打造天宫

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  2008年9月25日,全世界的目光再一次聚焦在大漠深处的酒泉卫星发射中心,17点35分,“神舟”七号承载着无数中国人的梦想飞向太空,在此次“神舟”飞船在轨过程中,航天员翟志刚还顺利完成了19分35秒的出舱活动。
  茫茫太空第一次留下了中国人的足迹,第一次飘起了鲜艳的五星红旗。这是一次开创中国航天新纪元的漫步,也是中国人和平利用太空的一大步,中国随之成为世界上第三个掌握空间出舱活动技术的国家。
  中国航天人并没有停止对茫茫宇宙探索的步伐,一名叫做“天宫”一号的太空新成员又要展开新的征程。“天宫”一号是我国第一个在低轨道上运行的长寿命、高可靠的载人航天器,它是一个空间实验室的雏形。能够在轨允许航天员短期驻留,并在其中进行一定规模的科学实验,就是“天宫”一号的性能特点。
  在中国的航天员成功实现出舱活动后,我们国家制定的载人航天“三步走”发展战略中的第二步已经完成第一阶段的任务,接下来就是要突破载人航天飞船和空间飞行器的交会对接技术,并研制发射短期有人照料的空间实验室。按照计划,我国将首先发射一个空间目标飞行器,之后发射飞船与之对接,“天宫”一号就是那个被称作空间实验室雏形的空间目标飞行器。
  20世纪70年代,随着航天技术的发展,在掌握进入太空的能力后人类开始不满足于短暂太空旅行,希望能够长期生活和工作在太空里,但是到底什么样的房子可以建在太空里方便人类居住呢?一个全新的概念出现了,那便是空间站,1971年4月19日,前苏联成功发射了世界上第一个宇宙空间站“礼炮1号”,1973年美国发射了77吨重的“天空实验室”。
  在空间站发展的最初,都是以寿命只有几年的空间实验室为主。1986年2月20日,前苏联把第一个长久性空间站“和平号”送上了天,从此人类进入到了航天发展的新阶段。到目前为止,全世界已发射了9个空间站,今天还在太空中服役的就是由美俄等国家共同使用的国际空间站。
  按照我国载人航天“三步走”的计划,我们国家将会在2020年前后建成自己的空间站,让中国的航天员可以长期在太空驻留,而想要实现这个目标却有着诸多的挑战。
  建立空间站必须要解决一些关键技术问题和一些功能性的问题。如果能够掌握出舱活动、交会对接、补加技术和再生式生命保证这几项关键技术,再加上一个大运载火箭,就可以说中国具备了建立空间站的能力。为了解决面临的技术难题,中国的航天人决定先建立空间实验室,而“天宫”一号就是空间实验室的前身,航天科技工作者已经为此工作了整整10年。
  中国的航天人之所以给这个太空新成员起名“天宫”也有着更深的含义。这是希望将来我们能够建立的空间站,在天上的作用相当于神话里的宫殿一样。但作为一个在空中长期运行的飞行器,科研人员最先考虑的还是这座房子如何才能适应太空的环境。
  从国外的哥伦布舱、和平空间站到现在的空间站,其主结构的形状都是细长的。因为通过科学计算,可以发现这种形状空间最大。细长体的外形和以前的“神舟”飞船似乎非常相像,但内部却大不相同,这是因为“天宫”一号不需要再返回地面,在2年内完成3次对接结束任务后,“天宫”一号就会自动坠毁,魂归大海,因此“天宫”一号并没有返回舱。
  “天宫”一号总重量8,5吨左右,总长度10米左右,基本由2个舱段组成。第一个舱段叫做实验舱,实验舱是一个密封舱,航天员可以在里面工作、生活和开展科学实验;另外一个舱叫资源舱,资源舱是个非密封舱,它是给“天宫”一号提供能源、动力,也就是发动机所需要的燃料、储物箱和发动机等这些动力的一个动力舱,它是不载人的。
  尽管结构不同,但“天宫”一号内部的环境却要和飞船一样必须适应航天员的居住,因为在“天宫”一号和“神舟”八号对接成功后,在随后发射的“神舟”九号或者“神舟”十号上会搭载航天员和“天宫”一号进行对接。对接后航天员会打开飞船和“天宫”一号的舱门,进入到“天宫”一号的内部做短期的驻留,并开展一系列科学实验。
  在实验舱的内部营造了一个航天员工作和生活、实验的条件和环境,这个空间的容积有15立方米。相对飞船来讲,实验舱的空间要大得多。
  为了能让航天员生活得相对舒适,在“天宫”一号的论证阶段,科技人员就提出了人性化的设计。从外部结构到内部装饰无一不是为以后在上面工作的航天员服务,就连实验舱内的颜色都是研究人员根据人体工程学精心选定的。
  麻雀虽小五脏俱全。在距离地球几百千米以外的太空,“天宫”一号要做到的不仅是解决航天员长期在轨生存所面临的安全问题,还要让航天员生活得更加舒适,就像是一个在空中的家。为了让以后长期驻站的航天员生活丰富多彩,不再单调乏味,科研人员还在“天宫”一号里设置了许多娱乐项目,就像其他国际空间站一样。航天员在舱内不仅可以听音乐、看电视,还可以通过通讯设备跟地面的家人和朋友聊天、发送电子邮件。更有趣的是,“天宫”一号内还安装了一些健身器材,让航天员有条件进行锻炼,防止他们在长期失重的情况下腿部肌肉萎缩。
  尽管“天宫”一号没有返回舱,但是两舱式的组合结构同样面临着种种困难。和“神舟”飞船的短期飞行不同,“天宫”一号需要在太空中服役2年,因此资源舱内所有的设备必须满足“天宫”一号在空中2年工作的需求。能不能保持长期在轨稳定可靠运行,是航天人面临的技术难点。
  根据不同的功能,“天宫”一号共有电源、推进、对接机构,测控与通信等13个分系统,每一个系统又是由成百上千个零件组成,其中哪怕是一个小小的螺丝钉,都和“天宫”一号的总体性能息息相关。由于“天宫”一号的体重被严格控制在8.5吨,在此基础上装备这么多的零件,重量和性能的权衡成为技术人员必须考虑的问题。每个零件在设计时,都要首先保证性能,然后在性能基础上再去优化重量。如果某一设备为了达到性能,重量会超一点,那么另一设备就一定要减一点,以求得一个平衡,真可以说是锱铢必较。
  太空的环境是恶劣的,阳光下的最高温度可以达到300℃左右,而阴影下的温度则低至-300℃。因此“天宫”一号上所有的材料必须能经受高温、寒冷和辐射等一系列严酷的考验。在性能和重量的双重标准下,科研人员集思广益,一些创新的设计想法在“天宫”一号上得到实现。比如资源舱就首次采用了轻型的结构技术。形象地说,就是让房子更加结实,重量也轻了,于是给整个“天宫”一号来省出来重量,为别的设备提供了更大的方便。
  在太空中飞行的航天器都是靠太阳能来保证电力的需要,于是可靠的太阳能电池板成了“天宫”一号长时间在轨运行的首要保证。为了保证长时间在轨飞行,这一次“天宫”一号上的太阳能电池板也采用了全新的技术——使用网格编制的半刚性的太阳能电池板,这样可以让太阳板更轻。这种电池板还有一个好处,就是在低轨高压这种环境下,抵御空间环境损伤的能力也更强。
  为了保证“天宫”一号高效长寿地工作,科研人员对每一个系统都做了成千上万次试验,希望通过这种大量复杂而反复的试验来保证设备运行的稳定性。“天宫”一号要在天上运行2年,则地面试验的时间起码也得2年以上,这样才能证明设备没有缺陷或者故障。
  为了达到百分之百无故障,在上天之前“天宫”一号要经历无数次的“体检”。科研人员曾做过一次模拟航天员在舱内生存60天的实验。实验有2名模拟航天员参加,模拟航天员要被关进一个密闭空间里,完全靠“天宫”一号的生命保障系统来维持这个空间的运行。他们的吃喝拉撒睡,都在这样一个环境里进行。航天人就是用这样的实验来考核系统是不是能达到载人环境的要求。
  这种看似严酷的实验只是“天宫”一号众多实验的一部分,为了保证“天宫”一号能够顺利完成任务,安全高效地处理突发事件,科研人员还准备了大量的预案,在地面调试的阶段,每一个预案也都会经过反复的验证。
  作为我国第一个在低轨道上运行的长寿命载人航天器,为了保证“天宫”一号能够顺利运行,航天工程各大系统都面临着诸多的考验,几乎每一个系统都做了相应的改进,仅运载火箭系统一项,改进就多达170余项。从火箭外形来看,运送“天宫”一号的火箭比运送“神七”时少了一个逃逸塔——逃逸塔的功能就是给飞船提供一个逃逸的功能,火箭或者飞船出现问题的时候,确保航天员生命安全,“天宫”一号是不载人的,所以没有逃逸塔;而助推部分比发射“神七”时加长了;整流罩也比“神七”的大一点。
  2011年9月29日,“天宫”一号在酒泉卫星发射中心成功发射。紧接着,在11月1日,“神舟”八号飞船腾空而起。11月3日凌晨1时36分,在轨运行30圈的“神舟”八号飞船和在轨运行541圈的“天宫”一号,在距离地面高度343千米的近圆轨道上成功交会,经过捕获、缓冲、拉近和锁紧四个过程,于1时36分对接机构锁紧完成,实现两航天器刚性连接,形成了组合体。两个速度达到每秒钟7.8千米、重达8.5吨的庞然大物在太空中实现了完美的一吻!
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