中国建造空间站出发

　　“天宫一号”的发射是中国载人航天事业的重要步骤，这是在完成载人航天工程第二步的后续任务，并为完成第三步战略目标打下基础

　　文/《瞭望》新闻周刊记者

　　9月29日21时25分45秒，作为中国航天高技术水平、高可靠性能最新“代言”的“天宫一号” 发射成功，并准确进入预定轨道。此后，它将分别与随后发射的“神八”、“神九”、“神十”飞船交会对接，从而建立中国第一个空间实验室的雏形。

　　早在神舟七号载人飞行任务圆满结束后，中国航天人在欣喜之余，已开始着手突破空间交会对接技术，为建设空间站做准备。

　　从世界载人航天发展的历史经验看，空间站阶段无法回避。“它是人类向深空进军的重要试验平台，许多关键技术需要在空间站进行验证。同时，空间站也是开展空间科学实验、造福地球的重要平台。”原中国载人航天工程总设计师王永志对《瞭望》新闻周刊说。

　　放眼未来，中国建造载人空间站也是航天事业发展的催化剂。这项工程的启动，直接推动了新一代长征五号大推力运载火箭等新兴航天项目的发展。“待到中国在2020年前后建成一个60吨级的载人空间站后，还会开展较大规模的长期有人在轨照料的空间科学实验和应用活动。”中国航天科技集团公司副总经理袁家军透露。

　　因此，“天宫一号”的成功发射，标志着中国航天在突破技术难关、开启中国未来空间站建设大幕的重大工程中，又迈出了坚实的一步。

　　“‘天宫一号’的发射无疑是中国载人航天事业的重要步骤，它是在完成载人航天工程第二步的后续任务，并为完成第三步战略目标打下基础。”中国载人航天工程原副总指挥张建启介绍道。据悉，按照规划，中国真正意义上的载人空间站将在2020年前后建成。

　　飞天前全面“体检”

　　“天宫一号”将创我国载人飞行器的服役纪录。在未来两年的服役期内，“天宫一号”要相继完成三次交会对接任务，即要分别与神舟八号、神舟九号和神舟十号进行对接。在轨工作时间长对飞行器高可靠性提出严峻挑战。

　　如何保证它能够成功升空，顺利完成交会对接任务，并在太空平平安安地飞行两年？中国航天科技集团公司的科技工作者们为此煞费苦心，做了大量验证试验。

　　为了确保“天宫一号”能够适应太空环境，在奔赴发射场前，中国航天科技集团公司五院的科技工作者们对它进行一系列科学、严格、全面的“体检”。

　　本刊记者在五院看到专门用于交会对接各种测试的大型试验室。在高大宽敞的试验厂房内，科技工作者采用各种先进的测试手段，模仿“天宫一号”从发射升空到太空飞行的各种环境，通过振动试验、噪声试验、真空热试验、泄复压试验等对“天宫一号”进行详细的“体检”，并对发现的各种问题进行分析与排查。

　　为了测试“天宫一号”能否适应火箭起飞时产生的巨大振动以及过载产生的影响，科技人员对其进行了振动试验与热力学试验。试验时，“天宫一号”被固定在振动台上，浑身接满数百条各种导线，通过横向与纵向的振动，检测其整体框架结构以及振动对各种设备会产生怎样的影响。

　　为了模仿在太空飞行过程中时冷时热的环境，“天宫一号”会被装进特制的大罐内。罐内会被抽成真空状态，并被加热和冷却，检测它在极端温度条件下的适应能力，以及可能出现的问题。

　　“天宫一号”发射升空后，神舟八号、神舟九号无人飞船将相继被送入太空与其交会对接；之后，神舟十号飞船将搭载航天员升空，完成与“天宫一号”的交会对接。为了在太空完成好交会对接任务，科技人员模仿对接时的情况，在地面进行了多次对接试验。

　　为了测试太空通信是否能保持通畅，测试人员分别乘坐两架飞机，相距一定距离飞行。在飞行过程中，测试人员模拟交会对接时的情况，测试通信系统能否有效发送并接收信号，以满足需要。

　　在“天宫一号”等待载人飞船交会对接的时间里，“天宫一号”舱内的气体成分可能会发生变化，从而不适合航天员工作生活。因此，“天宫一号”在适当的时候需要像室内开窗换气一样，把舱内不合格的气体排出去，重新充入合格的气体。在地面上，技术人员进行的泄复压试验就是为了验证“天宫一号”能否满足此项设计要求。

　　此外，在孤独的太空旅行中，“天宫一号”也许会遇到一些“不速之客”，包括微流星、空间碎片等。为了防止这些“不速之客”的伤害，它自身带有防护板，可以遮挡微小碎片对飞行器的撞击，而其自身2～3毫米厚的金属外衣，也能起到很好的防护作用。

　　为了保护“天宫一号”在轨运行的安全性，科技工作者们制定了专门的预警机制，并用黄、橙、红代表不同的预警等级。红色代表的危险级别最高，即有可能撞击到“天宫一号”的碎片。为了精确计算空间碎片出现的可能性，科技工作者还引入碰撞概率的概念。这一概念是空间碎片预警判断的参数与依据，表示的是碎片与“天宫一号”发生碰撞的概率。

　　据本刊记者了解，“天宫一号”在太空飞行的每一天，科技人员都会进行碰撞概率的计算，看看那些散落在太空的“不速之客”有没有可能对“天宫一号”产生威胁。

　　初步计算的结果表明，“天宫一号”在轨运行的过程中，是不会遇到危险“访客”的。万一遇到危险，技术人员会在地面向“天宫一号”发出指令，改变其飞行轨道及速度，避开危险物后，再回到预定的轨道继续飞行。

　　在地面，科技工作者还进行了临压力应急试验，测试当“天宫一号”舱体出现5毫米漏孔时，所采取的措施能否维持舱压不小于70千帕，并能保持80分钟。因为只有这样，才能为航天员赢得充足的逃生时间。

　　诸多新技术接受检验

　　诸多新技术将在此次载人航天飞行任务中接受检验。据中国航天科技集团公司相关专家介绍，光纤陀螺的应用，便开创了空间站应用的先河。

　　在地球上空近地点200公里、远地点350公里的椭圆形轨道上运行的“天宫一号”目标飞行器是我国未来空间站的雏形，作为空间飞行器的它同样需要一双“眼睛”，精确地感知自身的微小动作，从而更好地确保飞行姿态精确控制以及与飞船交会对接。它采用了航天九院13所时代光电公司设计生产的光纤陀螺作为它的“眼睛”，引领它的浪漫太空之旅。

　　已知的公开资料显示，让光纤惯导陀螺担纲空间站姿态控制的重任，这在世界范围内尚属首次，也就是说，13所的光纤陀螺是世界范围内第一个在空间站作为主份应用的光纤惯性器件，开创了光纤陀螺在空间站应用的先河。

　　是什么原因让高层有如此的信心和决心作出这一重大决定呢？是中国光纤陀螺团队用一项项国家级技术创新成果、一次次飞行试验圆满成功的佳绩给总体单位吃了一颗“定心丸”。

　　光纤陀螺技术在世界航天领域属于前瞻性技术，方兴未艾、朝气蓬勃，航天科技集团和九院高度重视这一技术趋势，大力推动光纤陀螺的研发和应用，九院的光纤陀螺技术团队亦不负重望，在前期深入研究、吃透技术原理的基础上，依靠完全自主创新，使光纤陀螺技术短短几年之间取得突破性进展，在国内率先实现工程化和产品批量生产，光纤陀螺技术研究成果已获得2项国家技术发明奖、1项国家科技进步奖，应用于多个宇航型号任务，得到了用户的高度肯定。

　　与此同时，依托于这一技术的产品也在应用中通过了考验，在卫星搭载验证中不仅表现出良好的性能，达到设计要求，而且在一些特殊的空间环境下还发挥了独特的作用，展现了与众不同的特殊优势。

　　光纤陀螺在技术上发展空间广阔、潜力巨大，设计上受到广泛赞誉、一致好评，应用上历经考验、表现出色，再加上长寿命、低功耗、高可靠性的特点契合了空间站工作的特点，使其脱颖而出，成为“天宫一号”目标飞行器的主导航设备。

　　另一项新突破是，以“天宫一号”资源舱为例，一个重点就是实现了成功“减重”。如果把“天宫一号”比作天上飞的鸟儿，那么飞行器要像鸟儿那样有力气飞遍千山万水并在空中变换各种飞翔姿势，就得靠资源舱了。

　　为什么要减重，其意义何在？以神舟七号飞船为例，该飞船的推进舱重约700公斤，而“天宫一号”资源舱加满燃料后预计重约1.4吨。“以前飞船就飞几天，中途还会丢掉推进舱。”负责资源舱总装的副主任设计师孙小珠说。“而‘天宫一号’将在轨运行2年，所以燃料必须加足。同时，它在天上一直与资源舱‘不离不弃’。这样一来，减重势在必行。”

　　孙小珠说，研制人员在舱段的结构部分用铝—锂合金材料代替传统材料，为舱段成功减重10%以上。

　　“长二F”大变身

　　作为目前国内在研型号里重量最大、体积最大的飞行器，“天宫一号”将给运载火箭系统在整流罩设计等方面带来新的适应性难题，此次飞行任务验证了大型飞行器对运载系统的多项适应性改进新技术。

　　在首次交会对接任务中，已经圆满执行过7次任务的长二F火箭再次两度执行飞行任务。针对神舟八号和“天宫一号”两次发射任务的特点，设计人员将执行首次交会对接任务的运载火箭进行了重新设计。虽然仍被称作“长二F”或被叫做改进型“长二F”，但火箭从外到内焕然一新，在运载能力和入轨精度上均有很大提高。用科研人员的话说：“这完全是一枚全新的火箭。”

　　据中国航天科技集团公司一院火箭总设计师荆木春介绍，改进型长二F火箭具有发射目标飞行器和飞船的两个状态，运载能力分别为8.6吨和8.1吨，比传统状态的“长二F”提高了0.6吨和0.1吨。由于目标飞行器不载人，发射这一状态的长二F火箭取消了逃逸塔装置。

　　在发射“天宫一号”时，火箭外形上的最大变化是整流罩，不仅长度由先前的10.7米增至12.7米，最大直径也由先前的3.8米增至4.2米，而且头部还采用了流线式的冯·卡门曲线，这也是最吸引公众眼球的重大变化。冯·卡门是美国工程力学大师、航天技术理论的开拓者，也是我国航天之父钱学森的老师。冯·卡门曲线，便是基于他的研究成果而画出的曲线。

　　“整流罩的增大加长，与‘天宫一号’的体积密切相关。‘天宫一号’比神舟飞船的体积大。”荆木春说，“整流罩头部设计采用冯·卡门曲线的意义在于，更好地减小空气阻力，减轻载荷影响。”

　　然而，冯·卡门曲线整流罩的生产，却并非如探囊取物般容易，具有很高的技术难度。荆木春解释说：“与以前不同，冯·卡门曲线头部展开之后并不是一个平面，涉及很多复杂的加工工艺以及材料成型的问题。”

　　“长二F”研制团队在进行了一系列艰苦的工艺攻关、论证后，才最终将采用冯·卡门曲线的整流罩从理论变成现实。

　　除了整流罩的外形变化，火箭箭体结构系统的助推器的内部顶端形状也发生了变化，由原来的椭球形变成锥形。荆木春表示：“这样做可以承载更多推进剂，使火箭的运载能力提高100多公斤。这对载人航天工程有着不小的贡献。”

　　此外，据荆木春介绍，改进型长二F火箭的控制系统也是个全新的系统，从使用的方案、原理、具体设备、软硬件等方面都与传统状态的“长二F”发生了很大变化，相当于给火箭置换了一个全新的“大脑”。

　　这里不得不提一个专业词汇——惯性测量组合，简称“惯组”。它是火箭控制系统的核心，是影响火箭入轨精度的关键部件。

　　和先前的长二F火箭相比，改进型长二F火箭控制系统的一个重大更改是，取消原先的气浮陀螺平台，采用两套惯组作为测量装置。这样一来，可以更好地满足火箭在俯仰偏航方向上的机动要求。

　　有了上述制导工具，改进型长二F火箭在制导方式上，首次使用了迭代制导技术。这些做法都是为了满足空间交会对接任务对火箭入轨精度、轨道调整适应性和可靠性等多个方面的要求。

　　不过，首次交会对接任务对“天宫一号”的入轨精度并没有很高要求，但对神舟八号的入轨精度要求很高。因此，工程研制人员选择了两套制导方案：当发射目标飞行器时，火箭仅采用摄动制导；当发射飞船时，火箭采用“摄动+迭代”组合制导。

　　当然，在多达170多项的火箭系统技术变化中，重要变化远不止这几项。长二F火箭研制团队还对动力系统、遥测系统和故障检测系统等采取了一系列措施，不断提高火箭的可靠性，而这是个永恒、无止境的过程。□