今年4月19日，是世界第一座空間站“禮炮一號(hào)”升空50周年紀(jì)念日。10天后，中國空間站“天宮號(hào)”的核心艙也發(fā)射了。
迄今為止，人類已研制出宇宙飛船、航天飛機(jī)和空間站三種載人航天器。宇宙飛船和航天飛機(jī)因運(yùn)行時(shí)間短、容積小，因此主要用于天地往返運(yùn)輸，為空間站接送航天員和貨物；而空間站則具有壽命長、容積大、功能強(qiáng)、載人多等優(yōu)點(diǎn)，是開發(fā)太空資源的理想基地。
中國空間站研制工作由航天科技集團(tuán)五院抓總。航天五院空間站任務(wù)總指揮王翔介紹，作為人類歷史上規(guī)模最大的航天器，空間站是一種在近地軌道長時(shí)間運(yùn)行、可滿足航天員長期在軌生活、工作以及地面航天員尋訪的載人航天器，代表了當(dāng)今航天領(lǐng)域最全面、最復(fù)雜、最先進(jìn)和最綜合的科學(xué)技術(shù)成果。
“中國今年的航天重點(diǎn)就是空間站，基本上大量的錢就砸在上面了?！眹姨煳呐_(tái)行星科學(xué)家鄭永春告訴《中國新聞周刊》。今年和明年，中國將接續(xù)實(shí)施11次載人航天任務(wù)，包括3次空間站艙段、4次貨運(yùn)飛船以及4次載人飛船發(fā)射，于2022年完成空間站在軌建造。
太空之家
“天和”核心艙可支持3名航天員長期在軌駐留，供航天員工作生活的空間約50立方米，支持開展艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，是中國目前研制的最大的航天器。航天五院相關(guān)設(shè)計(jì)師介紹，核心艙的體積非常大，長度比五層樓房還要高，直徑比火車和地鐵的車廂還要寬不少，體積比國際空間站的任何一個(gè)艙位都大。
核心艙是空間站的指揮控制中心。具備交會(huì)對(duì)接、轉(zhuǎn)位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等能力；密封艙內(nèi)配置有工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)以及鍛煉區(qū)，能夠?yàn)楹教靻T工作和生活提供舒適良好的保障條件。
?。▓D/中新視頻截圖）
這里配置了微波爐、冰箱、飲水機(jī)、折疊桌等家居，太空跑臺(tái)、太空自行車、抗阻拉力器等健身器材，以滿足航天員日常鍛煉，艙內(nèi)情景照明可由手機(jī)APP控制。此外，核心艙還配了天地視頻通話設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)與地面的雙向視頻通話；還有可以支持航天員收發(fā)電子郵件的測控通信網(wǎng)和相關(guān)設(shè)備。
航天五院空間站任務(wù)總指揮王翔介紹，此前中國航天員在軌飛行時(shí)間的最高紀(jì)錄是33天，所必需的水和氧氣由航天器直接送入太空。為了航天員可以待得更久，這次空間站設(shè)計(jì)了可再生系統(tǒng)：航天員呼出的水蒸氣會(huì)通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也會(huì)回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用；電解制氧時(shí)產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，將通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣。
核心艙成功發(fā)射后，下一個(gè)執(zhí)行任務(wù)的將是“天舟二號(hào)”貨運(yùn)飛船，之后再發(fā)射載人飛船，“天舟二號(hào)”和核心艙實(shí)行對(duì)接后，載有3名航天員的“神舟十二號(hào)”飛船也將進(jìn)入發(fā)射準(zhǔn)備階段。其中，空間站各艙段將由長征五號(hào)B運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射，貨運(yùn)飛船將由長征七號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射，神舟載人飛船將由長征二號(hào)F火箭在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。
太空科研平臺(tái)
按計(jì)劃，中國空間站將在2022年前后建成，運(yùn)行在高度340至450公里的近地軌道，在軌飛行可達(dá)10年以上。空間站是人類飛往深空的前哨站，人類在太空中的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
中國天宮空間站由三個(gè)部分組成，包括“天和”核心艙、“問天”及“夢(mèng)天”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，整體呈T字型。作為長期有人照料的太空實(shí)驗(yàn)室，這里可以支持開展大規(guī)模、多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，將搭載安裝包括生物學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理、微重力、流體等類別相關(guān)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)施。同時(shí)，將部署10余個(gè)先進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外載荷安裝平臺(tái)以及共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡，提供空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件。
雖然空間站運(yùn)行在低地球軌道上，與地面的距離不過幾百公里，比起地球到月球、火星等天體的距離近很多，但是這里已經(jīng)進(jìn)入了太空，可以獲得微重力環(huán)境，這為許多研究提供了可能性。
微重力環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)液體和氣體由重力導(dǎo)致的自然對(duì)流基本消除、液體中浮力消失、由于物質(zhì)密度不同引起的沉浮和分層現(xiàn)象也消失等現(xiàn)象。地球上一些常見的物理現(xiàn)象就不再適用，在這里，水變成了水珠，可以當(dāng)乒乓球打。因此，微重力環(huán)境可以開展流體物理研究，括界面現(xiàn)象、多相流、復(fù)雜流體等。這一領(lǐng)域的研究對(duì)發(fā)展先進(jìn)的空間流體管理、熱管理等航天技術(shù)有十分重要的作用。
再比如，原子團(tuán)由于重力的消失會(huì)獲得不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，科學(xué)家們可以利用這一變化，在空間實(shí)驗(yàn)室中對(duì)更加準(zhǔn)確的冷原子鐘進(jìn)行試驗(yàn)。原子鐘是北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)的核心元件，高精度的原子鐘未來有望讓衛(wèi)星定位變得更加準(zhǔn)確。
此外，還可以研究微重力條件下的材料制備：空間材料科學(xué)是深入開展材料科學(xué)研究的獨(dú)特途徑，可能獲得地面難以生產(chǎn)的先進(jìn)材料和地面難以精確測量的重要參數(shù)。具體來說，這方面的研究一是排除重力影響下研究材料的制備過程規(guī)律及材料的結(jié)構(gòu)和性能變化，二是空間應(yīng)用材料在高能粒子和紫外輻照、原子氧侵蝕、高低溫交變循環(huán)等空間環(huán)境下的使役行為。
2019年6月，中國載人航天工程辦公室與聯(lián)合國外空司就聯(lián)合對(duì)外公布，來自17個(gè)國家、23個(gè)實(shí)體的9個(gè)項(xiàng)目成功入選中國空間站第一批科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這是中國載人航天工程首次通過聯(lián)合國進(jìn)行的大規(guī)模國際合作。
（圖/中新視頻截圖）
美、俄開始逐漸退出空間站
1961年4月，蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一個(gè)載人航天器——“東方1號(hào)”飛船，把航天員加加林送上了太空。接下來的目標(biāo)是，如何讓人在太空中“待得住”“待得久”。10年之后，蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界第一座空間站“禮炮1號(hào)”。
之后，蘇聯(lián)從1986年開始發(fā)射由多個(gè)艙段組成的“和平號(hào)”空間站，由1個(gè)核心艙和5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，因而大大擴(kuò)展了航天員的活動(dòng)空間，提高了空間站的工作能力。蘇聯(lián)這方面的強(qiáng)勢使得美國也開始轉(zhuǎn)變重點(diǎn)，國家天文臺(tái)行星科學(xué)家鄭永春說，整個(gè)1980年代，美蘇月球與火星探測進(jìn)入低潮，美國的航天重點(diǎn)放在了發(fā)展空間站相關(guān)的東西。
空間探測技術(shù)資深科普作者龐之浩寫道，隨著蘇聯(lián)解體，1993年，美國對(duì)其“自由號(hào)”空間站建造方案進(jìn)行了“大手術(shù)”，其中最主要的措施是吸收俄羅斯為正式合作伙伴，采用了很多蘇聯(lián)空間站的成熟技術(shù)，目的是節(jié)省費(fèi)用、少走彎路、降低風(fēng)險(xiǎn)和縮短時(shí)間，這就是今天國際空間站的前身。
國際空間站以其龐大的規(guī)模、酷炫的外形，已經(jīng)成為當(dāng)代世界航天的標(biāo)志。它是一項(xiàng)國際太空合作計(jì)劃，于1998年由16個(gè)國家歷經(jīng)10年共同建設(shè)完成，建造成本高達(dá)1500億美元。1998年11月20日，由美國出資、俄羅斯制造的第一個(gè)組件“曙光號(hào)”功能艙發(fā)射成功，隨后10多年間，國際空間站從2個(gè)太空艙拓展至15個(gè)太空艙，直到2010年才最終建造完成并轉(zhuǎn)入全面使用階段。
該空間站是迄今世界上耗時(shí)最長、涉及國家最多、規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)的航天工程，主要由美國國家航空航天局、歐洲航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)、加拿大空間局共同運(yùn)營。
4月12日俄羅斯“宇航節(jié)”召開的相關(guān)工作會(huì)議上，俄總統(tǒng)普京做出正式退出空間站項(xiàng)目的決定，并著手計(jì)劃建造自己的空間站。副總理尤里·鮑里索夫在接受媒體采訪時(shí)表示，國際空間站的運(yùn)行年限已滿，它的狀態(tài)已不盡如人意?！白罱P(guān)于技術(shù)故障的消息越來越多。為了避免在緊急情況下的任何風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)空間站進(jìn)行技術(shù)考察。而且我們最終（做出了退出的）決定并就此誠實(shí)地對(duì)伙伴們發(fā)出預(yù)警。”
國際空間站的設(shè)計(jì)壽命最初只有15年，但在2015年，美國和俄羅斯的航天部門達(dá)成一致意見并簽署協(xié)議，同意國際空間站的使用壽命由2020年延長至2024年。如今已是國際空間站工作的第23個(gè)年頭，超長的服役期使得空間站的設(shè)備性能嚴(yán)重老化，每年高達(dá)50億美元的維護(hù)成本，依舊無法修補(bǔ)超長服役期帶來的損傷。
與此同時(shí)，鄭永春說，空間站、載人航天這一塊，現(xiàn)在美國慢慢在退出來，將重心轉(zhuǎn)向火星探測、重返月球等等，“美國國家航空航天局（NASA）就想把投到這方面的錢省出來，交給商業(yè)公司去做，因?yàn)橛X得這部分工程已經(jīng)成熟了?！?br/>
在過去20來年里，美國在國際空間站上的投入已超過1000億美元，如此巨大的開支對(duì)于NASA來說壓力不小。每年為了運(yùn)維空間站，美國都需耗費(fèi)約40億美元，而NASA整個(gè)財(cái)年的預(yù)算大約在170至180億美元。
2018年，特朗普政府開始將國際空間站逐漸私有化，交由私營企業(yè)經(jīng)營，計(jì)劃從2025年開始，美國聯(lián)邦政府將停止向國際空間站提供任何資金。美國在2019財(cái)年投入1.5億美元的財(cái)政預(yù)算，培養(yǎng)航空領(lǐng)域的商業(yè)實(shí)體進(jìn)一步發(fā)展、成熟，以確保商業(yè)領(lǐng)域的接替者，屆時(shí)有能力接管空間站。
太空中唯一的空間站
2024年國際空間站退役之后，在一段時(shí)間內(nèi)，中國的地球空間站可能將是太空中唯一的空間站。龐之浩指出，載人航天是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高技術(shù)的系統(tǒng)工程，至今只有俄羅斯、美國和中國三個(gè)國家獨(dú)立掌握載人航天技術(shù)。
空間站工程是中國載人航天工程“三步走”的第三步。1992年，中國載人航天工程正式啟動(dòng)，第一步是研制載人飛船階段，實(shí)現(xiàn)航天員天地往返等目標(biāo)，第二步是空間實(shí)驗(yàn)室階段，掌握出艙、交會(huì)對(duì)接技術(shù)，驗(yàn)證推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，完成運(yùn)送貨物補(bǔ)給等任務(wù)。從2003年神舟五號(hào)首次將中國航天員送入太空至今，在前兩步中，中國成功研制和發(fā)射了6艘“神舟”載人飛船、2座“天宮”空間實(shí)驗(yàn)室和1艘“天舟”貨運(yùn)飛船，已把11名航天員送上了太空。
這些都為第三步——空間站建設(shè)打下了基礎(chǔ)。其中，空間站任務(wù)又分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、組裝建造和運(yùn)營三個(gè)階段，目前正處于第一個(gè)階段：通過發(fā)射天和核心艙和2艘載人飛船、2艘貨運(yùn)飛船，驗(yàn)證柔性太陽電池翼和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、空間站推進(jìn)劑等技術(shù)。
盡管歷史悠久，空間站未來依然大有可為。目前，美國正聯(lián)合一些國家合作研制月球空間站——“深空門戶”，預(yù)計(jì)2024年以后投入使用。月球空間站既可成為前往月面、小行星甚至火星的載人飛船的出發(fā)平臺(tái)，又能作為月球車的中繼通信平臺(tái)，還是前往維修日地L2軌道上的空間望遠(yuǎn)鏡的中轉(zhuǎn)站。
“照我說，不如把中國的空間站建到月球（軌道上）去，這樣載人登月就不用像‘阿波羅’（計(jì)劃），那樣太困難了?！苯衲?月13日，中國科學(xué)院院士、中國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)在一次報(bào)告中說道，自己曾建議中國跳過地球空間站建設(shè)，直接建設(shè)月球空間站，更利于未來的載人登月計(jì)劃。
歐陽自遠(yuǎn)認(rèn)為，從蘇聯(lián)空間站到國際空間站，已經(jīng)有幾十年歷史了，中國再建造地球空間站意義不大，“人家?guī)资昊旧鲜裁粗匾氖虑槎甲隽?。”不過，著眼當(dāng)下，“天和”核心艙的發(fā)射，正式拉開了中國空間站建設(shè)的序幕，也是中國載人航天史上的一個(gè)重要里程碑。
