“天宫一号”：打造中国空间站的开始
董延双 李大光
摘要：9月29日21时16分，在酒泉卫星发射中心载人航天发射场，随着一声巨响，装载着“天宫一号”的火箭拖着巨龙般的火焰顺利升空，开始了中国空间站的建设历程。无垠的太空是人类共同的财富，探索太空是人类的共同追求。而在人类探索太空的事业中，中国理所当然地要有自己的贡献。
关键词：“天宫一号”；中国空间站；太空资源；
中图分类号G303 文献标识码 A 文章编号 1099-5535（2011）07-0058-004
中国战略智库权威期刊《战略与风险管理》杂志2011年第7期
作者简介
董延双，空军司令部某处副处长。
9月29日21时16分，在酒泉卫星发射中心载人航天发射场，随着一声巨响，装载着“天宫一号”的火箭拖着巨龙般的火焰顺利升空，开始了中国空间站的建设历程。
一、打造空间站的关键技术
中国若要实现建立空间站，两个最关键的技术必须解决，其一是宇航员出舱行走，已于2008年完成；其二就是太空舱交会对接。“天宫一号”是中国未来空间站的雏形，是检验技术是否成熟的关键，特别是其与“神舟”八号将进行交会对接任务，更是中国载人航天工程前所未有的挑战。目前，只有美国和苏联/俄罗斯掌握了完整的空间交会对接技术。
空间交会对接是除了载人航天器的发射并返回技术、空间出舱活动技术之外，载人航天的三大基本技术之一。“空间交会对接”简称“交会对接”，是建立空间站最基本且最关键的技术，其原理是通过轨道参数的协调，让两个或两个以上的航天器在同一时间到达太空同一位置，然后再通过专门的对接机构将其连为一个整体。在实施空间交会对接的2个航天器中，一个称目标飞行器，一般是空间站或其他的大型航天器，作为准备对接的目标，交会对接时保持稳定状态；另一个称追踪飞行器，一般是地面发射的宇宙飞船、航天飞机等，交会对接时要通过变轨来追赶目标飞行器，实现两者的交会对接。具体实施，一般是先将目标飞行器发射入轨并精确测定其运行轨道，当其飞经待发飞行器发射场上空时，通过择机发射使后者与前者运行在相同的轨道上，并且将距离控制一定范围内，随后再依靠飞行器本身的机动能力让两者逐渐连为一体。
航天器空间交会对接技术的实施必须由高级控制系统来完成，根据航天员及地面站的参与程度可将控制方式划分为如下四种类型：一是遥控操作：追踪航天器的控制不依靠航天员，全部由地面站通过遥测和遥控来实现，此时要求全球设站或者有中继卫星协助。二是手动操作：在地面测控站的指导下，航天员在轨道上对追踪航天器的姿态和轨道进行观察和判断，然后动手操作。三是自动控制：不依靠航天员，由船载设备和地面站相结合实现交会对接。该控制方法亦要求全球设站或有中继卫星协助。四是自主控制：不依靠航天员与地面站，完全由船载设备自主实现交会对接。45年前，美国实现了世界上首次航天器空间手动交会对接。1966年3月16日，美国双子星座8号载人飞船与改装的“阿金纳”火箭末级实现了世界上首次手动交会对接，其中，“阿金纳”火箭末级作为追踪飞行器，双子星座8号作为目标飞行器。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。但飞船仍在滚动，改用手动控制，才使飞船稳定下来。后查明是因人为扳错开关造成姿控系统故障。为确保安全，飞船紧急返回。未来的发展趋势是人工控制和自动控制相结合，以提高交会对接的灵活性、可靠性和成功率。
对接机构是把两个航天器合二为一的“纽带”，具有关节的作用。目前常用的主要有“杆-锥”式和“异体同构周边”式。“杆-锥”式对接机构由“杆”和“锥”两部分构成，前者为主动，装在追踪飞行器上，“锥”为被动，装在目标飞行器上。对接时杆插入锥内，然后锥将杆锁定，接着拉紧两个航天器，最终锁定两个对接面完成对接。“杆-锥”式的优点是结构简单，质量较轻。其缺点是对接机构全部安装在航天器壳体内部，对接后占据较大内部空间，其承载能力也比较低。另外，在应用中需要主、被动两种机构成对使用，不具有异体同构性，通用性差。“异体同构”是指追踪飞行器和目标飞行器上的对接机构采用同样结构，没有主动、被动之分；“周边式”是指机构不设置在中间，而是设置在周边。对接时，追踪飞行器上的对接机构伸出装在周边的三个板状导向器，使两个对接机构准确地接触，锁定后对接机构回缩拉紧对接面，最终锁定两个对接面完成对接。“异体同构周边”式的优点是对接后通道畅通，对接连接环直径较大承载能力大，适宜大质量航天器间对接。其缺点是结构比较复杂，质量较大。两个航天器要想在太空交会靠近，主要依靠航天器上测量设备，它是航天器之间进行交会靠拢的“眼睛”。两个航天器之间为中长距离时主要使用微波雷达、激光雷达、GPS差分接收机等；两个航天器之间为短距离时主要使用光学成像敏感器和对接敏感器等。
目前，国内外学者将航天器空间交会对接的飞行过程划分为如下四个阶段：地面导引阶段、自动寻的阶段、最终逼近阶段和对接阶段。除此以外，当两个航天器对接成功并且经过一段时间完成了空间任务以后，往往需要分开。这样还有一个脱开和分离过程，它也属于交会对接技术范畴。迄今为止，全世界共计进行了300多次空间交会对接活动，但只有美国和苏联/俄罗斯掌握完整的空间交会对接技术。欧洲和日本的转移飞行器在“国际空间站”的空间交会对接技术方面，分别得到了美国或俄罗斯的技术支持。欧洲自动转移飞行器的对接机构由俄罗斯提供，日本H-2转移飞行器的对接机构由美国提供。二者在飞行任务中均需要美国和俄罗斯的数据中继卫星系统支持。
二、为打造空间站进行先期技术探索
航天大国普遍的共识就是，空间站是载人航天发展的必经之路。“天宫1号”目标飞行器将和随后发射的神舟8号飞船进行我国首次空间交会对接试验。明年，还将陆续发射神舟9号、10号飞船与“天宫1号”实现交会对接。其中神舟8号是无人飞船，神舟9号是否载人未定，而神舟10号是载人飞船。如果“天宫1号”和神舟8号空间交会对接成功，中国将成为世界上第三个完整掌握这一技术的国家。
“天宫一号”肩负着为中国2020年左右建立空间站奠定技术基础的重任。“天宫一号”并非真正的空间站，而是用于试验我国未来空间站项目所需技术的首个太空试验平台，目的是为此后我国建设空间站做准备。研制试验性空间站是建造空间站的重要前提和技术保障。回望苏、美及欧洲航天局的空间站发展历程，均为先研制试验性空间站、再建造其他空间站。试验性空间站和其他空间站是两种既有联系又有明显区别的载人航天器，它们在任务目标、功能规模、技术指标、资金投入和研制周期等方面均有不同之处。试验性空间站是为发展其他空间站，从运输器过渡到载人航天基础设施的试验性航天器；而空间站指可供多名航天员巡访、长期工作和居住的载人航天器。中国的空间站是完全独立完成的，而国际空间站则是由16国共同出资建造的，除了俄美法，其他参与方从中并未获得多少自主的技术。对于中国人而言，“天宫一号”更加意义非凡，它使中国人的飞天梦想继续延伸、拓展。美国著名太空政策专家、乔治·华盛顿大学教授约翰·洛格斯登说：“这是中国朝着计划10年后建造更大规模空间站迈出的第一步。”
“天宫一号”在寿命、对接口等方面不同于其他空间站。载人航天以及建设空间站与不载人航天差别巨大。为了保证人的安全，所有因素都要全面考虑，技术上要求更高。在载人航天工程中，建设空间站是更高水平、更高层次的技术体现。从技术角度讲，作为技术测试平台的“天宫一号”，即使取得成功，它与“神舟八号”交会对接也只是模仿了40年前美苏所做过的事情和技术。但相比国外试验性空间站和其他空间站的发展，“天宫一号”也存在六大区别。一是试验性空间站在轨寿命通常低于5年，而其他空间站可达5至10年，或者更长。二是试验性空间站的规模较小，对接口也少，没有扩展能力。而其他空间站至少有2个对接口，能同时对接载人运输器、货物运输器或专用实验舱。三是试验性空间站上的航天员一次在轨时间较短，一般是几十天。而其他空间站上的航天员一次在轨时间大多为百天以上。四是试验性空间站上的燃料和消耗品原则上要一次带足，其他空间站则是用货运飞船定期进行多次补给。五是试验性空间站上的有效载荷设备很少更换，但其他空间站可多次更换和增加实验仪器。六是试验性空间站上的航天员一般不进行航天器的维修工作，只进行试验、训练等，而其他空间站上的航天员要经常进行维修工作。简言之，试验性空间站的各方面要求均比空间站低，因而技术难点少，比较容易研制。
中国发展载人航天、探索太空一直以来都秉承和平开发太空资源的理念。空间站作为大型载人设施，可以提供地球上不具备的研究和开发平台。太空的高位置和微重力等独特环境有利于开展地球科学、天文学、材料、生物等方面的科学研究。微重力资源在材料研究和生物制药研究上有很多可以探索的领域，有望实现科学突破。天宫一号目标飞行器，既是交会对接目标飞行器，也是一个小型的空间实验室。天宫一号将于在轨的两年中，与神舟八号、九号、十号飞船进行交会对接试验，这将为我国2020年左右建立空间站奠定重要的技术基础。中国将利用载人航天器独有的资源条件来研究人类并没有完全认知的包括宇宙、太阳系、地球等科学问题，为人类探索太空做出贡献，将要开展的天文学研究“有希望获得重大科学成就”。事实上，世界其他国际空间站也同样是用于和平开发的。虽然，苏联曾在冷战时期建立过军用空间站，但最后也是用于和平开发资源上了。中国政府在利用和发展太空资源上的和平理念是无可置疑的。中国的空间站建成以后，在很多领域都会展开实验，包括观天测地、利用微重力环境进行材料科学等实验。目前，许多行业的科学家已经提出了很多实验方案，有关部门正在精选。
需要清醒认识的是，与美俄等国家相比，中国的空间站技术仍处于起步阶段。“天宫一号”发射，只是中国努力缩小差距的开始。与美苏曾经发射的空间站相比，将作为小型空间实验室的中国“天宫一号”目标飞行器是个“小个子”。“天宫一号”重量为8.5吨，而美国1973年发射的“天空实验室”重达80吨，苏联1986年发射的“和平”号空间站核心舱也有20吨重，更不用说眼下450多吨重的国际空间站。然而，这个“小个头”含义丰富，意义深远，难怪引起全球关注和热议，但绝不是西方媒体所说的用于军事目的。稍微有一点常识的人都知道，如果去发展军事技术或作战平台，空间站不是一个合理的选择，军事侦察卫星、军事通信卫星都是无人飞行器。“天宫一号”主要是作为目标飞行器来训练太空对接，此外还要作为太空实验室以开展科研活动。“天宫一号”及其后续项目也需要寻找好的科学项目，从而为人类认识世界、获得新的发现做贡献。
三、未来将是国际太空大合作
历史上，独立开发出空间站的只有美苏两家，而独立坚持到底的只有前苏联，美国只研制了早期的第一代空间站，就把精力转向了登月。中国的载人航天提出了分三步走计划，明确第三步就是建空间站。也就是说，从“神舟”一号开始，目标就锁定在了建立自己的空间站。此次发射就是在完成第二步的后续任务，并为完成第三步战略目标打下基础。“天宫一号”如果能使交会对接技术获得突破，按照计划，10年后的2020年左右，中国将开始建设正式的空间站。届时，国际空间站面临退役，中国人的空间站或许将成为唯一的接班者。
未来我国将建多舱式空间站。纵观当代世界载人航天发展，基本是沿着载人飞船、试验性空间站、货运飞船、实用型空间站、航天飞机、长久性空间站和永久性空间站的发展轨迹。其中载人飞船、货运飞船和航天飞机是天地往返的运输器，用于为在太空长期运行的各种空间站提供人和货物的运输服务；试验性空间站用于试验空间站的有关技术，为建造空间站打基础；其他空间站是开发太空资源的主要太空基地，而且体积质量、运行时间等不断加大，载人时间、研究项目也随之增多。2011年建成的“国际空间站”是永久性空间站，由美国、俄罗斯、欧洲航天局、日本、加拿大和巴西等16国联合研制。它采用桁架挂舱式构型，以上百米的组装式桁架为基础结构，然后将多个舱段和设备安装在桁架上。其优点是灵活性更强，拆卸、修理和更换都很方便，同时采用集中式供电，工作效率高，但费用也很高昂，且技术复杂。我国未来的空间站起点较高，将是多舱式空间站。根据国情，我国空间站将采用积木式构型，包括一个核心舱、两个实验舱，总质量60吨。核心舱以组合体控制任务为主，实验舱I兼有组合体控制与应用实验功能，实验舱Ⅱ以应用实验任务为主。
中国的载人航天工程，包括空间实验室和空间站的建立，都将在推进国际合作、互利互惠的基本理念下进行。2020年的中国空间站将是独一无二的国际空间站。由于科学实验有其连续性，其他国家的科学家想进行科学试验，只有和中国进行合作，如果有发达国家科学家参加，他们携带先进的科学设备，将形成一个国际太空合作的大格局。所以，未来的空间站不光是中国开展多学科实验的平台，也可能会吸引多国的科学家参加，那就变成一个国际性的空间站了。针对中国空间站的建设，“我觉得中国建立空间站是件很棒的事，正是有了像中国这样越来越多国家的加入，人类探索太空的力量才更强大，相信我们之间能进行良好的合作，建立最深厚的国际友情。”当时身在“阿特兰蒂斯”号航天飞机谢幕之旅的美国宇航员雷克斯·瓦尔海姆在接受地面记者采访时这样说。他的朴素言语表达了对中国航天事业即将迈出重要一步的欢迎之情。中国航天技术进一步发展将使全球获益。
总之，无垠的太空是人类共同的财富，探索太空是人类的共同追求。而在人类探索太空的事业中，中国理所当然地要有自己的贡献。