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未來空間站

　　天宮一號：中國空間站的“先遣兵”

　　“天宮一號”9月底發(fā)射后，將在太空等待隨后發(fā)射的“神州八號”�！巴ㄋ渍f，就是‘天宮一號’以每秒8公里的速度飛行，‘神州八號’追上去，兩者連接在一起，不僅要嚴絲合縫，還要把液、電、氣通上。對接成功后，二者將以組合體的方式在太空飛行，由‘天宮一號’對組合體進行控制。實驗結(jié)束后，‘神州八號’將返回地面，‘天宮一號’繼續(xù)在太空服役，等待‘神九’和‘神十’飛船前來對接。只有三次都對接成功，中國的載人航天工程第二步戰(zhàn)略目標才全部達到�！�

　　記者◎曹玲

　　迷你空間實驗室

　　1966年3月16日，美國航天員阿姆斯特朗和斯科特乘坐“雙子星座八號”飛船，手動操作交會過程，與無人“阿金納”目標飛行器對接。對接后飛船猛烈滾動旋轉(zhuǎn)，阿姆斯特朗不得不將飛船與“阿金納”分開。分開后飛船仍在滾動，他改用手動控制才使飛船穩(wěn)定下來，為確保安全，飛船緊急返回。后來查明原因，是因人為扳錯開關(guān)造成的姿態(tài)控制系統(tǒng)故障。

　　這是人類歷史上首次進行兩個航天器之間的交會對接。接下來的40多年里，太空中發(fā)生過300多次交會對接，下一次即將是中國的“天宮一號”目標飛行器和“神州八號”飛船。

　　對“神舟”系列飛船我們并不陌生，但“天宮一號”是個什么東西？據(jù)航天科技集團公司五院“天宮一號”總設(shè)計師張柏楠向本刊記者介紹，“天宮一號”是一個全新的飛行器，重8.6噸，分為兩個艙。以往的“神州”系列飛船是三艙式的，比“天宮一號”多了一個返回艙�！啊�天宮一號’的前艙是實驗艙，為全密封環(huán)境，對接完成后航天員可以進艙工作、訓(xùn)練，一些必要的生活活動以及睡覺也在里面。航天員的活動空間有15立方米，和‘神州’飛船六七立方米的狹小空間相比寬敞了很多，更適合長時間居住。后艙叫做資源艙，內(nèi)置動力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和能源�！币驗橐獙崿F(xiàn)交會對接，所以“天宮一號”實驗艙前面還有一個交會對接機構(gòu)。

　　“‘天宮一號’在整個載人航天工程中主要承擔(dān)著兩項重要使命：一是突破交會對接技術(shù)和組合體控制技術(shù)；二是作為空間實驗室的雛形，驗證空間站關(guān)鍵技術(shù)，為將來空間站的建設(shè)打基礎(chǔ)�！睆埌亻�說。

　　按計劃，“天宮一號”9月底發(fā)射后，將在太空等待隨后發(fā)射的“神州八號”。在“神州八號”發(fā)射前的21天，遨游太空的“天宮一號”進行降軌，在對接前3天左右做好相應(yīng)準備工作，靜候?qū)�接的最佳時刻。

　　“一開始它們倆根本不在同一個軌道上�！�天宮一號’需要降低軌道，而‘神州八號’發(fā)射之后需要不斷提高軌道，提高到正好和‘天宮一號’軌道高度一致。這時候兩個飛行器距離幾百米到一兩公里，然后一點點仔細調(diào)整位置�！�神州八號’的對接系統(tǒng)是一個激光雷達，會向‘天宮一號’發(fā)射激光束，如果正好打到‘天宮一號’的激光反射器上，反射回來的信號就會很強，二者沿著激光束指示的方向一點點靠近。等到距離很近，比如幾米的時候，飛行器的相對速度會降到每秒幾厘米，然后兩個飛行器剛好卡在一起�！北本┐髮W(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新告訴本刊記者。

　　“通俗一點說，就是‘天宮一號’以每秒8公里的速度飛行，‘神州八號’追上去，兩者連接在一起，不僅要嚴絲合縫，還要把液、電、氣通上。這就好比上面放了一根針，底下一根線，差了幾百公里，最后要拿那個線去穿過那個針眼兒，非常困難。對接成功后，二者將以組合體的方式在太空飛行，由‘天宮一號’對組合體進行控制。實驗結(jié)束后，‘神州八號’將返回地面，‘天宮一號’繼續(xù)在太空服役，等待‘神九’和‘神十’飛船前來對接。只有三次都對接成功，中國的載人航天工程第二步戰(zhàn)略目標才全部達到�！�

　　1992年，中國就正式確立了了載人航天工程分三步走。第一步，發(fā)射兩艘無人飛船和一艘載人飛船，開展空間應(yīng)用實驗。第二步，在第一艘載人飛船發(fā)射成功后，突破載人飛船和空間飛行器(如軌道艙)的交會對接技術(shù)，并利用載人飛船技術(shù)改裝、發(fā)射一個8噸級的空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。第三步，建造載人空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

　　交會對接技術(shù)和載人天地往返、出艙活動并稱載人航天領(lǐng)域的三大基本技術(shù)。此前，只有美、俄兩國掌握了交會對接技術(shù)�！皻W洲自動轉(zhuǎn)移飛行器實際上是大型的貨運飛船，采用俄羅斯的交會對接機構(gòu)；日本無人飛船H-2轉(zhuǎn)移飛行器的對接機構(gòu)由美國提供，它不能稱為真正意義上的交會對接，是在接近國際空間站時，被加拿大提供的機械臂捕獲，慢慢對接上的。”《國際太空》雜志副主編龐之浩告訴本刊記者。

　　據(jù)龐之浩介紹，之前發(fā)生的300多次對接中，失敗的一共有10多次。其中小故障比如“和平號”空間站的第一次對接�！昂推教枴笨臻g站有5個對接口，第一次對接是1987年4月，“量子一號”艙攜帶了一套天文物理儀器上天。當時的天文學(xué)家被一顆最近的400年的超新星爆發(fā)弄得眼花，“量子一號”攜帶的天文望遠鏡可以研究恒星爆炸產(chǎn)生的X射線，這些射線無法穿透大氣層。但是“量子一號”到達后不能緊密對接，“和平號”上的宇航員進行了太空行走，清除了一個卡住了的垃圾袋，使“量子一號”牢固對接，才得以研究罕見的天文事件。

　　最大的一次對接故障發(fā)生在1997年，俄羅斯“進步號”M37貨運飛船與“和平號”空間站相撞，相當于地面的汽車追尾，把“和平號”的“光譜艙”給撞壞了。因為“進步號”飛船是無人駕駛的，當時失控了，而且使用了一種新的交會測量系統(tǒng)，這個測量系統(tǒng)性能不是很穩(wěn)定。飛船失控以后，該減速的時候沒有減速，結(jié)果撞在了一起。后來通過宇航員出艙活動，對“光譜艙”進行了修復(fù)。

　　張柏楠說，“天宮一號”謹小慎微，里面還有很多未來空間站會用到的技術(shù)和設(shè)備，比如大型控制力矩陀螺。飛船短期飛行依靠發(fā)動機控制，中型衛(wèi)星依靠動量輪控制，而空間站這種大型設(shè)備需要力矩才能控制。據(jù)介紹，“天宮一號”的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)及空中姿態(tài)控制系統(tǒng)均使用了長城航天潤滑油，以保證運動部件動作的精確無誤，實現(xiàn)航天器平穩(wěn)對接。

　　據(jù)外媒報道，有美國學(xué)者認為，“天宮一號”相當于美國1973年發(fā)射、1979年墜落的首個空間站“天空實驗室”。這個載人空間站上擁有“阿波羅”望遠鏡和其他儀器，主要觀測太陽和地球，還從事人類在失重狀態(tài)下生理和心理反應(yīng)等各種科學(xué)研究工作。龐之浩認為，與國外20噸級以上的同類試驗性航天器相比，“天宮一號”在功能和用途方面有相似之處，但質(zhì)量較小，只有8噸，因此稱為“迷你空間實驗室”更合適。

　　建一座自己的空間站

　　對一個國家來說，建設(shè)空間站究竟有多重要？“從世界載人航天發(fā)展的歷史經(jīng)驗來看，空間站階段無法回避。它是人類向深空進軍的重要試驗平臺，許多關(guān)鍵技術(shù)需要在空間站進行驗證。同時，空間站也是開展空間科學(xué)實驗、造福地球的重要平臺�！敝袊�載人航天工程總設(shè)計師王永志說。

　　但是上世紀90年代，美國建造空間站時抱著“冷戰(zhàn)”思維，不愿意和中國合作，一直拒絕邀請中國加入國際空間站項目�！爱敃r沒有開展載人航天活動，在載人航天方面也沒什么有特色的技術(shù)�！苯咕S新說。

　　1984年，美國總統(tǒng)里根在他的國情咨文中公布：我們?yōu)榱撕推�、�?jīng)濟和科學(xué)的利益，能跟隨我們的夢幻到遙遠的星球，在太空中生活、工作。今晚，我命令美國航空航天局建造一個永久的載人空間站，并將在10年內(nèi)完成。

　　9年后克林頓總統(tǒng)入主白宮，這個空間站依然停留在紙上。當年，空間站計劃得到了98億美元的撥款，但是由于不斷地重新設(shè)計，預(yù)算依然不夠。于是美國航空航天局轉(zhuǎn)變了策略，轉(zhuǎn)而向俄羅斯尋求支持。“阿波羅”登月后，美國把精力放在航天飛機和探測火星上，而蘇聯(lián)主要放在空間站、航天服和交會對接技術(shù)上，曾經(jīng)成功建造過8個空間站。1993年蘇聯(lián)解體后，俄羅斯經(jīng)濟一落千丈，原先計劃建造的第二個“和平號”空間站也因為預(yù)算壓力很大而暫停。當年3月，時任美國航空航天局局長的戈爾丁給他的俄羅斯對手寫了一封信，提議把“和平號”與美國航空航天局的設(shè)計合并建造成一個聯(lián)合的空間站。與此同時，美國航空航天局代表團訪問莫斯科，并邀請“禮炮號”和“和平號”空間站的建造者參加美國空間站的重新設(shè)計。

　　接下來事情發(fā)展得非常迅速。同年8月，美俄兩國簽訂了一個新協(xié)議，把空間站轉(zhuǎn)化成一個真正的聯(lián)合研究計劃。美國還同意支付4億美元，用來挽救俄羅斯的載人空間計劃。對華盛頓來說這筆錢還不夠航天飛機一次的飛行消耗，但是在莫斯科就可以辦很多事，能給“和平號”空間站提供重要的支持。兩個大國合作后，空間站的優(yōu)勢被媒體廣泛宣傳，吸引了歐空局、日本和加拿大前來參加。

　　1998年11月20日，由俄羅斯制造的“曙光號”功能貨艙發(fā)射升空，“國際空間站”正式開始組裝。根據(jù)最初計劃，它的總質(zhì)量將達470噸，加壓艙總?cè)莘e相當于兩架波音747客機機艙，設(shè)計壽命為15年左右，可容納6名宇航員。美國則是“國際空間站”工程中的“老大”，其投資占整個工程費用的60%以上。

　　去年6月，俄羅斯航天署前署長阿納托利·佩爾米諾夫說，俄羅斯已經(jīng)聯(lián)系了中國航天官員，看是否有可能使用“神舟”飛船來作為俄羅斯太空計劃的后援，充當“計程車”的角色，接送船員往返于空間站。之前，歐洲空間局局長讓·雅克·丹東在接受采訪時也曾說，如果其他空間站的合作伙伴也同意，他也將張開雙臂迎接與中國的合作。他說：“我真的很愿意支持國際空間站計劃的合作伙伴擴展到中國和韓國，但是顯然，這不是任何一方能夠單獨決定的，必須由全體合伙人決定。”

　　顯然，俄羅斯和歐空局并不能決定這一點。很快，針對邀請事宜，美國航空航天局發(fā)言人約翰·耶姆布里克(John Yembrick)就稱，盡管美國航空航天局總是在尋找新的合作伙伴關(guān)系，但是該機構(gòu)和它的空間站合作伙伴還是沒有邀請中國參加1000億美元的國際空間站計劃。

　　“美國一直對中國抱有排斥的態(tài)度。”焦維新告訴本刊記者。去年10月，美國航空航天局局長查爾斯·博爾登訪問中國，啟動中美就載人航天技術(shù)進行國際合作的會談，但是“雷聲大雨點小，最后也成了禮節(jié)性訪問”。美國和亞洲其他幾個國家合作密切，包括日本和印度。2008年，印度發(fā)射了它的首顆探月衛(wèi)星“月船一號”，上面搭載了11個探測儀器，其中有6個是美國和歐空局提供的。這顆衛(wèi)星于2009年9月發(fā)現(xiàn)月球有水，“這是一個重大發(fā)現(xiàn)，但是由美國提供的月球礦物分析儀器發(fā)現(xiàn)的。目前美國不肯和中國合作，主要是從政治上考慮”。

　　而此時，中國自己的空間站計劃正逐步成型，已經(jīng)掌握了載人飛行以及太空行走技術(shù)，很快將會突破交會對接技術(shù)�！拔覀兊倪\載火箭技術(shù)已經(jīng)成熟，飛船技術(shù)也在走向成熟。美國航空航天局的官員會看到這樣一個事實，從他們的發(fā)言中還是能看到他們對中國的態(tài)度在逐漸發(fā)生變化�！泵绹�航空航天局專家詹姆斯·奧伯格(James Oberg)說，中國載人航天的飛速發(fā)展，不僅證明中國高科技水平日趨提高，也將使其獲得與國際空間站完全合作的機會。

　　而合作原因更可能是因為美國面臨的問題。今年7月，美國的航天飛機宣告退役，新的飛船尚未問世。在這個青黃不接的時候，美國只好依靠俄羅斯的“聯(lián)盟號”飛船運送宇航員往返國際空間站。這對俄羅斯來說是一個要價的好時機，最初每人每趟航程價格為2630萬美元，經(jīng)過幾次漲價漲到6300萬美元。為此，美國曾威脅俄羅斯，如果漲價太狠就有可能和中國合作。

　　中國的地位于是變得越來越微妙。2010年9月，俄羅斯航天署前署長阿納托利·佩爾米諾夫在捷克布拉格舉行的國際宇航聯(lián)大會上被新聞媒體提問時表示：“我并不反對中國加入國際空間站計劃，并成為其中的一員。但是鑒于中國目前的經(jīng)濟發(fā)展，以及他們在空間探索領(lǐng)域的遠大抱負，我認為中國可能不會加入國際空間站�！�

　　2020，唯一的“天宮”

　　到了2020年，地球上空很可能只有一座空間站在飛行，那就是尚未命名的中國空間站。

　　今年7月，俄羅斯太空官員宣布，打算在2020年國際空間站的使用期限結(jié)束后，把它沉入大海。隨后，美國航空航天局拿出很多支持的論調(diào)，意圖證明國際空間站的使用壽命很有可能將超過2020年，甚至延長到2028年以后。到那時，國際空間站就30歲了。

　　“我并不看好國際空間站的命運。”焦維新說，“空間站的壽命與建設(shè)材料、設(shè)備質(zhì)量有關(guān)，但最重要的還是維護，維護涉及到投入�！�

　　關(guān)于維護，最好的例子就是“哈勃”太空望遠鏡。自1990年4月24日“哈勃”望遠鏡上天后數(shù)周，研究人員就發(fā)現(xiàn)它傳回來的圖片有嚴重的質(zhì)量問題，查了半天發(fā)現(xiàn)主鏡的形狀被磨錯了，導(dǎo)致不對焦，圖片模糊。為此美國于1993年通過航天飛機對“哈勃”望遠鏡進行了一次維修，給它戴上一副“眼鏡”，糾正了缺陷。2009年5月，美國“阿特蘭蒂斯號”航天飛機上的7名宇航員通過5次太空行走，對“哈勃”望遠鏡進行了最后一次維護，為其更換了大量設(shè)備和輔助儀器，將其壽命延長至2013年后。屆時，“詹姆斯·韋伯”空間望遠鏡將會接替“哈勃”的天文任務(wù)�！肮�勃”一共經(jīng)歷了5次維修，才使得它成為人類歷史上最偉大的太空望遠鏡。

　　國際空間站從1998年開始建設(shè)，到去年建成已經(jīng)過去了12年，在這個過程中有些儀器設(shè)備就已需要維護。焦維新印象比較深的是2004年2月27日，國際空間站的陀螺儀壞了，在站上工作的俄羅斯宇航員卡列里和美國宇航員福阿萊從“碼頭號”對接艙走出空間站進行維修，此時國際空間站唱起了“空城計”。按照規(guī)定，宇航員太空行走的時候，至少要有一名宇航員在站內(nèi)留守。但是在迫不得已的情況下只好違規(guī)，因為陀螺儀失效，就很難保證空間站處于正確姿態(tài)。

　　“如果沒有投資，國際空間站墜毀的命運不可避免�！�2001年3月23日，“和平號”空間站墜毀在太平洋就是無米下鍋最后餓死的例子�！昂推教枴笨臻g站生不逢時，剛滿5歲就遇上蘇聯(lián)解體，雜亂無章的經(jīng)濟改革使俄羅斯陷入困境，不得不大大削減花費高昂又不賺錢的航天開支�！昂推教枴敝坏貌粩嗪屯鈬�宇航界合作，爭取外援維持生存，結(jié)果仍是焦頭爛額，15年間事故頻出，據(jù)說多達1500次，最終在一片嘆息聲中隕落。

　　“如果16個參與國齊心協(xié)力，國際空間站也能維持更長時間。但是目前美國已經(jīng)有人認為，投資浩大建設(shè)空間站是一種戰(zhàn)略錯誤。若抱這種觀點，是不可能把很多時間和精力投入在空間站上的�！苯咕S新說。

　　空間站的命運，更多的和參與國的太空政策聯(lián)系在一起。

　　2010年4月15日，美國總統(tǒng)奧巴馬正式公布了美國的新太空探索計劃，表示美國將放棄小布什之前制定的旨在重返月球的“星座計劃”，將火星作為美國載人航天計劃的目的地。他表示，美國將投資30億美元研發(fā)新型大運載火箭，以便美國宇航員能向近地軌道之外的空間進發(fā)；到2025年，美國能對太陽系進行深入探索；到本世紀30年代中期，美國具有運送宇航員平安往返火星軌道的能力。這個計劃一開始受到外界廣泛批評，太空專家擔(dān)心，此舉將使美國喪失太空探索領(lǐng)先地位并嚴重影響相關(guān)就業(yè)。但是隨著事態(tài)進一步發(fā)展，奧巴馬的太空計劃逐漸明朗起來。今年4月，美國航空航天局公布了一款最新研制的多用途載人飛船，飛船設(shè)計以“獵戶座”航天器的原型為基礎(chǔ)，將作為未來美國宇航員進入外太空的全新運輸系統(tǒng)，可同時攜載4名宇航員前往火星。9月14日，美國航空航天局又宣布了名為“太空發(fā)射系統(tǒng)”的新式重型運載火箭的設(shè)計方案，將用于發(fā)射新的太空艙，到更遠的未知領(lǐng)域去探索太空。

　　“‘太空發(fā)射系統(tǒng)’低地球軌道的運載能力至少在130噸以上，是世界上最大的火箭。飛船的功能更強，可以把宇航員帶到小行星和火星附近。如果這兩方面技術(shù)都很成熟，實際上美國想什么時候登月就什么時候登月，沒必要現(xiàn)在把目標定在重返月球上。美國還要搞太空加油站，在太空搭建一個平臺，給衛(wèi)星或者其他航天器對接提供燃料。如果新計劃都實現(xiàn)了，美國又會把其他國家甩開一段距離，所以美國現(xiàn)在的興趣不在空間站�！苯咕S新說，“但是建造空間站已經(jīng)花了很多錢，美國肯定要維護它。不過，10年后美國究竟對此抱何種態(tài)度，現(xiàn)在還不得而知�！�

　　“至于俄羅斯，鑒于它經(jīng)濟不景氣，不可能對空間站有太大投入。”焦維新用“計劃趕不上變化”來形容俄羅斯的現(xiàn)狀。近年來俄羅斯一直沒有很明晰的太空計劃。2000年它要建造名為“快船”的新一代宇宙飛船，從“聯(lián)盟號”載人飛船的基礎(chǔ)上研制，能重復(fù)使用25次，但是在2006年進入最后的生產(chǎn)階段時被叫停，轉(zhuǎn)而研發(fā)一種多級入軌的新型飛船。2005年，“神州六號”飛船發(fā)射時，焦維新說他曾和俄羅斯航天員連線交流，他問俄羅斯發(fā)展快船的主要目的是什么。俄羅斯航天員說，主要是為了發(fā)展太空旅游，因為它可以重復(fù)使用，可以乘坐6個人，將來也可能能夠探測月球。但是計劃后來被取消了，將以前的“聯(lián)盟TMA”飛船在電子設(shè)備上進行了升級，更換了老舊的計算機，整體質(zhì)量降低了70公斤，建造成“聯(lián)盟TMA-M”飛船，第一艘于2010年10月8日發(fā)射。

　　其間，俄羅斯還提出過載人登月計劃、火星探測計劃，但很快就銷聲匿跡了，沒有一個能持續(xù)很長時間。“俄羅斯的興奮點很多，但都不扎實，主要原因就是差錢，所以它只能保證維持現(xiàn)狀，定期接送航天員，供應(yīng)給養(yǎng)，做好實驗�！�

　　歐空局也沒有辦法挑大梁。國際空間站上有歐空局的“哥倫布”艙，歐空局也有自己的貨運飛船ATV，比“進步號”飛船的運輸量還大，可以給空間站提供設(shè)備和給養(yǎng)。但是歐空局也沒有明確的、能夠穩(wěn)步推進的計劃。2004年歐空局宣布了雄心勃勃的“曙光計劃”，其中包括“火星探險計劃”和“登月計劃”。計劃原定于2011年向火星發(fā)射探測器，采掘半公斤火星巖石樣本送回地球，以進行分析。之后這個計劃被推遲到2013年，隨后又推遲到2018年。焦維新頗為失望地說：“‘曙光計劃’過去這么多年了，沒看到一點曙光�！�

　　“到2020年，很可能我們國家的空間站是世界上唯一的空間站。到時候我們可以開展國際合作，更好地和平開發(fā)、利用太空資源�！睂Υ�，龐之浩非常樂觀�！�

　　(感謝航天科技集團公司提供資料)