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庞之浩:揭秘神舟十一号与天宫二号

2016年10月12日,庞之浩在北京市航天中学进行航天科普讲座

​2016年10月17日7时30分,神舟十一号飞船在我国酒泉卫星发射中心由“神箭”长征二号F遥十一运载火箭搭载两名航天员景海鹏、陈冬成功发射升空,并将与9月15日发射升空的天宫二号空间实验室进行交会对接。航天员会在组合体飞行器中生活30天,这也是我国迄今为止时间最长的一次载人航天飞行。

2016年10月12日和14日,在神舟十一号发射前夕,由北京市科学技术协会、北京科普发展中心主办,青蜜旗下社团经理人承办的航天科普讲座沙龙活动上,中国空间技术研究院研究员、《国际太空》杂志主编庞之浩走进北京航天中学和天津市南开大学附属小学,给两场500余名师生带来了一场题为“揭秘神舟十一号与天宫二号”的航天主题科普讲座。以下内容为两次讲座实录整理。

我国早期航天探索和途径选择

载人航天是当今高技术中最具挑战性的领域,能体现一个国家的综合国力和整体科技水平,可以通过航天员的直接操作更好地开发太空资源。为此,20世纪70年代初,我国曾拟研制名为曙光-1载人飞船。它与美国的“双子星座”飞船相似,形状像倒扣的大漏斗,由座舱和设备舱组成。同时,在1971年选出了首批19名预备航天员。但由于政治、经济、技术等方面的原因,曙光-1飞船工程自1971年10月以后就几乎处于停滞状态。1975年3月,国家正式宣布工程下马。虽然选拔出来的航天员没有进行培训,但有关工作始终没有停止,包括研制航天食品,为以后航天员的选拔训练创造了良好的条件。

从1986年起,我国开始实施“863”计划,其中一个重要内容就是提出我国载人航天技术的发展途径和总体方案。目前,载人航天器有三种,它们分为两类,一类是宇宙飞船和航天飞机,它们主要用于接送航天员和货物,且在太空飞行时间不超过20天,又称天地往返运输器;另一类是空间站,它像一座在太空建造的大厦,具有体积大、寿命长、功能强等特点,是开发太空的理想平台,但不能天地往返。所以在研制空间站之前必须先研制天地往返运输器,为空间站提供运输服务。

由于当时航天飞机很火,所以我国航天专家就研制哪种天地往返运输器曾有较大的争议。然而经过有关专家几年的深入论证表明,航天飞机虽先进,但太复杂,投资和风险也太大,所以,我国专家最后一致认为我国应从载人飞船起步,但起点可以较高,直接研制当时最先进的三舱式载人飞船。1992年9月21日,党中央国务院批准研制载人飞船工程,即“921”工程。自此,中国的载人航天工程正式启动。

在载人航天史上,美国曾在发射了三种飞船后,就把大量人力、物力、财力投入到被吹得神乎其神的航天飞机上来,但在走了一大段弯路后发现,它又贵又不安全,所以在发射了135架次、报销了2架、牺牲了14名航天员、耗资2000多亿美元后,现在又回归飞船了。前苏联也只发射了1次航天飞机就不搞了。实践证明,我国当时的决策非常英明。

“三步走”的发展战略

第一步用载人飞船将航天员安全地送入轨道,并安全返回地面,实现载人航天的历史性突破。这一步已通过发射神舟-5(2003年,将航天员杨利伟送入太空,实现我国单人单天载人航天飞行)、神舟-6(2005年,搭载航天员费俊龙、聂海胜实现我国两人多天载人航天飞行)载人飞船实现。

第二步是突破航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术,并发射空间实验室和货运飞船,这些都是建造空间站的前提。比如:掌握太空行走的技术就可以完成太空组装、扩建空间站的工作;而要用飞船为空间站提供人员与物资的运输,就需要掌握空间交会对接技术,将两个航天器组合在一起。神舟-7的航天员翟志刚完成了我国航天员的首次太空行走。翟志刚所穿的舱外航天服相当于一个微型的飞船,它有120公斤重,价值3600万人民币。而我国的空间交会对接技术的实践是通过4次航天器发射完成的:首先发射天宫-1目标航天器,之后发射神舟-8无人航天飞船实现自动交会对接,成功后发射神舟-9载人飞船完成自动、手动两次交会对接。一次成功不代表技术成熟,所以之后我国再次发射神舟-10并与天宫-1再次成功交会对接,从而完成我国载人航天工程第二步的第一阶段目标。

此后,我国载人航天进入第二步的第二阶段,即在2016年、2017年分别发射天宫-2空间实验室,神舟-11载人飞船和天舟-1货运飞船,验证空间站的部分新技术,进行中等规模的空间应用。天宫-2原为天宫-1的备份,由于天宫-1成功的完成了上一阶段目标任务,天宫-2不再重复任务,而将其进行了适应性改装,用以执行空间实验室任务。而通过天舟-1货运飞船给天宫-2自动补给推进剂,可突破和掌握推进剂补给等空间站关键技术。我国正研制的“天舟”货运飞船已达到世界先进水平,它由货物舱和推进舱组成。每次上行货物运输能力为6.5吨,下行销毁废弃物能力为6吨。

第三步是在2020年左右建成长期载人的大型空间站,大规模、长时间开发太空资源。我国空间站由从2018年起先后发射的三个20吨级的舱段组成,预计可运行10年以上,用以支持科技研究、国际合作乃至科普教育。

揭秘天宫-2

2011年9月29日,我国长征-2F T1运载火箭成功发射了天宫-1目标飞行器,2-16年9月15日用长征-2F T2发射天宫-2空间实验室。它们之间也存在很多不同之处。天宫-1有四大任务:一是作为交会对接的目标。二是实现组合体控制和管理。三是实现航天员的在轨驻留、生活和工作,开展科协实验。四是进行空间技术试验。研制天宫-1目标飞行器是我国的一个创新,它有三大优点:一是目标飞行器可支持多次交会对接,减少发射次数,要进行N次交会对接,只需发射N+1次就可以。二是它可以提供人的访问、工作、生活的支持能力,包括进行科学实验。三是可以验证空间站部分关键技术,包括空间的平台技术、再生式生命保障技术等,为未来空间站的研发打下比较好的基础。

天宫-2空间实验室是在天宫-1目标飞行器备份产品的基础上改进研制而成。与天宫-1相比,天宫-2在外形、结构、尺寸、质量上基本没有变化,全场10.4米,最大直径3.35米,太阳翼展宽约18.4米,重8.6吨,仍采用实验舱和资源舱两舱式构型,设计在轨寿命不小于2年。但是由于天宫-2执行的航天任务比天宫-1有很大的变化,其“内心”有明显的不同。天宫-2是我国第一个真正意义上的空间实验室和我国载人航天第二步第二阶段任务中第一个升空的航天器,主要完成三大任务:一是接受神舟-11载人飞船的访问,完成航天员30天的中期在轨驻留任务,考核面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障等相关技术。以往都是短期驻留,最长是12天;二是接受我国首艘货运飞船天舟-1的访问,考核验证推进剂在轨补加技术,是我国第一个具备太空补加功能的载人航天器;三是开展大规模空间科学和应用实验,以及在轨维修和空间站技术验证等试验。为此,围绕天宫-2的三大任务开展了很多新的设计工作。可以说天宫-2比天宫-1“飞得更高、实验更多、时间更长”。为了保持与天宫-1相同重量,对设计方案进行了一些调整。在乘组人数方面。减少了1人,只有2位;在燃料方面,这次发射时携带的推进剂相比天宫-1时要少一些,未来在和货运飞船对接时将进行补加。

天宫-2空间实验室发射升空后,先进入近地点200千米、远地点350千米的初始轨道,之后变轨进入高度约380千米的运行轨道,进行在轨测试。神舟-11载人飞船发射前,天宫-2进入高度393千米的近圆对接轨道,等待交会对接。这一对接高度与未来我国空间站运行的轨道高度基本相同。神舟-11发射入轨后经变轨与天宫-2交会对接构成组合体,航天员进入天宫-2,开展空间科学实验和技术试验。组合体运行第30天时,神舟-11与天宫-2分离,航天员乘返回舱返回地球,天宫-2继续在轨飞行。

2017年4月,天舟-1货运飞船发射入轨后经变轨与天宫-2交会对接构成组合体,进行推进剂补加试验等。天舟-1完成组合体停靠任务与天宫-2分离,开展搭载载荷试验。天宫-2继续在轨飞行,开展空间科学实验与技术试验。

发射天宫-2是全面完成我国空间实验室阶段任务的关键之战,将为我国后续空间站建造和运营奠定坚实基础、积累宝贵经验,对于推进我国载人航天事业持续发展,具有十分重要的意义。

天宫-2由实验舱和资源舱组成,其中前者由密封舱和非密封舱组成;后者是非密封舱。密封舱有专用的睡眠区、锻炼区、实验区、仪表区,有较多实验设备,可用笔记本上网、听音乐和收发电子邮件。它可保证航天员生存条件,可提供60人天在轨驻留支持,即如果1个人在里面,可待60天;如果3个人都在里面,可待20天。为了进行中期驻留试验,让航天员在天宫-2里待30天,神舟-11只载2名航天员。其非密封舱安装科学实验设备。资源舱为天宫-2提供动力和电能,进行姿态控制、轨道控制。在天宫-2上首次使用可展开的多功能小平台,航天员可以在上面写字、吃饭、做科学实验,生活工作两不误;在通信方面,为航天员配备了蓝牙耳机和蓝牙音响;用地板取代了地毯,避免有“一踩一个坑”的感觉;舱内灯光采用米黄色色调,亮度可手动调节,并为每个航天员安装了床前灯。在多个区域增加了不少硬质扶手,并引入了驻留腰带、头戴式无线蓝牙耳麦等设计来解放航天员的双手;在锻炼器材方面,除了有动感单车外,还增加了跑台。多功能小平台和跑台采用了折叠方式进行收纳,以最大程度地节省空间。为保障航天员在太空的空气质量,还专门研制了环控监测装置,可同时完成“太空之家”内二氧化碳等20多种气体及有害微生物的浓度监测,一旦有害物质含量超过预警值时,就会立即报警并指示航天员按照预定方法进行处理,以保证航天员的生命安全。

技术试验

由于天宫-2设计寿命为2年,是一种长期在低轨道运行的载人航天器,所以如何保障它在恶劣的太空环境中长寿命工作是一项技术难关。为了后续空间站的建设,还安排了在轨维修技术验证和机械臂维修操作验证系统,以满足对空间站的维修体系进行全面验证的需求。值得一提的是,天宫-2系统设计为模块化,所以出现问题时可快速更换和在轨维修,在我国航天器上首次采用了“插拔式”的结构设计,只需用几分钟就能完成一次维修更换。

天宫-2将在轨释放所携带的伴随小卫星,然后与天宫-2伴飞。它将为天宫-2与神舟-11交会对接提供直接的影像技术支持,并拓展空间技术应用。我国神舟-7释放的伴随卫星相机为130万像素,而天宫-2伴随卫星使用2500万像素全画幅相机,在分辨率和精细度上实现了新升级。

科学实验

即将在天宫-2进行的实验项目绝大多数触及当今世界最前沿的探索领域,有望取得一批重大应用成果,如搭载了全球第一台冷原子钟进入太空。同时,天宫-2上还搭载了香港中学生太空科技设计大赛获奖的双摆实验装置、薄膜成型实验装置、太空养蚕实验装置3个实验项目,用于开展航天科普活动。

天宫-2上装载的世界第一台空间冷原子钟是目前在空间运行精度最高的,约3000万年才会产生1秒的误差。其上的γ射线暴偏振探测仪将探测研究遥远宇宙中突然发生的γ射线暴现象和太阳耀斑,深入地研究宇宙结构、恒星演化、黑洞形成以及γ射线暴爆发的物理机制。

揭秘神舟-11

2016年10月17日发射的神舟-11与神舟-10一样,但只送2名航天员登天。其任务是:执行人员与物资天地往返任务;进一步验证改进型飞船性能;确保航天员安全返回地面。按照60人天驻留要求,优化了轨道舱布局,返回舱Ⅱ象限座椅改装为专用载货支架,重新设计了物品转移策略。上性能力达362.5千克,为历次任务最高;下行能力较神舟-10增加一倍。

发射天舟-1货运飞船与天宫-2对接后,我国就完成第二步第二阶段任务。2018年开始完成载人航天工程第三步任务,陆续发射空间站的核心舱和2个实验舱与之对接,在2022年建成长期载人的大型空间站。

人类在漫长的社会进步中不断扩展自身的生存空间,人类活动范围的每一次扩展都会实现伟大的飞跃。随着我国载人空间站工程启动实施,我国将为和平利用和开发空间资源,担负起更多的责任,做出新的更大贡献。

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