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解讀天宮一號飛天之旅:空間交會對接成敗在此一吻
來源:新華網       時間:2011/9/30 13:10:16     
解讀天宮一號飛天之旅:空間交會對接成敗在此一吻 

 
 
 

“天宮一號”在轉場過程中

  9月24日,酒泉衛星發射中心,晴空萬里,秋陽艷艷。

  發射場上,“天宮一號”矗立在空曠的戈壁上分外醒目。最遲五天后,這個中國最大最重的航天器將在此升空,踏上建立首個空間實驗室的神秘之旅。

  原中國載人航天發射場總設計師徐克俊接受羊城晚報專訪時稱,“天宮一號”發射后,將與隨后發射的“神八”、“神九”、“神十”飛船進行交會對接。

  如果“天宮”與“神八”成功對接,將意味著中國成為繼美國、俄羅斯后,第三個獨立掌握航天交會對接技術的國家。2020年,中國將建成自己的大型空間站。而國際空間站也將在2020年結束使用。

  交會對接到底有多難?兩年壽命后,“天宮”何去何從?太空垃圾會否威脅“天宮”?中國為何沒參與國際空間站合建,而要獨立建造空間站?“神九”、“神十”會否被定型為載人運輸飛船?……

  羊城晚報專訪徐克俊、北京大學地球與空間學院教授焦維新和《國際太空》雜志社副主編龐之浩等多位專家,解讀“天宮一號”飛天之旅。

  

  每秒7.8公里的狂奔中

  “吻”得上還要“吻”得準

9月20日,“天宮一號”端坐在70米高的長征二號F火箭上

  “天宮一號”歷史地位:

  載人航天工程第二步

  羊城晚報:“天宮一號”發射,意味著中國載人航天走到了哪一步?

  焦維新:應該說是中國載人航天工程的第二步,第三步是建立永久性空間站。只有實現了交會對接,建立的空間站才有用。所以,最關鍵是考驗對接技術。

  龐之浩:“天宮一號”是空間實驗室的雛形,為后面的二號、三號做準備。我們在2016年以前還要發射天宮二號、三號,那就是空間實驗室了,為后面的空間站做準備。第三步,在2020年我們要建立自己的空間站,也將是多艙式的,一個核心艙對接兩個實驗艙。

  羊城晚報:交會對接成功的意義何在?

  焦維新:建設大型空間站不是一次就能到位的,需要多次組裝。空間站在運行過程中需要定時更換維修一些設備,航天員也要經常更換。所以,太空對接是一項經常性的工作。如果這個關鍵技術不解決,下邊的工作就沒法進行,也沒法建空間站。

  龐之浩:首先,交會對接技術可以為長期在軌運行的空間設施提供人員的運輸和物資的補給,要通過飛船、通過交會對接技術才能把人和貨運上去,工作完后還要分離,把人運回來。第二,現在的航天器越來越大,不可能靠運載火箭一次運上去。分成多個模塊逐步送上去以后,通過交會對接才能組成大型多艙式的空間站。第三,可以用于在軌航天器之間的互訪。還可以實現物資轉運,可提供緊急救生。這個空間站著火了,我坐飛船到那個空間站,人到那邊躲一下,不一定非得返回地面。

  羊城晚報:交會對接的難度和風險主要有哪些?“天宮一號”和神舟系列在太空中“N+1”式的交會對接模式前所未有,意義何在?

  焦維新:交會對接要突破三大難關:一是位置的控制,二是速度的控制,三是姿態的控制。交會對接包括兩個不同的階段,先是交會,然后才是對接。

  交會是讓兩個航天器在預定的時間同時到達一個指定的地點聚集。有時候交會不一定要求對接,對接還有更復雜的技術,要準確地調整高度、位置、相對速度以及兩個航天器的姿態,使兩個航天器軸線基本上在一條直線上平穩、安全地靠近。然而,兩個航天器距離地面三百多公里,以極高的速度運行,基本上是第一宇宙速度(7.8公里/秒),要實現極小誤差的精準控制是非常難的。

  舉個例子,大家經常看到的賽車,如果要求飛奔的兩輛賽車始終保持在一米之內的距離,難度很大,稍有差池就會撞上。所以,這對我們的導航定位系統是一個嚴格的考驗。此外,對接機械的設計是否合理,將要經受檢驗。

  徐克俊:對接有兩套方案:一種是機械式(手動控制),一種是無線引導式(自動控制),兩種方式各有利弊。手動控制完成空間交會對接成功率高,但缺點是工作時間長,從幾個小時到幾天,而且工作強度很大,此外還受空間環境條件(如光照)的嚴格限制等。用自動控制來完成對接相對輕松些,但需要分布很廣的地面站或中繼衛星,花費巨大。

  龐之浩:“天宮一號”要先后和三艘飛船完成交會對接,一個目標飛行器進行三次對接,只需要發射四個航天器就夠了,可以節省兩次發射成本,而且還縮短了研制周期。

  

  中國為何要建設自己的空間站:

  科學意義大應用價值高

 

  龐之浩說,發射“天宮一號”并無太大問題,關鍵是“神八”能否與其成功對接。徐克俊說,對接有兩套方案———手動機械式和無線引導式,兩者各有利弊。焦維新認為,兩年后“天宮”可能在指令控制下墜海。

  “天宮一號”主要任務:

  完成交會對接實驗

  羊城晚報:作為空間實驗站的雛形,“天宮一號”(重8噸)與人們熟悉的國際空間站(重450噸),構造及功能上有何不同?

  焦維新:沒有本質區別,主要還是規模不同。前蘇聯的“禮炮號”空間站也不是特別大,后來的“和平號”規模較大,有100多噸。其次是功能不同,能夠進行科學實驗的種類、內容、方式等,都有很大差別。另外,由于空間站比較大,設施較為完備,航天員能夠在上面停留更多時間。

  龐之浩:嚴格意義上講,“天宮一號”還算不上是空間站,它只是一個簡易的空間實驗室。其他區別還有:首先,它的壽命只有2年,航天員只能短期駐守;其他空間站的壽命可達5至10年,甚至更長,航天員每次在軌時間多在百日以上。其次,空間實驗室空間小,對接口少,沒有擴展能力。而且,所需燃料和給養要一次帶齊,其他空間站則可以用貨運飛船定期補給。“天宮”主要是要突破交會對接技術,為未來空間站的建設進行技術實驗。

  羊城晚報:在航天員進入“天宮一號”前,“天宮一號”主要用來做什么?

  焦維新:主要任務是完成空間交會對接實驗。可能會攜帶一些不需人操作的實驗項目,但這不是重點。

  龐之浩:“天宮”主要是為我國突破掌握交會對接技術研制的飛行器。今年先把“天宮”發射上去,以后神舟八號在無人情況下實現自動交會對接,而神舟十號是要載人的。載人有兩個目的:不僅要掌握自動對接技術,還要掌握手動對接技術。人上去還要做一些科學實驗,包括航天醫學科和空間技術實驗。

  羊城晚報:據了解,2015年前,中國將陸續發射“天宮二號”、“天宮三號”兩個空間實驗室。與“一號”相比,四年后發射的“二號”、“三號”有何不同?

  焦維新:“天宮二號”、“三號”將要進行的科學實驗內容將有別于“一號”,各有側重。比如說,最多能進行實驗的種類不同,能進行實驗的內容量也不同。

  羊城晚報:“天宮一號”為何壽命只有兩年?兩年后怎么處理?

  焦維新:2006年“天宮一號”開始研制,它只是一艘試驗飛船,兩年后,可能在指令控制下墜入大海。

  龐之浩:決定一個空間站壽命的因素很多,主要是經費和材料技術。其次,構成空間站的部件,在外太空高輻射、高溫差等惡劣環境條件下的壽命也很有限。國際空間站的設計壽命本來是到2015年,但美俄希望能夠延長到2020年。“天宮一號”的壽命是根據實驗任務來設計的。中國能夠在兩年內完成無人和載人交會對接實驗任務,就沒必要發射壽命更長的實驗飛行器,以免徒增成本。

科學探索期待獨特成果

  近年來,國際社會對中國發射“天宮一號”給予了強烈關注。然而,由于各種原因,中國載人航天一直沒有獲邀參與國際空間站的合作。“天宮一號”如果能使交會對接技術獲得突破,2020年的中國空間站將是獨一無二的國際空間站。

  太空探索尚無獨特成果,與大國地位不相稱

  自己建設空間站時機已到

  羊城晚報:中國為什么要耗費大量的人力和財力建造自己的空間站?

  焦維新:概括起來,科學意義、應用價值,都是吸引國家建立空間站的原因。預計我們的空間站建成以后,在很多領域都會展開實驗,包括觀天測地、利用微重力環境進行材料科學等實驗。據我所知,許多行業的科學家已經提出了很多實驗方案,有關部門正在精選。

  我國航天事業的指導思想就是不模仿,將創新性和可行性結合起來。人類太空科學發展的歷史已有五十多年,這期間真正推動科學發展的主要是歐美俄。我國雖然在七十年代就發射了衛星,但主要還是一些應用衛星,在科學探索方面還沒有獨特的成果,這與大國的地位是不相稱的。以前局限于經濟和技術水平,現在我們的經濟足以為發展空間科學技術創造很好的條件。

  2020年,可能只有中國擁有空間站

  將建設成為國際空間站

  羊城晚報:中國為什么沒有參與國際空間站合建?還有加入的可能嗎?

  焦維新:國際空間站在醞釀建設過程中沒邀請我們,這是原因之一。另外考慮自己的情況,一開始我們也沒有開展載人航天的活動,也沒有特殊技術。神舟飛船還只是實驗性的飛船,只有空間交會對接技術得到圓滿解決,我們的飛船才可以進行商業飛行,這樣一來,飛船不僅可以和我們的空間實驗室以及未來的空間站對接,如果需要合作,將來還可以和國際空間站對接。

  我個人認為,如果我們的交會對接技術解決了,是可以考慮加入國際空間站的。當然,我們也要考慮到參加的條件,比如說我們租賃一個艙,可以租多長時間、體積多大、收費如何,是否參加,要綜合考慮政治、經濟以及各方面技術等因素。

  羊城晚報:2020年國際空間站將結束其使命,而按規劃,2020年前后中國的空間站正好進入軌道。中國的空間站能否擔負新的國際空間站職能?

  焦維新:我想肯定會是這樣。我們的空間站預計在2020年到2022年之間建成。那時候在太空運行能夠進行多學科實驗的空間站,恐怕只有我們中國。由于科學實驗有其連續性,其他國家的科學家想進行科學試驗,只有和中國進行合作,如果有發達國家科學家參加,他們攜帶先進的科學設備,我想我們也會歡迎的。

  所以,未來的空間站不光是中國開展多學科實驗的平臺,也可能會吸引多國的科學家參加,那就變成一個國際性的空間站了。這將是中國人引以為豪的一件事情。

 
 
 

“天宮一號”整裝待發

  “天宮”整裝待發 “神八”運抵酒泉

  羊城晚報訊 昨天傍晚,運載著發射“神舟八號”的火箭專列徐徐駛入東風航天城火車站,標志著“神舟八號”星箭正式進入發射場區,中國載人航天計劃空間交會對接工程進入新節點。

  “神舟八號”能否順利升空與“天宮一號”完成空間交會對接,火箭將起到至關重要的作用,因此火箭專列的保衛顯得格外重要。記者在車站看到,從車站候車室到站臺均有多名安保人員在警戒。

  站臺候車樓的房檐上早已掛起了一條紅色的條幅,大書14字———熱烈歡迎“神舟八號”火箭專列進場。站臺上,十幾面紅旗迎風飄揚,一支由30多名身穿演出服裝的樂手組成的鑼鼓隊正在指揮的帶領下演練西北特有的“威風鑼鼓”。

  “敬禮!”18時13分,一聲剛勁有力的聲音劃破安靜的天空,剛剛沉寂了幾分鐘的威風鑼鼓隊也幾乎在同時奏響樂聲,遠處傳來火車汽笛的低鳴———運載“神舟八號”火箭的專列徐徐駛入東風航天城火車站。

  專列停穩后,車門打開,首先出來的是一面藍色的旗幟,鑲嵌著金黃色的穗兒,旗幟上還寫著巨大的兩個字———“神箭”。

  “一路上辛苦了。”“保證完成任務。”

  迎接專列的專家們和護送火箭的技術人員們的手緊緊地握在一起……

  據悉,“神舟八號”火箭專列抵達東風航天城后,將于近日轉運至組裝車間進行一系列調試和組裝、檢測。

  此前曾有報道稱,“神舟八號”飛船將于今年11月初發射,它將與即將發射的“天宮一號”目標飛行器完成空間交會對接。

  “長征2F改”大量采用冗余技術

  酒泉衛星發射基地火箭指揮員周曉明接受本報專訪:

  “天宮一號”無論是重量、還是體積,與之前發射“神舟”系列飛船都有一定的不同。如何保證“天宮一號”順利發射升空,并成功將其送入指定軌道?酒泉衛星發射基地發射場測試站副總工程師、火箭指揮員周曉明接受本報記者專訪時透露,為適應“天宮一號”的發射,ZC-2F運載火箭技術改進達176項之多,并首次采用冗余技術以保證火箭運行的安全和可靠性。

  6月29日,火箭運抵發射場。由于此次任務中火箭測試的周期由原來的3個月縮短至50多天,加之今年是發射場發射任務最密集的一年,共有6次發射任務,工作量巨大,周曉明在執行“天宮”任務的同時還要兼顧衛星發射、火箭測試等任務,壓力很大。

  周曉明介紹,與以往發射任務不同的是,運載“天宮一號”的火箭雖然仍然是“長征2F”系列,但為了適應新任務的需求,火箭的技術改進項目達176項,運抵發射場時不得不分割成八個部分才通過了鐵路沿線的一條條隧道,在發射場的整裝工作也顯得比以前復雜了許多。所以,火箭應該叫作“長征2F改”運載火箭。

  周曉明透露,由于“天宮一號”的重量比以前的飛船增加,需增加運載火箭的推力,其重量也因燃料的增加而增重9噸,這是火箭最主要的改進內容。由于“天宮”不載人,逃逸系統不再參與任務。

  為適應“天宮一號”的發射,ZC-2F運載火箭技術改進達176項之多,并首次采用冗余技術以保證火箭運行的安全性和可靠性。

  “‘冗余技術’是系統備份技術,就是在火箭的關鍵設備上裝置2-3個計算機控制系統,當系統出現問題時,啟用備份系統可提高火箭的運行安全性和可靠性,運載火箭大量采用了冗余技術。”周曉明說。

  據周曉明的同事們介紹,周曉明是伴隨著“神舟”飛船的發射而成長起來的專家,從“神一”到“神七”飛船再到“天宮一號”的發射任務,經驗老道,業務精湛。周曉明從“神一”時推進劑利用系統的一名操作手到動力系統總指揮,是一步一個腳印成長起來的指揮員,2008年首次擔任火箭副總工程師,此次首次擔任天宮一號火箭指揮員。

  “天宮一號”及神舟飛船會否受到太空垃圾的影響?

  只能通過預報及時躲避

  羊城晚報:“天宮一號”能否為航天員提供良好的工作和生活環境?

  焦維新:首先和“天宮一號”對接的“神舟八號”是不載人的,沒有航天員到實驗室工作,所以在“天宮一號”中沒有必要建立一套完善的生命保障系統。

  龐之浩:“天宮”的實驗艙大部分是密封的,里面可以提供人能適應的壓力、溫度、氧氣等,可以在里面生活。還有一部分是非密封的,據說里面是再生式生命保障系統,可以循環使用水資源。它的推進艙主要提供電源和動力。它有太陽能電池板和發動機。

  羊城晚報:“天宮一號”及神舟飛船會否受到太空垃圾的影響?“天宮一號”是否有“防撞”措施?

  焦維新:目前的太空碎片已經非常多了,十厘米以上的有兩萬兩千多個,這對航天器的威脅非常大,在地面用望遠鏡或者雷達是可以探測到的。十厘米以下的也非常多,毫米的就有幾億個。碎片不光是威脅載人航天,對其他的航天器也有害。

  現在還沒有一個有效的治理方法,負責空間天氣預報的人要監測大碎片的分布情況,對大碎片的運動狀態做出預報,假如預知附近有碎片穿過我們的軌道,可能對我們的飛船造成危害,就得躲著點。“天宮一號”和神舟都有可能受到這些太空垃圾的影響,“天宮一號”沒有專門的防撞措施,只有通過預報進行躲避。

  羊城晚報:對中國來說,“太空游”的夢想還有多遠?

  焦維新:商業太空漫游還需要一定的時間,恐怕還要二十年以后。

  龐之浩:交會對接技術一旦得到解決,將在未來的太空旅行中大顯身手。為了體驗失重下的真實感受、居高臨下看地球、看月球,不少人開始熱衷于太空旅游。而未來的月球旅行和太空漫步游都會越來越依賴于交會對接技術,不再需要用造價極高的大推力火箭把人們送上太空,而是用比較適中的火箭把旅行者和貨物分別送上太空就可以了,這樣增加了安全系數,也更便宜。    文/羊城晚報特派記者 孫朝方 張小磊 溫建敏 圖/羊城晚報特派記者 陳文筆 (發自酒泉)

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