研究，包括拟南芥和水稻方面的研究，一个长日照，一个短日照，为以后长期载人航天做- 27 - 准备；还有一些对全球变化相关的一些设备，如宽波段成像仪等。这些应用有些是世界首次使用，尤其空间冷原子钟。冷原子钟在地面也有，但在微重力环境下，它的精度更高，3000万年才误差一秒，可以校正在轨运行导航卫星的原子钟，使导向定位更准确、精度更高。在材料方面也是要进行大量的实验，其中有12种新材料。我国建国以来研制出来了1000多种材料，80%来自于航天，很多航天技术都转到民用了。这次要进行大量新材料的试验，这些新材料试验成功以后，对我国未来的材料发展将起到巨大的推动作用。我国自从发展载人航天以来已经有2000多项技术已经用于民用。这次火箭没有太大的改进，因为火箭的可靠性、安全性已经很高了。在测控通信系统方面，我们要继续使用地面的测控站和卫星等。 四、我国未来航天发展前景 我国未来要实施载人航天发展战略的第三步——建造空间站。空间站最大的优点有三个方面：运行时间长，体积大，功能强。空间站是一个理想的太空开放基地，相当于一座空间大厦，可以进行长期载人航天活动，可以进行大量的实验，甚至可以作为一个中转站。 我国的空间站在将从2018年开始建造。首先要发上一个天和号核心舱，然后再发射两个实验舱——问天和梦天，组成了我国的空间站系统。它相对于世界空间站发展水平中的第三代空间站，采用积木式构型，相当于在太空搭积木，而且它是一个多舱- 28 - 段的。所以，我国的空间站也是起点高，苏联是先发单舱式空间站，然后再发多舱式空间站，而我们第一步就搞多舱式空间站，每个舱段也是20吨级的，这样航天员可以进行长期的生活和工作，开展大量的科研。我们的原则是少花钱多办事，我们是经济适用性空间站，根据我国国力和技术水平打造一个三舱式空间站。俄罗斯曾经搞过一个五舱式空间站，也是积木式构型。目前，在太空运行的国际空间站是第四代空间站，采用桁架挂舱式构型，这个成本太高了，由16个国家合作研制，总的建造成本就在1000亿美元以上，而且每年的运行费达到10亿美元以上，成本比较高。我国根据自己的国情打造一个三舱式积木式构型空间站，可以运行10年以上。国际空间站将运行到2024年，而我国的空间站在2022年建成后可以运行10年以上。所以，到2024年以后可能太空中只有我国的空间站在运行，我们也欢迎其他国家与我们开展国际合作，到我们的空间站上进行科学实验，可以乘我们的飞船上去，也可以其他国家的飞船上去。这种三舱式空间站还可以进一步扩大，再对接其他的舱。总之，我们的空间站有两大特点：起点高、效益高。未来，我国载人航天还有可能进一步向更高水平发展。比如，我国科学家建议在2030年进行载人登月，在2050年进行载人登火星，或者空间站成熟以后商业化开放，甚至进行太空旅游活动。 人类在漫长的社会进步中，不断开展自身的生存环境。人类活动范围的每一次扩展，都会实现伟大的飞跃。随着我国载人空- 29 - 间站工程的实施，我国将为和平开发和利用空间资源担负起更多的责任、作出更大的贡献。 谢谢大家。 - 30 - 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/3531991e64ec102de2bd960590c69ec3d5bbdbc8.html