第七期:構築「天宮」_網易探索

前蘇聯-俄羅斯的和平號太空站在地球軌道上空工作，與月球成為兩顆地球衛星。

空間站是人類為了長期停留太空進行科學研究而製造的太空飛行器，目前人類已經發射了11個空間站，在軌運行的僅有多國合作的「國際空間」。中國在2011年即將發射「天宮」1號目標飛行器，與神州系列飛船進行對接實驗，形成中國未來空間站的雛形。

中國的載人航天計劃起步較晚，目前尚未擁有自己的空間站，也沒有參加「國際空間站」的合作，不過，中國已經啟動了自己的空間站計劃，即將在2011年發射「天宮1號」目標飛行器，與之後的神舟系列飛船對接，形成一個小型的實驗空間站，作為在建設空間站方向上邁出的第一步，這樣有可能使中國繼載人航天之後，成為世界上擁有過獨立的空間站的第三個國家。

中國「天宮一號」：試驗太空對接

2005年國務院新聞辦公室發布了《2006年中國的航天》白皮書，其中有一段表述值得注意：「載人航天實現航天員出艙活動，進行太空飛行器交會對接試驗；開展具有一定應用規模的短期有人照料、長期在軌自主飛行的空間實驗室的研製，開展載人航天工程的後續工作。」

「航天員出艙活動」已經通過2008年9月的「神舟」七號任務完成。而文中提及「太空飛行器交會對接試驗」和「空間實驗室」等任務，將由「天宮」系列空間實驗室和神舟飛船共同完成，明年即將發射的「天宮」1號就是這個系列的第一個目標飛行器，目的是目的是作為其他飛行器的接合點，與其後發射的神舟八號、神舟九號和神舟十號飛船對接，成為中國首個小型空間站及首個空間實驗室。

CCTV公布「天宮一號」空間實驗室實體（應該僅是試驗艙部分）

天宮1號 目標飛行器。

「天宮一號」是空間實驗室的核心艙，它的重量與「神舟」七號相近，都是8噸左右。「天宮一號」的外形為短粗的圓柱型，直徑比神舟飛船更大，可以與載人飛船或貨運飛船進行交會對接。因為重量和外形都與神舟系列飛船相差不大，因此「天宮一號」可以用「長徵2F」火箭的改進型號發射升空。

「天宮一號」採用兩艙構型，由實驗艙和設備艙組成。實驗艙為圓柱形。根據國外空間站情況推斷，實驗艙內部會有許多設備櫃以安放空間實驗設備。在實驗艙前端的前錐段安裝有對接機構，還有交會對接測量設備與通信設備，用於實現與飛船交會對接。設備艙為空間實驗室的軌道機動提供動力，並通過兩側的太陽能電池板為空間實驗室提供電力。

「天宮」一號目標飛行器(左)與「神舟8號」(右)對接的想像圖。

「天宮一號」將於2011年發射，使用壽命為兩年，之後兩年內，中國將相繼發射不載人與載人的神舟八號、神舟九號和神舟十號飛船，分別與「天宮一號」完成空間交會對接。神舟十號飛船完成交會對接以後，如果「天宮一號」的壽命到期，將繼續發射「天宮二號」目標飛行器，作為後繼的空間實驗室核心艙。

「天宮」系列，從目前能夠得到的公開資料看，有1號、2號、3號三個目標飛行器，其中1號在明年發射，2、3號在2015年之前順序發射，這樣到2015年的天空，有可能有兩個或三個中國的「天宮」空間實驗室在運行，「天宮」系列空間實驗室不僅只具有實驗意義，同時，它的留空時間長、微重力環境等的特點，使它能為我國載人航天工程提供重要的技術試驗平臺，展開一系列的科研活動，主要包括：地球觀測、空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術、航天醫學 以及其他領域的應用和試驗。

這些科研活動所取能取得的成果目前還無法判斷，不過參考國外的例子，前蘇聯的「和平號」空間站在研製過程中就發明了600多項可用於其他工業領域的新工藝，而它運行的15年間，其上共進行了一萬六千多次科學實驗，完成了23項國際科學考察計劃。可謂碩果纍纍。所以我們有理由相信，假以時日，「天宮」也能取得令世人矚目的成就。

為了完成「天宮」計劃，我國的航天科技需要實現如下的幾個突破：交會對接技術，解決飛船在空間實驗室上「停泊」以及二者分離的問題；補加技術，解決空間實驗室的物質、能量補充問題。要研製不同於目前載人神舟飛船的無人貨運飛船；生命保障技術，未來航天員在空間實驗室中生活工作是「多人多天」的，其軌道停留時間長度超過以往的神舟任務。必須解決長時間太空停留問題。這對於空氣、水、電力、溫度控制等提出了更高的要求。

未來，在「天宮」系列實驗空間站的基礎上，中國可能會發展規模更大的空間站，有專家稱，在長徵-5號大推力火箭研製成功後，中國預計到2020年將建成重達60噸的空間站，將由三個太空艙組成，該空間站的計劃細節目前不得而知，但可以肯定的是，在「天宮」上進行的各種工程試驗、開發的各項技術都將運用在這個技術更先進、規模更龐大、結構更複雜的中國空間站上。

單模塊空間站：空間站的先驅

從歷史上看，前蘇聯是地球上發射空間站最早和最多的國家，由於登月計劃受挫，蘇聯將精力集中在了發展空間站等其他航天目標上，之後美國也開始發展空間站，繼而發展到由多國參加的「國際空間站」。

截至目前，人類已發射了11個空間站。其中蘇聯發射8座，美國發射2座，歐洲經美國太空梭搭載發射1座。根據這些空間站的結構特點和技術水平，可它們分為三代：單模塊空間站、積木式空間站，以及桁架掛艙式空間站。

俄羅斯「禮炮」4號空間站。

俄羅斯「禮炮」7號空間站有兩個對接口，可同時與兩艘飛船對接。

第一代單模塊空間站主要包括蘇聯1971年至1982年發射的「禮炮」1-7號空間站以及美國1973年發射的「天空實驗室」。它們的共同特點是由火箭一次發射入軌即可運行的空間站（如果不算與之對接的載人與貨運飛船）。受到內部空間的限制，這種空間站一般不長期有人值守，而是短期有人照料。因為禮炮6號和禮炮7號空間站相對大些，也有學者將其歸為第二代空間站。它們各有兩個對接口，可同時與兩艘飛船對接，蘇聯航天員在站上先後創造過210天和237天的太空生活記錄。但我們可以看到，這兩個空間站與後來的「和平號」相比還是顯得結構簡單、任務單一、擴展性差，另外禮炮系列的可靠性不是很好，禮炮1號成員組在返航時遇難，禮炮2號則發生故障未能載人。

美國1973年發射的「天空實驗室」。

美國的「天空實驗室」於1973年發射，是人類迄今向近地軌道發射的人造天體中重量和容量最大而又最複雜的一個。航天員由「阿波羅」飛船接送，分3批共9人，在站分別工作了28天、59天和84天，進行了270多項研究實驗，拍攝了18萬張太陽活動的照片、4萬多張地面照片，還進行了長期失重人體生理學試驗和失重下材料加工的試驗。1979年7月11日進入大氣層燒毀。

歐洲空間局於1983年發射的「空間實驗室」也應屬於第一代空間站，它隨太空梭發射升空，設計使用壽命為10年，可重複使用100次，可乘坐4名太空人。其上可以進行特殊材料加工、晶體生長、流體力學、生命科學、大氣物理和天文方面的許多實驗並獲得了滿意的結果。

和平號空間站：服役15年接待135名太空人

和平號是蘇聯/俄羅斯的第3代空間站，亦為世界上第一個長久性空間站。

太空人在和平號太空站裡工作。

第二代空間站是「積木式」，「和平號」就是積木式空間站的代表。首個模塊於1986年2月19日發射升空，其後至1996年的十年時間之中，其他多個模塊相繼升空。它首次發射的核心艙重20噸，後來通過多次發射與交會對接，多個功能性艙段分別與核心艙對接，成長為重120噸的大型空間站。和平號可以通過位於核心艙前端的節點艙（帶有5個艙口）與多個艙段甚至太空梭對接。和平號的每個艙段都具有獨立運行的能力，仿佛火車中的「動車」車廂，自帶姿態控制、電源、交會對接等設備。其好處是一個艙段出現故障不至於殃及其餘。壞處是設備複雜，冗餘度太高。人類連續在和平號上生存了4592個地球日，曾經接待過多國的太空人。值得一提的是和平號太空梭計劃，在此期間美國的太空梭共拜訪空間站11次，帶來補給以及乘員替換。

在和平號空間站服務的15年裡，先後有28個長期考察組和16個短期考察組在空間站從事考察活動，共有俄羅斯、美國、英國、法國、德國、日本、敘利亞、保加利亞、阿富汗、奧地利、加拿大、斯洛伐克12個國家的135名太空人在空間站上工作。這些太空人共進行了1.65萬次科學實驗，完成了23項國際科學考察計劃。

國際空間站：六國聯合開發，仍在建造中

國際空間站在地球軌道上空工作，太陽能板全部打開時的形態。

太空人在國際空間站上工作，圖左為紐西蘭。

第三代空間站是「桁架掛艙式」。 這一類型空間站的代表是目前仍未完成的國際空間站，它是一個正在低地球軌道建造的國際研究設施，計劃由六個國際太空機構合作聯合推進，這六個機構分別是：美國國家航空航天局（NASA）、俄羅斯聯邦航天局、日本宇宙航空研究開發機構、加拿大航天局、巴西航天局、歐洲空間局。此外，中國也表達了參與該計劃的意向。

國際空間站模塊結構示意圖。

國際空間站的「龍骨」是一根長達108米的主桁架，多個功能艙段與太陽能電池板掛在這根主桁架和非承重桁架上。它可以同時與太空梭、聯盟號載人飛船、進步號貨運飛船、凡爾納號貨運飛船等太空飛行器進行對接。在建造工作完成後，國際空間站將會有1200立方米的內部空間，總重量419噸，艙體長度74米，額定乘員7人。

國際空間站的主要功能是作為在微重力環境下的研究實驗室，研究領域包括生物學、人類生物學、物理學、天文學、地理學等。迄今為止登上國際空間站執行任務的太空人均來自美國和俄羅斯的宇航計劃，此外也有來自其他國家的太空人到訪國際空間站，其中還包括五名太空遊客。

國際空間站由於廣泛的國際合作，給很多新興的航天國家創造了參與空間站建設的機會，例如日本為國際空間站提供了「希望號」實驗艙，日本女太空人搭乘太空梭進入過國際空間站，日本獨立開發的HTV無人飛船在2009年為國際空間站輸送過物資等。另外印度和韓國也表示了希望加入國際空間站合作的意願，印度太空研究組織（ISRO）主席奈爾表示，希望加入國際空間站，並表示印度將幫助國際空間站進行乘員運輸。

未來的空間站：科幻電影成真？

在科幻影視裡的輪形空間站，可通過旋轉，產生人工模擬重力。

未來空間站技術的發展趨勢是大型化、易維護、自供給（空氣、水、食物）、更舒適。

大型化是多人多天太空工作生活的必然要求。未來空間站不但是空間科學的研究基地，也將成為是深空探測器的出發點。這都要求它具有比現在更大的規模。

維護性一直是困擾「和平號」與國際空間站太空人的難題，處理設備故障不但佔用太空人大量時間，也對他們的生命構成威脅。如果未來空間站達到易維護甚至免維護的水平，不但空間站壽命大大延長，太空人也會有更多時間用於有價值的工作。

目前國際空間站的食物全靠地面供應，部分水可以靠循環獲得，電力依靠太陽能電池板轉化。已經展開在空間站上生產食物的研究。如果取得突破性進展，將大大減輕天地運輸的壓力，未來的載人深空探測也可以運用這種食物生產系統。建設自維繫生物圈將是自供給空間站的終極解決方案。

除了擴大內部空間，模擬重力是使空間站變得更舒適的另一重要途徑。設計中的輪形空間站通過繞軸心自轉在輪內壁產生模擬重力的感覺。在其中生活的太空人也少了骨質疏鬆、肌肉萎縮的困擾。普通人也可以在其中過長時間的太空生活。

在實際的新空間站計劃方面，除了中國的「天宮」計劃，歐洲空間局聯合了11國集中人力物力，攜手研製建設「哥倫布」號空間站和「赫爾梅斯」號太空梭。「哥倫布」號空間站由4個模塊組成，用於進行空間科學實驗，「赫爾梅斯」號小型太空梭往返穿梭於地球與航天站之間，進行人員和貨物的運輸。

結語

總的來說，中國即將發射的「天宮一號」從結構上講屬於第一代空間站的範疇，與前蘇聯的禮炮號類似。由於具有實驗的性質，所以僅有1個對接口，容積有限，計劃使用壽命很短。但是由於時代的進步，「天宮一號」使用的電子設備、測控技術、環境控制等又比第一代空間站先進許多。如果「天宮」系列能夠順利的實現發射和與神舟飛船的對接的話，中國即將成為世界上第三個獨立發射組裝空間站的國家。

綜合實力：★★★　（文/趙洋）