速度22馬赫!百噸級空間站曾被燒成火球,天宮迎來鳳凰涅槃時刻

2020-11-26 騰訊網

十八年前的昨天(3月23日),一座質量接近130噸的大型空間站「和平號」以約22馬赫速度高速再入大氣層,當它劃破天際的一剎那大部分身軀都被高速再入產生的高溫燒成火球,最終僅有少量零件散落在南太平洋冰冷的海水中。

和平號隕落也預示著一個超級大國的隕落,而那一年我國神舟二號無人飛船的發射升空則宣示著另一個超級大國的興起。

目前我國新一代載人飛船試驗船正在海南文昌航天發射場進行全面測試,再有一個月時間它將由長徵五號乙運載火箭發射升空,未來它將主要用於載人登月任務,同時新一代載人飛船也將開發近地軌道版本用於天宮空間站航天員天地往返任務。

新一代載人飛船試驗船首飛不僅僅是載人登月任務的發令槍,更開啟了天宮空間站工程的建設大幕。

執飛新一代載人飛船試驗船的長徵五號乙遙一火箭是天宮空間站12次發射計劃的首次發射,旨在驗證長徵五號乙運載火箭工況可靠性。與首飛任務同步進行的還有天宮空間站初樣核心艙與長徵五號乙遙一的合練任務,待長徵五號乙遙一飛行任務完成後,天和號核心艙將轉入正式發射準備周期,預計於明年年初發射入軌,正式進入天宮空間站在軌組裝建造階段。

談到天宮空間站就不得不提到十八年前隕落南太平洋的和平號空間站,兩者有著一定程度的外在相似性,但內在卻早已是大不相同。

和平號空間站是人類開啟大規模空間基礎設施建設的鼻祖,也是蘇聯載人航天技術的集大成者。

航天技術的發展與軍事任務歷來有著緊密聯繫,例如,發射東方1號載人飛船的東方號火箭就是R-7彈道飛彈衍生產品,起初蘇聯研製載人空間站也是為了服務軍事偵察任務。

蘇聯前後共發射了8座空間站,乍一看上去這個數量真是夠多的,然而這只是因為航天探索早期階段技術發展不成熟,需要大量單一且原始的試驗,其中還伴隨著失敗。

蘇聯發射的8座空間站中有7座都是禮炮系列空間站,1971年發射的禮炮1號是人類第一座空間站,那一年美國連續發射了阿波羅14號與15號共兩艘登月飛船。

禮炮1號發射質量達到了18.425噸,是8噸級天宮一號目標飛行器的兩倍有餘,然而一個「大」字並不能解決所有問題。雖然擁有充裕的太空人活動空間,但首次對接禮炮1號空間站的聯盟10號飛船花了整整5個小時也沒能與禮炮一號對接成功,與之相反8噸級天宮一號目標飛行器卻連續與神舟8、9、10號共三艘飛船對接成功,即突破了有人受控對接,也掌握了無人自動交會對接技術。

第二艘對接禮炮1號飛船的是聯盟11號飛船,這一次他們成功了,3名太空人進入禮炮一號後生活了23天,創造了人類在軌新紀錄。但是聯盟11號飛船再入返回時卻由於均壓均衡閥提前開啟導致返回艙失壓,3名太空人因此身亡。

禮炮1號在功能單一情況下還造得那麼大,主要是因為軌道高度只有200多公裡,軌道飛行阻力更大,因此需要數噸燃料進行軌道維持。在經過5個多月飛行後禮炮1號燃料耗盡,最終再入大氣層燒毀,與之對比天宮一號目標飛行器則在軌服役了四年多時間

禮炮2號與3號是在禮炮1號掌握在軌交會對接技術基礎上研製的兩座軍用空間站,18噸級的禮炮2號僅在軌13天就被遺棄,在軌不到兩個月再入大氣層燒毀,原因是被火箭第三級碎片擊中。禮炮3號也是命運坎坷,連續與聯盟14號與15號兩艘飛船對接,但最終只有一名太空人進入空間站,在軌半年後再入大氣層燒毀。

也就是說,蘇聯在發射禮炮1號、2號、3號共三座18噸級空間站之後也沒能掌握我國8噸級天宮一號目標飛行器的交會對接技術。

直到禮炮4號空間站發射之後蘇聯才全面掌握了有人與無人交會對接,以及在軌燃料補加技術,不過在軌科研任務能力以及在軌壽命仍然沒能超越8噸級的天宮二號空間實驗室。

從禮炮1號到禮炮5號都屬於第一代空間站,它們的特徵是只有一個單體艙室,同時只有一個對接口,無法完成太空人無縫輪換任務,也無法同時對接有人飛船與無人貨運飛船,因此無法實現空間站長期有人照料這一工程目標。

禮炮6號與禮炮7號則是雙對接口空間站,解決了有人駐紮的同時進行空間站物資補給問題,為最終建成和平號多艙式空間站奠定了技術基礎。

載人空間站大體可以分為單體空間站、積木式空間站、桁架式空間站三大類別,禮炮系列空間站皆為單體空間站,國際空間站則屬於積木式與桁架式的結合體,而和平號則是純粹的積木式空間站。

和平號空間站主體由核心艙、量子1號、量子2號、光譜號、自然號、晶體號組成,在軌組合質量約130噸,在軌運行時間長達15年。壽命後期美國也加入進來,發起過「太空梭-和平號空間站計劃」,連續發射11架次太空梭與和平號空間站對接,美國藉此機會積累了空間站建站與運營技術,為國際空間站項目啟動創造了條件。

積木式空間站的一大弊端就是太陽能電池翼相互遮擋導致供電不足,沒有充沛的電能也就無法進行大規模在軌科學實驗,嚴重製約了空間站在軌效能。除此之外,積木式空間站複雜的艙室布局也給飛船交會對接埋下了擦碰隱患,1997年一艘進步號貨運飛船與光譜艙就發生了碰撞事故。

話分兩頭,天宮空間站作為我國單獨承建的空間站,在過去財政並不寬裕的背景下「量力而行」是經常被提及的詞彙。

早期天宮就如同禮炮七號一樣,是一座單體兩對接口空間站,一個核心艙就是空間站主體結構的全部,是典型的小戶型蝸居版本。這種空間站可以有效積累長期載人航天飛行的技術與經驗,但與載人航天工程立項之初定下的「載人為建站,建站為應用」的戰略目標卻是背道而馳,20噸級空間站在軌實驗效能往往比較低下。

伴隨著經濟發展駛入快車道,天宮空間站也有了更為遠大的目標,20噸級空間站方案被廢棄,60噸級空間站上馬。這是一座與和平號相當類似的純積木式空間站,由核心艙、實驗艙Ⅰ、實驗艙Ⅱ構成空間站主體,其中實驗艙Ⅱ配置有大口徑天文觀測望遠鏡。雖然規模對此前方案大了很多,但是積木式空間站的電池翼遮擋以及飛船對接空間狹小的兩大弊端也是完全繼承了下來。

人們有時候會問,為什麼不能上馬類似國際空間站那樣的?首先我們的財力即便再怎麼充沛也沒有充沛到可以肆意揮霍的地步,還有一個事實要搞清楚,那就是人類迄今為止並沒有純粹的桁架式空間站,所謂的國際空間站也是積木式與桁架式的結合體。

國際空間站的桁架式結構主要功能只有一個,就是安放大型電池翼,解決電池翼相互遮擋難題,其主體結構仍然是積木式。

人不把自己逼一下就不知道自己的潛力究竟有多大,天宮空間站也是如此。現如今我們正在建造的天宮早已不是當年勒緊褲腰帶要搞的蝸居,而是真正具有世界領先水平的大國重器。

新一代天宮空間站也摒棄了純粹的積木式結構布局,問天號與夢天號實驗艙兩端新設計了桁架式結構,這裡將配置兩部單個展開面積達100平米的大型柔性砷化鎵太陽能電池翼,在集中供電設計框架下,發供電能力不僅大幅度超越了和平號空間站,也全面超越了現如今正在軌道上運行的「國際空間站」。

這一切完全歸功於兩座實驗艙上的小型桁架,與之對比國際空間站的桁架則是通過數次額外發射才完成在軌對接,天宮空間站的桁架不需要額外安排發射,可以伴隨實驗艙一同上天,可謂是四兩撥千斤

完成終極進化的天宮空間站還解放了實驗艙Ⅱ的寶貴空間,將大口徑巡天光學望遠鏡獨立出去,成為一座與天宮空間站共軌運行的光學艙,在需要在軌維修時可以與天宮對接。與此同時,百噸級天宮空間站實驗機櫃數量也與400噸級國際空間站旗鼓相當,再加上充沛的電能,可以說這是一座能力過剩的天基基礎設施,它的意義早已超出國界。

憑藉這樣一座具有劃時代意義的空間站,可以在九天之上拉起一個完全由我們主導的太空朋友圈。

十八年前和平號空間站在太空見證了超級大國的隕落,如今天宮空間站則將在太空見證另一個超級大國的升騰。歷史讓人敬畏,歷史也催人奮進!

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