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未來空間站

  China游俠 2011-09-22

中國(guó)2020大型空間構(gòu)型圖,根據(jù)目前規(guī)劃,2020大型空間站由1個(gè)核心艙、2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成,加上神舟載人飛船及貨運(yùn)飛船,共5個(gè)模塊。

在先后掌握了載人飛船和貨運(yùn)飛船、空間對(duì)接與航天器長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行、航天員中期駐留等技術(shù)后,中國(guó)將在2017年以后開展大型、長(zhǎng)期有人照料的空間站的建設(shè)工作,預(yù)計(jì)2020~2022年建成。但目前沒有對(duì)2020大型空間站計(jì)劃的詳細(xì)介紹,官方只公布一些簡(jiǎn)單的介紹。

由1個(gè)核心艙、2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成

空間站主要艙段將使用新一代的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射,因此質(zhì)量限制大為放寬,空間站將由1個(gè)21噸核心艙和2個(gè)20噸級(jí)實(shí)驗(yàn)艙組成,總發(fā)射重量超過60噸??臻g站核心艙長(zhǎng)18.1米、最大直徑4.2米,分為節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙,是航天員的主要活動(dòng)場(chǎng)所,也是空間站的管理控制中心。核心艙的節(jié)點(diǎn)艙段擁有5個(gè)對(duì)接口,用于對(duì)接實(shí)驗(yàn)艙和載人飛船,是空間站的聯(lián)系樞紐,另外在資源艙尾部還有一個(gè)對(duì)接口,用于對(duì)接貨運(yùn)飛船。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙長(zhǎng)度均為14.4米最大直徑4.2米,是開展空間實(shí)驗(yàn)的主要艙所,也可供航天員臨時(shí)生活,其中實(shí)驗(yàn)艙I還有部分控制功能。

各艙段具備自主飛行能力

類似于蘇聯(lián)的和平號(hào)空間站,中國(guó)的空間站各個(gè)艙段均為獨(dú)立的航天器,具備自主飛行能力,這種設(shè)計(jì)增加了艙段本身的設(shè)計(jì)制造成本,從技術(shù)上說要遜色于國(guó)際空間站的設(shè)計(jì)。國(guó)際空間站俄羅斯的主要艙段具備自主飛行能力,但美國(guó)、歐洲和日本的艙段使用航天飛機(jī)運(yùn)輸并交大型機(jī)械臂安裝,本身沒有自主飛行能力。美國(guó)設(shè)計(jì)的CBM通用對(duì)接機(jī)構(gòu)也更為簡(jiǎn)單,省去了自主飛行控制和精密對(duì)接機(jī)構(gòu)的成本。不過從另一方面來說,具有自主飛行能力的航天器艙段雖然設(shè)計(jì)制造上較為復(fù)雜和昂貴,但避免了使用航天飛機(jī)這種復(fù)雜而昂貴的天地運(yùn)輸工具,降低了整體的建設(shè)成本。

人類三個(gè)大型空間站對(duì)比

前蘇聯(lián)和平號(hào)空間站擁有量子1號(hào)和量子2號(hào)、晶體、光學(xué)和自然艙共5個(gè)功能艙,外加核心艙總質(zhì)量月130噸,是中國(guó)未來空間站的2倍。

國(guó)際空間站擁有15個(gè)加壓艙段,外加桁架、4個(gè)大型太陽(yáng)能電池翼以及其他設(shè)備總質(zhì)量達(dá)到了空前的400噸以上。

人類歷史上前后有前蘇聯(lián)和平號(hào)空間站、國(guó)際空間站兩個(gè)大型、長(zhǎng)期有人照料的空間站。

前蘇聯(lián)和平號(hào)空間站

和平號(hào)空間站是前蘇聯(lián)載人航天的巔峰之作,擁有量子1號(hào)和量子2號(hào)、晶體、光學(xué)和自然艙共5個(gè)功能艙,外加核心艙總質(zhì)量約130噸,是中國(guó)未來空間站的2倍。但由于和平號(hào)使用較老的多艙空間站設(shè)計(jì),布設(shè)太陽(yáng)能電池翼上存在諸多不便,致使電力供應(yīng)從來沒能滿足實(shí)驗(yàn)艙的需求。

為此,蘇聯(lián)解體前設(shè)計(jì)了和平2號(hào)空間站,與此同時(shí),美國(guó)也開始規(guī)劃自由號(hào)空間站(后被國(guó)際空間站取代)。兩者都是航天飛機(jī)建設(shè)的大型桁架式空間站,通過大型桁架充分滿足電力供應(yīng)和非加壓載荷的掛載需求。

國(guó)際空間站

前蘇聯(lián)解體后,此前美蘇的太空爭(zhēng)霸轉(zhuǎn)變?yōu)楹献?,美俄決定聯(lián)合建造國(guó)際空間站,同樣使用桁架式空間站設(shè)計(jì)。國(guó)際空間站規(guī)模龐大技術(shù)先進(jìn),不過整個(gè)系統(tǒng)也極為復(fù)雜并且建設(shè)極為依賴美國(guó)航天飛機(jī)。國(guó)際空間站擁有15個(gè)加壓艙段,外加桁架、4個(gè)大型太陽(yáng)能電池翼以及其他設(shè)備總質(zhì)量達(dá)到了空前的400噸以上。國(guó)際空間站具有分屬美、俄、歐、日的4個(gè)大型試驗(yàn)艙,可以滿足各類空間科學(xué)、天文與對(duì)地觀測(cè)以及空間生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)需求。

中國(guó)未來空間站屬于“小字輩”

中國(guó)在2020年前后建成的大型空間站核心艙和兩個(gè)試驗(yàn)艙總計(jì)約60多噸,加上1艘8噸級(jí)的神舟飛船和1艘13噸級(jí)的貨運(yùn)飛船也不過是80多噸,這個(gè)質(zhì)量不僅小于目前400多噸的國(guó)際空間站,也小于早已再入墜毀的約130噸的和平號(hào)空間站,甚至不如美國(guó)當(dāng)年的空間實(shí)驗(yàn)室重。

盡管在規(guī)模上有所不足,不過中國(guó)空間站艙段性能上并不遜色。而且中國(guó)的空間站僅需要長(zhǎng)征五號(hào)發(fā)射3次即可完成基本建設(shè),不會(huì)陷入國(guó)際空間站那樣早期10年大多數(shù)時(shí)間用于建設(shè)空間站以至于空間科研成果聊聊的尷尬。對(duì)比國(guó)際空間站的規(guī)模,中國(guó)自主建設(shè)獨(dú)立運(yùn)行的空間站上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙足以滿足多數(shù)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。未來中國(guó)多項(xiàng)空間科學(xué)尤其是天文觀測(cè)項(xiàng)目將以空間站為載體實(shí)施。

波音747-400客機(jī)、國(guó)際空間站、和平號(hào)空間站與中國(guó)規(guī)劃中的未來空間站同比例比較。大型復(fù)合式空間站功能全面,同時(shí)也意味著建造開支、周期與風(fēng)險(xiǎn)的成倍增加。和平號(hào)空間站經(jīng)歷蘇聯(lián)解體風(fēng)波,歷時(shí)10年方才完工,國(guó)際空間站則經(jīng)歷了更多的拖沓,兩者實(shí)際工程進(jìn)度都比最初預(yù)計(jì)落后嚴(yán)重。但中國(guó)未來空間站則相對(duì)簡(jiǎn)單,僅需3次發(fā)射即可完成建設(shè),貫徹了經(jīng)濟(jì)至上的原則。

中國(guó)空間科學(xué)研究水平較為落后

中國(guó)航天工業(yè)最早也是起源于東風(fēng)4號(hào)、東風(fēng)5號(hào)遠(yuǎn)程、洲際導(dǎo)彈的研制。圖為早期長(zhǎng)征2號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射,這枚長(zhǎng)征2號(hào)火箭箭體直接采用東風(fēng)5號(hào)洲際導(dǎo)彈,而此時(shí)東風(fēng)5號(hào)尚未完成研制。

空間站的主要作用是基礎(chǔ)科學(xué)研究

在談到載人航天工程時(shí),有一點(diǎn)是常常為人所忽略的,這就是我們建造空間站、發(fā)射載人飛船的目的究竟是什么?

在載人航天發(fā)展之初,軍用是首要目的,美國(guó)和前蘇聯(lián)都曾設(shè)想過或?qū)嶋H應(yīng)用過載人飛船進(jìn)行對(duì)地成像、電子偵察。但隨著技術(shù)的進(jìn)步,照相和電子偵察及其它軍用航天任務(wù)都可以由無人衛(wèi)星去完成,載人航天逐漸演變成美蘇之間展示國(guó)力的政治性競(jìng)爭(zhēng)。在前蘇聯(lián)解體后,美蘇合作建設(shè)國(guó)際空間站,載人航天的主要目的已轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)科學(xué)性質(zhì)的空間科學(xué)研究,主要是在空間站上進(jìn)行前沿的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

中國(guó)空間科學(xué)研究水平較為落后

說到空間站項(xiàng)目的實(shí)際科學(xué)應(yīng)用,中國(guó)空間科研的落后和能力的匱乏是無需諱言的。中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱工業(yè)水平較低,自身工業(yè)發(fā)展缺乏發(fā)展高端基礎(chǔ)科研的需求。這種形勢(shì)下中國(guó)缺乏對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的投入,同時(shí)長(zhǎng)期以來缺乏對(duì)基礎(chǔ)科研價(jià)值的認(rèn)識(shí)??臻g科學(xué)研究作為耗資巨大而收效緩慢的領(lǐng)域很難得到投資。

載人航天項(xiàng)目開始前,中國(guó)利用少數(shù)衛(wèi)星進(jìn)行了空間環(huán)境探測(cè),如空間物理探測(cè)的實(shí)踐一號(hào)和實(shí)踐四號(hào)。此外還利用返回式衛(wèi)星進(jìn)行了空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)、空間微重力科學(xué)、航天新技術(shù)等一系列實(shí)驗(yàn),但多為返回式衛(wèi)星的富余能力搭載、規(guī)模有限。在空間天文上,第一顆專用天文衛(wèi)星硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡提出十多年但命運(yùn)多舛直到今年才立項(xiàng)??梢哉f中國(guó)空間科學(xué)研究不論是空間環(huán)境探測(cè)還是空間天文,或是微重力條件下的空間材料、空間生命和航天醫(yī)學(xué)的研究上,對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家都相對(duì)落后,尤其是相關(guān)載荷設(shè)備的技術(shù)水平有很大差距。

中國(guó)空間科學(xué)在人員上也有很大缺口,2007年國(guó)防科工委系統(tǒng)工程一司副司長(zhǎng)張偉接受訪談時(shí)提到“空間科學(xué)研究人員數(shù)百人,與國(guó)外相比,隊(duì)伍規(guī)模明顯偏小”。

中國(guó)航天工業(yè)首要滿足國(guó)防需求

制約中國(guó)空間科研發(fā)展的另一個(gè)障礙是中國(guó)航天工業(yè)曾長(zhǎng)期由國(guó)防部門分管,長(zhǎng)期以來主要滿足第二炮兵的需求,一直到現(xiàn)在航天工業(yè)首要的目標(biāo)也是滿足國(guó)防需求,對(duì)軍事任務(wù)毫無關(guān)系的空間科研項(xiàng)目興趣寥寥。而進(jìn)行科研的中科院等系統(tǒng)本身資金有限而且更傾向投入自己掌握的項(xiàng)目,因此中國(guó)空間科研的落后也就不足為奇了。

空間站為中國(guó)空間科學(xué)發(fā)展帶來契機(jī)

神舟三號(hào)搭載的空間材料多工位晶體生長(zhǎng)爐,開展了二元/三元半導(dǎo)體材料、金屬/非金屬合金及非晶合金材料制備及其相關(guān)工藝的研究,為開發(fā)新型材料提供了理論依據(jù)。

神舟、天宮擁有更好的搭載能力

載人航天工程的啟動(dòng),為中國(guó)追空間科學(xué)研究趕發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平提供了一個(gè)很好的契機(jī),因?yàn)檩d人飛船、空間實(shí)驗(yàn)室比起返回式衛(wèi)星有著更好的搭載能力。在神舟一號(hào)到神州六號(hào)飛船任務(wù)期間,中國(guó)以空間探測(cè)和空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)為中心開展了數(shù)十項(xiàng)科學(xué)課題研究,進(jìn)行了以高層大氣為主的空間環(huán)境探測(cè),對(duì)地觀測(cè)、空間天文觀測(cè),還進(jìn)行了以空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)和微重力流體物理學(xué)為主的數(shù)十項(xiàng)課題研究。

神舟二號(hào)的γ射線探測(cè)、神舟三號(hào)的多工位晶體生長(zhǎng)爐、神舟四號(hào)的微重力流體物理實(shí)驗(yàn)室都取得了不錯(cuò)的成果。神舟七號(hào)任務(wù)期間除了進(jìn)行了出艙行走,還進(jìn)行了伴星一號(hào)飛行實(shí)驗(yàn)和固體潤(rùn)滑材料空間暴露試驗(yàn)??梢哉f,載人航天中的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展了中國(guó)空間科研范圍,提升了空間科研水平。

另外,神舟八號(hào)飛船任務(wù)中還將包括中國(guó)載人航天項(xiàng)目的第一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目SIMBOX,這個(gè)空間微重力生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目里中德科學(xué)家合作將進(jìn)行17項(xiàng)實(shí)驗(yàn),天宮二號(hào)任務(wù)期間還將進(jìn)行國(guó)際合作的POLAR探測(cè)項(xiàng)目,用于γ射線偏振測(cè)量。中國(guó)在航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)是載人飛船、運(yùn)載火箭等航天器技術(shù)較為成熟,并有較為充裕的資金保障。所以,利用航天器平臺(tái)優(yōu)勢(shì)來展開國(guó)際合作,是提升國(guó)內(nèi)空間科學(xué)研究水平的一條捷徑。

由于外太空輻射強(qiáng)烈、溫差變化激烈,航天器結(jié)構(gòu)老化速度很快,所以國(guó)際空間站計(jì)劃于2020年退役。

國(guó)際空間站退役為中國(guó)帶來契機(jī)

受政治因素影響,美國(guó)一直拒絕中國(guó)參與國(guó)際空間站項(xiàng)目,空間科學(xué)項(xiàng)目對(duì)外交流合作也受到限制。但國(guó)際空間站將在2020年退役,中國(guó)未來空間站卻計(jì)劃于2020年建成,這一時(shí)間上的巧合也帶來了契機(jī)。

美國(guó)在布什總統(tǒng)時(shí)代曾決定2014年左右放棄國(guó)際空間站,而國(guó)際空間站要到2011~2012年才能建成,屆時(shí)歐洲和日本的實(shí)驗(yàn)艙只使用了幾分之一的設(shè)計(jì)壽命而已,更不要說他們發(fā)展的貨運(yùn)飛船無處可去?,F(xiàn)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬因此決定延長(zhǎng)國(guó)際空間站壽命到2020年,但這個(gè)時(shí)間點(diǎn)恰好與日本和歐洲設(shè)想的首次載人飛船發(fā)射時(shí)間沖突,歐日的載人飛船以后飛向何處去,將是個(gè)有趣的話題。

不管國(guó)際空間站是否進(jìn)一步延壽到2025甚至2028年,由于艙體的老化,中國(guó)2020年后建立的空間站都將是一個(gè)很有競(jìng)爭(zhēng)力的空間科學(xué)研究平臺(tái)。在手握核心資源的條件下,中國(guó)可以進(jìn)行更廣泛的國(guó)際合作,在合作中也將得到更多的實(shí)際利益,神舟八號(hào)的SIMBOX項(xiàng)目將是中國(guó)載人航天工程國(guó)際合作的開端。

結(jié)語(yǔ)

中國(guó)運(yùn)載火箭專家、工程院院士龍樂豪在接受采訪時(shí)曾表示,中國(guó)航天戰(zhàn)略發(fā)展的原則是安全第一、可靠為要、經(jīng)濟(jì)至上,航天發(fā)展要具備可持續(xù)性??梢哉f,中國(guó)載人航天工程很好地貫徹了這些原則。

按照目前規(guī)劃,中國(guó)2020大型空間站僅有3個(gè)艙段,總發(fā)射質(zhì)量60多噸,與目前總發(fā)射質(zhì)量400多噸的國(guó)際空間站相比,實(shí)屬小字輩,甚至不如前蘇聯(lián)在上世紀(jì)90年代建成的和平號(hào)空間站。但中國(guó)的空間科學(xué)研究水平較為落后,目前來看,60噸級(jí)的空間站是夠用的。在國(guó)際空間站退役后,中國(guó)空間科學(xué)將迎來很好的國(guó)際合作契機(jī),未來再發(fā)展出一個(gè)規(guī)模適度、注重應(yīng)用的載人航天系統(tǒng)是可以期待的。(文/張雪松 黃治茂)

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