“天宫二号”开启空间站时代大门

　　空间站代表了人类的最高科技和现代文明水平。中国航天人已经站在太空空间站时代的大门口。继2011年9月29日发射“天宫一号”目标飞行器之后，我国将于今年9月中旬发射“天宫二号”空间实验室。“天宫二号”升空后将分别与今年10月中旬发射的“神舟十一号”载人飞船、2017年4月中旬升空的新研制的“天舟一号”货运飞船先后进行交会对接，为在2020年前后完成中国空间站的建造工作提供技术借鉴。空间实验室任务完成之后，我国将真正迈入空间站时代的大门。

　　早在1992年，我国就确立了以建设空间站为目标的载人航天计划，并将其划分为三个步骤。第一步是载人飞船阶段，这一任务早已完成。第二步是空间实验室阶段，目标是突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。这一阶段重点是要解决航天器在近地轨道上的交会对接、组装、补给以及循环利用等四大技术。这些技术关系到空间站的组装、航天员在空间站上的生存等关键问题。“天宫一号”就是为了解决交会对接难题而发射的一个目标飞行器，它处于我国航天“三步走”战略第二步的第二阶段。

　　“天宫一号”的空间交会对接技术成熟后，发射“天宫二号”，建成我国正式的空间实验室就被提上了议事日程，它担负着为此后全面建设中国空间站进行多项技术验证的重任。

　　“天宫二号”是在“天宫一号”平台基础上研制的，重量、外形与“天宫一号”相似，但是载荷会发生很大变化，在应用上有很多不同功能，将开展多项技术试验。“天宫二号”的形状——可能重达8.5吨，全长10.4米，最大直径3.35米，结构可分为前部的实验舱和后部的资源舱。“天宫一号”的在轨寿命虽然设计为2年，但是在距离地球343千米的高度上已经工作了近5年时间，乃系我国最长寿的近地轨道飞行器。这就意味着，当“天宫二号”发射后，它将会和前辈“天宫一号”一起在轨飞行，完成更多的空间科学实验任务。

　　至此，所有前期工作都完成了。到2020年前后的第三步任务，就是建立永久性的空间实验室，建成中国自己的空间工程系统。

 任务新  亮点多

　　按照计划，“天宫二号”空间实验室和搭载有2名男性航天员的“神舟十一号”飞船将先后从酒泉卫星发射中心起飞，使用的都是长征二号F运载火箭。已经完成研制工作的第一艘货运飞船“天舟一号”，将启用新研制的“长征七号”运载火箭从海南文昌发射场发射升空。

　　 “天宫二号”与“神舟十一号”载人飞船对接之后，2名航天员将完成长达30天的在轨驻留，而此前我国航天员在轨驻留的最长时间纪录是在“神舟十号”上创造的15天。在轨驻留时间的加倍，考验着一套可以长期稳定运行的，能够维护航天员生命健康的设备。此次“天宫二号”上搭载的环境控制与物理化学式再生环控生保技术、受控生态生保技术实验保障系统，将对航天员提供30天的保障。

　　之前“天宫一号”在距地面343千米的轨道上运行时，对星下同一地点的重访周期为2天；而“天宫二号”轨道距地面近400千米，重访周期约为3天，这一高度与未来的中国空间站运行轨道基本相同，其轨道控制与任务组织模式也将更加接近于未来的中国空间站。之前完成轨道确定工作至少在一圈半到两圈以上，此次任务则要求在一圈之内完成，短弧段定轨对北京航天飞行控制中心提出了更高要求。

　　“天宫二号”任务中将先后对接“神舟十一号”载人飞船和“天舟一号”货运飞船，尤其是首次对接我国自主研发的第一艘货运飞船，这是此次任务最大的亮点。“天宫二号”与“天舟一号”货运飞船对接后，要通过自动系统对实验室进行推进剂补加。这个主要是验证货物运输和推进剂在轨补加等空间站建造与运营的关键技术。在今后的空间站建造和运营中，货运飞船将担负重要的任务。

　　从外形上看，“天舟一号”货运飞船与“天宫一号”较为相似，但在功能上却有很大不同。“天舟一号”由处于前部的货物舱和后部的推进舱构成。它的发射质量为13吨左右，上行货物运输重量大于6.5吨，下行运力为6吨左右。下行货物就是把空间实验室货物，尤其是未来的空间站在长期运营过程中产生的垃圾携带返回，最终在大气层中销毁。

　　我国在研制“天舟一号”货运飞船的过程中，分别以俄罗斯的“进步号”货运飞船和欧洲空间局的自动货运飞船为目标，有效解决了它们在研制过程中的问题，其性能较之前两者更为优越。此次“天宫二号”的任务之一就是要把货运飞船纳入运营体系中，通过自动系统对实验室进行推进剂补加。此前无人及载人飞船与“天宫一号”的对接机构主要是电路连接，这次为了补加燃料，还将增加液路连接。推进剂补加过程控制步骤多，流程杂，需要多天完成，若出现应急情况还要进行在轨处置，需要地面飞控系统进行复杂的操作。

新征程  新使命

　　 “天宫二号”堪称中国载人航天工程里最忙碌的空间实验室。它要进行14项空间科学和应用实验任务，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等9大领域。其中，有2项需要航天员直接参与操作，1项是国际合作联合研究的项目。为此，这次任务搭载的有效载荷达51台，其中新研制的就有42台，自主研发核心部件20余个，攻克核心技术30余项。同时，“天宫二号”还计划在太空开展科普实验活动，是我国开展载人航天工程以来，应用项目最多的一次。

　　此外，“天宫二号”任务还安排了天地量子密钥传输试验、激光通信试验等，这些项目大多处在当前世界最前沿的空间科学探索领域。“天宫二号”将搭载全球第一台空间冷原子钟，它充分利用了太空微重力条件，稳定度高达10-16。超高精度的原子钟是卫星导航等领域的关键核心技术，这一技术可以将我国航天器自主守时精度提高两个数量级，大幅提高导航和定位精度。同“天宫二号”一起升空的伴飞小卫星，还将对交会对接全过程进行近距离成像观测。

　　同时，“天宫二号”还将携带三维成像微波高度计，能够在一个宽幅的三维海平面测量中，得到精度优于5厘米的测量结果，可以精确测量出海浪的高低值。此外，在“天宫二号”空间实验室还将开展材料制备实验，研究纳米复合光学材料、高性能热电转换材料、高性能合金材料等新型材料。这些实验不仅具有很高的科学价值，而且还有可能在未来对我国的航天技术带来新的推动力。

　　天宫，是中华民族的优美神话和美好想象。在不久的将来，地球轨道上又将多一个人造天宫。太空从此有了中国人的欢笑，“天街”也热闹起来……

更多详情请见《科学24小时》2016年第９期