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未来空间站

　　天宫一号：中国空间站的“先遣兵”

　　“天宫一号”9月底发射后，将在太空等待随后发射的“神舟八号”。“通俗说，就是‘天宫一号’以每秒8公里的速度飞行，‘神舟八号’追上去，两者连接在一起，不仅要严丝合缝，还要把液、电、气通上。对接成功后，二者将以组合体的方式在太空飞行，由‘天宫一号’对组合体进行控制。实验结束后，‘神舟八号’将返回地面，‘天宫一号’继续在太空服役，等待‘神九’和‘神十’飞船前来对接。只有三次都对接成功，中国的载人航天工程第二步战略目标才全部达到。”

　　记者◎曹玲

　　迷你空间实验室

　　1966年3月16日，美国航天员阿姆斯特朗和斯科特乘坐“双子星座八号”飞船，手动操作交会过程，与无人“阿金纳”目标飞行器对接。对接后飞船猛烈滚动旋转，阿姆斯特朗不得不将飞船与“阿金纳”分开。分开后飞船仍在滚动，他改用手动控制才使飞船稳定下来，为确保安全，飞船紧急返回。后来查明原因，是因人为扳错开关造成的姿态控制系统故障。

　　这是人类历史上首次进行两个航天器之间的交会对接。接下来的40多年里，太空中发生过300多次交会对接，下一次即将是中国的“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”飞船。

　　对“神舟”系列飞船我们并不陌生，但“天宫一号”是个什么东西？据航天科技集团公司五院“天宫一号”总设计师张柏楠向本刊记者介绍，“天宫一号”是一个全新的飞行器，重8.6吨，分为两个舱。以往的“神舟”系列飞船是三舱式的，比“天宫一号”多了一个返回舱。“‘天宫一号’的前舱是实验舱，为全密封环境，对接完成后航天员可以进舱工作、训练，一些必要的生活活动以及睡觉也在里面。航天员的活动空间有15立方米，和‘神舟’飞船六七立方米的狭小空间相比宽敞了很多，更适合长时间居住。后舱叫做资源舱，内置动力系统、推进系统和能源。”因为要实现交会对接，所以“天宫一号”实验舱前面还有一个交会对接机构。

　　“‘天宫一号’在整个载人航天工程中主要承担着两项重要使命：一是突破交会对接技术和组合体控制技术；二是作为空间实验室的雏形，验证空间站关键技术，为将来空间站的建设打基础。”张柏楠说。

　　按计划，“天宫一号”9月底发射后，将在太空等待随后发射的“神舟八号”。在“神舟八号”发射前的21天，遨游太空的“天宫一号”进行降轨，在对接前3天左右做好相应准备工作，静候对接的最佳时刻。

　　“一开始它们俩根本不在同一个轨道上。‘天宫一号’需要降低轨道，而‘神舟八号’发射之后需要不断提高轨道，提高到正好和‘天宫一号’轨道高度一致。这时候两个飞行器距离几百米到一两公里，然后一点点仔细调整位置。‘神舟八号’的对接系统是一个激光雷达，会向‘天宫一号’发射激光束，如果正好打到‘天宫一号’的激光反射器上，反射回来的信号就会很强，二者沿着激光束指示的方向一点点靠近。等到距离很近，比如几米的时候，飞行器的相对速度会降到每秒几厘米，然后两个飞行器刚好卡在一起。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新告诉本刊记者。

　　“通俗一点说，就是‘天宫一号’以每秒8公里的速度飞行，‘神舟八号’追上去，两者连接在一起，不仅要严丝合缝，还要把液、电、气通上。这就好比上面放了一根针，底下一根线，差了几百公里，最后要拿那个线去穿过那个针眼儿，非常困难。对接成功后，二者将以组合体的方式在太空飞行，由‘天宫一号’对组合体进行控制。实验结束后，‘神舟八号’将返回地面，‘天宫一号’继续在太空服役，等待‘神九’和‘神十’飞船前来对接。只有三次都对接成功，中国的载人航天工程第二步战略目标才全部达到。”

　　1992年，中国就正式确立了了载人航天工程分三步走。第一步，发射两艘无人飞船和一艘载人飞船，开展空间应用实验。第二步，在第一艘载人飞船发射成功后，突破载人飞船和空间飞行器(如轨道舱)的交会对接技术，并利用载人飞船技术改装、发射一个8吨级的空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。第三步，建造载人空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

　　交会对接技术和载人天地往返、出舱活动并称载人航天领域的三大基本技术。此前，只有美、俄两国掌握了交会对接技术。“欧洲自动转移飞行器实际上是大型的货运飞船，采用俄罗斯的交会对接机构；日本无人飞船H-2转移飞行器的对接机构由美国提供，它不能称为真正意义上的交会对接，是在接近国际空间站时，被加拿大提供的机械臂捕获，慢慢对接上的。”《国际太空》杂志副主编庞之浩告诉本刊记者。

　　据庞之浩介绍，之前发生的300多次对接中，失败的一共有10多次。其中小故障比如“和平号”空间站的第一次对接。“和平号”空间站有5个对接口，第一次对接是1987年4月，“量子一号”舱携带了一套天文物理仪器上天。当时的天文学家被一颗最近的400年的超新星爆发弄得眼花，“量子一号”携带的天文望远镜可以研究恒星爆炸产生的X射线，这些射线无法穿透大气层。但是“量子一号”到达后不能紧密对接，“和平号”上的宇航员进行了太空行走，清除了一个卡住了的垃圾袋，使“量子一号”牢固对接，才得以研究罕见的天文事件。

　　最大的一次对接故障发生在1997年，俄罗斯“进步号”M37货运飞船与“和平号”空间站相撞，相当于地面的汽车追尾，把“和平号”的“光谱舱”给撞坏了。因为“进步号”飞船是无人驾驶的，当时失控了，而且使用了一种新的交会测量系统，这个测量系统性能不是很稳定。飞船失控以后，该减速的时候没有减速，结果撞在了一起。后来通过宇航员出舱活动，对“光谱舱”进行了修复。

　　张柏楠说，“天宫一号”谨小慎微，里面还有很多未来空间站会用到的技术和设备，比如大型控制力矩陀螺。飞船短期飞行依靠发动机控制，中型卫星依靠动量轮控制，而空间站这种大型设备需要力矩才能控制。据介绍，“天宫一号”的惯性制导系统及空中姿态控制系统均使用了长城航天润滑油，以保证运动部件动作的精确无误，实现航天器平稳对接。

　　据外媒报道，有美国学者认为，“天宫一号”相当于美国1973年发射、1979年坠落的首个空间站“天空实验室”。这个载人空间站上拥有“阿波罗”望远镜和其他仪器，主要观测太阳和地球，还从事人类在失重状态下生理和心理反应等各种科学研究工作。庞之浩认为，与国外20吨级以上的同类试验性航天器相比，“天宫一号”在功能和用途方面有相似之处，但质量较小，只有8吨，因此称为“迷你空间实验室”更合适。

　　建一座自己的空间站

　　对一个国家来说，建设空间站究竟有多重要？“从世界载人航天发展的历史经验来看，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。”中国载人航天工程总设计师王永志说。

　　但是上世纪90年代，美国建造空间站时抱着“冷战”思维，不愿意和中国合作，一直拒绝邀请中国加入国际空间站项目。“当时没有开展载人航天活动，在载人航天方面也没什么有特色的技术。”焦维新说。

　　1984年，美国总统里根在他的国情咨文中公布：我们为了和平、经济和科学的利益，能跟随我们的梦幻到遥远的星球，在太空中生活、工作。今晚，我命令美国航空航天局建造一个永久的载人空间站，并将在10年内完成。

　　9年后克林顿总统入主白宫，这个空间站依然停留在纸上。当年，空间站计划得到了98亿美元的拨款，但是由于不断地重新设计，预算依然不够。于是美国航空航天局转变了策略，转而向俄罗斯寻求支持。“阿波罗”登月后，美国把精力放在航天飞机和探测火星上，而苏联主要放在空间站、航天服和交会对接技术上，曾经成功建造过8个空间站。1993年苏联解体后，俄罗斯经济一落千丈，原先计划建造的第二个“和平号”空间站也因为预算压力很大而暂停。当年3月，时任美国航空航天局局长的戈尔丁给他的俄罗斯对手写了一封信，提议把“和平号”与美国航空航天局的设计合并建造成一个联合的空间站。与此同时，美国航空航天局代表团访问莫斯科，并邀请“礼炮号”和“和平号”空间站的建造者参加美国空间站的重新设计。

　　接下来事情发展得非常迅速。同年8月，美俄两国签订了一个新协议，把空间站转化成一个真正的联合研究计划。美国还同意支付4亿美元，用来挽救俄罗斯的载人空间计划。对华盛顿来说这笔钱还不够航天飞机一次的飞行消耗，但是在莫斯科就可以办很多事，能给“和平号”空间站提供重要的支持。两个大国合作后，空间站的优势被媒体广泛宣传，吸引了欧空局、日本和加拿大前来参加。

　　1998年11月20日，由俄罗斯制造的“曙光号”功能货舱发射升空，“国际空间站”正式开始组装。根据最初计划，它的总质量将达470吨，加压舱总容积相当于两架波音747客机机舱，设计寿命为15年左右，可容纳6名宇航员。美国则是“国际空间站”工程中的“老大”，其投资占整个工程费用的60%以上。

　　去年6月，俄罗斯航天署前署长阿纳托利·佩尔米诺夫说，俄罗斯已经联系了中国航天官员，看是否有可能使用“神舟”飞船来作为俄罗斯太空计划的后援，充当“计程车”的角色，接送船员往返于空间站。之前，欧洲空间局局长让·雅克·丹东在接受采访时也曾说，如果其他空间站的合作伙伴也同意，他也将张开双臂迎接与中国的合作。他说：“我真的很愿意支持国际空间站计划的合作伙伴扩展到中国和韩国，但是显然，这不是任何一方能够单独决定的，必须由全体合伙人决定。”

　　显然，俄罗斯和欧空局并不能决定这一点。很快，针对邀请事宜，美国航空航天局发言人约翰·耶姆布里克(John Yembrick)就称，尽管美国航空航天局总是在寻找新的合作伙伴关系，但是该机构和它的空间站合作伙伴还是没有邀请中国参加1000亿美元的国际空间站计划。

　　“美国一直对中国抱有排斥的态度。”焦维新告诉本刊记者。去年10月，美国航空航天局局长查尔斯·博尔登访问中国，启动中美就载人航天技术进行国际合作的会谈，但是“雷声大雨点小，最后也成了礼节性访问”。美国和亚洲其他几个国家合作密切，包括日本和印度。2008年，印度发射了它的首颗探月卫星“月船一号”，上面搭载了11个探测仪器，其中有6个是美国和欧空局提供的。这颗卫星于2009年9月发现月球有水，“这是一个重大发现，但是由美国提供的月球矿物分析仪器发现的。目前美国不肯和中国合作，主要是从政治上考虑”。

　　而此时，中国自己的空间站计划正逐步成型，已经掌握了载人飞行以及太空行走技术，很快将会突破交会对接技术。“我们的运载火箭技术已经成熟，飞船技术也在走向成熟。美国航空航天局的官员会看到这样一个事实，从他们的发言中还是能看到他们对中国的态度在逐渐发生变化。”美国航空航天局专家詹姆斯·奥伯格(James Oberg)说，中国载人航天的飞速发展，不仅证明中国高科技水平日趋提高，也将使其获得与国际空间站完全合作的机会。

　　而合作原因更可能是因为美国面临的问题。今年7月，美国的航天飞机宣告退役，新的飞船尚未问世。在这个青黄不接的时候，美国只好依靠俄罗斯的“联盟号”飞船运送宇航员往返国际空间站。这对俄罗斯来说是一个要价的好时机，最初每人每趟航程价格为2630万美元，经过几次涨价涨到6300万美元。为此，美国曾威胁俄罗斯，如果涨价太狠就有可能和中国合作。

　　中国的地位于是变得越来越微妙。2010年9月，俄罗斯航天署前署长阿纳托利·佩尔米诺夫在捷克布拉格举行的国际宇航联大会上被新闻媒体提问时表示：“我并不反对中国加入国际空间站计划，并成为其中的一员。但是鉴于中国目前的经济发展，以及他们在空间探索领域的远大抱负，我认为中国可能不会加入国际空间站。”

　　2020，唯一的“天宫”

　　到了2020年，地球上空很可能只有一座空间站在飞行，那就是尚未命名的中国空间站。

　　今年7月，俄罗斯太空官员宣布，打算在2020年国际空间站的使用期限结束后，把它沉入大海。随后，美国航空航天局拿出很多支持的论调，意图证明国际空间站的使用寿命很有可能将超过2020年，甚至延长到2028年以后。到那时，国际空间站就30岁了。

　　“我并不看好国际空间站的命运。”焦维新说，“空间站的寿命与建设材料、设备质量有关，但最重要的还是维护，维护涉及到投入。”

　　关于维护，最好的例子就是“哈勃”太空望远镜。自1990年4月24日“哈勃”望远镜上天后数周，研究人员就发现它传回来的图片有严重的质量问题，查了半天发现主镜的形状被磨错了，导致不对焦，图片模糊。为此美国于1993年通过航天飞机对“哈勃”望远镜进行了一次维修，给它戴上一副“眼镜”，纠正了缺陷。2009年5月，美国“阿特兰蒂斯号”航天飞机上的7名宇航员通过5次太空行走，对“哈勃”望远镜进行了最后一次维护，为其更换了大量设备和辅助仪器，将其寿命延长至2013年后。届时，“詹姆斯·韦伯”空间望远镜将会接替“哈勃”的天文任务。“哈勃”一共经历了5次维修，才使得它成为人类历史上最伟大的太空望远镜。

　　国际空间站从1998年开始建设，到去年建成已经过去了12年，在这个过程中有些仪器设备就已需要维护。焦维新印象比较深的是2004年2月27日，国际空间站的陀螺仪坏了，在站上工作的俄罗斯宇航员卡列里和美国宇航员福阿莱从“码头号”对接舱走出空间站进行维修，此时国际空间站唱起了“空城计”。按照规定，宇航员太空行走的时候，至少要有一名宇航员在站内留守。但是在迫不得已的情况下只好违规，因为陀螺仪失效，就很难保证空间站处于正确姿态。

　　“如果没有投资，国际空间站坠毁的命运不可避免。”2001年3月23日，“和平号”空间站坠毁在太平洋就是无米下锅最后饿死的例子。“和平号”空间站生不逢时，刚满5岁就遇上苏联解体，杂乱无章的经济改革使俄罗斯陷入困境，不得不大大削减花费高昂又不赚钱的航天开支。“和平号”只得不断和外国宇航界合作，争取外援维持生存，结果仍是焦头烂额，15年间事故频出，据说多达1500次，最终在一片叹息声中陨落。

　　“如果16个参与国齐心协力，国际空间站也能维持更长时间。但是目前美国已经有人认为，投资浩大建设空间站是一种战略错误。若抱这种观点，是不可能把很多时间和精力投入在空间站上的。”焦维新说。

　　空间站的命运，更多的和参与国的太空政策联系在一起。

　　2010年4月15日，美国总统奥巴马正式公布了美国的新太空探索计划，表示美国将放弃小布什之前制定的旨在重返月球的“星座计划”，将火星作为美国载人航天计划的目的地。他表示，美国将投资30亿美元研发新型大运载火箭，以便美国宇航员能向近地轨道之外的空间进发；到2025年，美国能对太阳系进行深入探索；到本世纪30年代中期，美国具有运送宇航员平安往返火星轨道的能力。这个计划一开始受到外界广泛批评，太空专家担心，此举将使美国丧失太空探索领先地位并严重影响相关就业。但是随着事态进一步发展，奥巴马的太空计划逐渐明朗起来。今年4月，美国航空航天局公布了一款最新研制的多用途载人飞船，飞船设计以“猎户座”航天器的原型为基础，将作为未来美国宇航员进入外太空的全新运输系统，可同时携载4名宇航员前往火星。9月14日，美国航空航天局又宣布了名为“太空发射系统”的新式重型运载火箭的设计方案，将用于发射新的太空舱，到更远的未知领域去探索太空。

　　“‘太空发射系统’低地球轨道的运载能力至少在130吨以上，是世界上最大的火箭。飞船的功能更强，可以把宇航员带到小行星和火星附近。如果这两方面技术都很成熟，实际上美国想什么时候登月就什么时候登月，没必要现在把目标定在重返月球上。美国还要搞太空加油站，在太空搭建一个平台，给卫星或者其他航天器对接提供燃料。如果新计划都实现了，美国又会把其他国家甩开一段距离，所以美国现在的兴趣不在空间站。”焦维新说，“但是建造空间站已经花了很多钱，美国肯定要维护它。不过，10年后美国究竟对此抱何种态度，现在还不得而知。”

　　“至于俄罗斯，鉴于它经济不景气，不可能对空间站有太大投入。”焦维新用“计划赶不上变化”来形容俄罗斯的现状。近年来俄罗斯一直没有很明晰的太空计划。2000年它要建造名为“快船”的新一代宇宙飞船，从“联盟号”载人飞船的基础上研制，能重复使用25次，但是在2006年进入最后的生产阶段时被叫停，转而研发一种多级入轨的新型飞船。2005年，“神舟六号”飞船发射时，焦维新说他曾和俄罗斯航天员连线交流，他问俄罗斯发展快船的主要目的是什么。俄罗斯航天员说，主要是为了发展太空旅游，因为它可以重复使用，可以乘坐6个人，将来也可能能够探测月球。但是计划后来被取消了，将以前的“联盟TMA”飞船在电子设备上进行了升级，更换了老旧的计算机，整体质量降低了70公斤，建造成“联盟TMA-M”飞船，第一艘于2010年10月8日发射。

　　其间，俄罗斯还提出过载人登月计划、火星探测计划，但很快就销声匿迹了，没有一个能持续很长时间。“俄罗斯的兴奋点很多，但都不扎实，主要原因就是差钱，所以它只能保证维持现状，定期接送航天员，供应给养，做好实验。”

　　欧空局也没有办法挑大梁。国际空间站上有欧空局的“哥伦布”舱，欧空局也有自己的货运飞船ATV，比“进步号”飞船的运输量还大，可以给空间站提供设备和给养。但是欧空局也没有明确的、能够稳步推进的计划。2004年欧空局宣布了雄心勃勃的“曙光计划”，其中包括“火星探险计划”和“登月计划”。计划原定于2011年向火星发射探测器，采掘半公斤火星岩石样本送回地球，以进行分析。之后这个计划被推迟到2013年，随后又推迟到2018年。焦维新颇为失望地说：“‘曙光计划’过去这么多年了，没看到一点曙光。”

　　“到2020年，很可能我们国家的空间站是世界上唯一的空间站。到时候我们可以开展国际合作，更好地和平开发、利用太空资源。”对此，庞之浩非常乐观。■

　　(感谢航天科技集团公司提供资料)