中國150億打造第一個空間站：「天宮」太空實驗室

ZT 中國150億打造第一個空間站：「天宮」太空實驗室虹橋科教論壇 http://www.rainbowplan.org/bbs/edu/送交者: 離鄉客 於 2008-10-03 17:32:13天宮」系列太空實驗室 ——組建中國第一個宇宙空間站 -------------------------------------------------------------------------------- 工程總投資：150億元左右 工程期限：2000年——2020年 按照我國載人航天計劃，中國最終將建設一個永久性的宇宙空間站。 據中國工程院院士、神舟飛船原總設計師戚發軔介紹，中國航天的目標分為三大步，第一步是把人送上太空，這個目標在神五順利升空時即已達成。第二步是繼續突破載人航天的基本技術：多人多天飛行、航天員出艙在太空行走、完成飛船與空間艙的交會對接。第三步就是建立永久性的空間試驗室，進行科學試驗。神七升空，意味著三步曲中的第二音階已然奏響，隨後的神八到神十飛船將相繼升空，以奇麗的太空之舞構築起中國自己的「天宮」系列太空實驗室。 我國將在2010年至2015年間發射「天宮」一號目標飛行器和「天宮」二號、「天宮」三號兩個空間實驗室，還將分別發射2艘無人飛船進行無人對接試驗，然後再發射5艘飛船進行載人對接試驗和載人駐留試驗，預計在7年內連續發射7艘太空飛船。 在神五和神六的時候，大家看到我國的載人航天工程只有七大系統，實際上是八大系統，只是正在研製中的空間實驗室系統，沒有參與此前的『神舟』系列。關於「天宮」太空實驗室的研製，早在神舟六號飛行期間就已經展開，仍在緊張研製。在實現「太空行走」和交會對接技術之後，以空間實驗室為平台的空間應用系統將發揮更大的作用。 有了自己的空間實驗室甚至空間站，也就有了更多用於空間科學試驗的空間，空間應用系統在載人航天工程中的比重也將隨之增大。外太空處於真空和失重狀態，而且沒有大氣的阻隔，太空中還有太陽電磁輻射和高能粒子輻射，這樣的環境不適合人類居住，但卻為人類提供了獨特的試驗環境。太空生命科學試驗不僅可以進行植物育種、發明新的藥物，而且在半導體、特種材料、天文學、對地觀測等方面的好處更是不一而足。神舟七號飛船將進行固體潤滑材料的外太空暴露試驗，試驗數據有助於改善潤滑劑效能，應用於汽車還能達到節能減排的作用。因此，以神七為起點的空間站建設，將為科學研究帶來更大的舞台。 中國第一個太空站會是什麼模樣？ 空間實驗室是設立在太空的用於開展各類空間科學實驗的實驗室。據悉，我國目前在研的「天宮」空間實驗室採用兩艙結構，分別為實驗艙和資源艙。該站的大致模樣：包括一個核心艙、一架貨運飛船、一架載人飛船和兩個用於實驗等功能的其他艙，總重量在100噸以下。這個空間站建成後，核心艙可不斷加艙。屆時，每年將往空間站發射若干個航天器。 中國的首個空間站將是一個符合中國需要、適度規模的空間站。實驗艙可保證艙壓、溫濕度、氣體成分等航天員生存條件，可用於航天員駐留期間在軌工作和生活，密封的後錐段安裝再生生保等設備。實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用於支持與飛船實現交會對接。資源艙為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。航天員的生活必需品和工作所需的材料、設備均由飛船運送，載人飛船停靠在實驗室外邊，作為應急救生飛船。如果實驗室發生故障，可隨時載航天員返回地面。航天員工作完成後，乘飛船返回。 空間實驗室的建設過程是，先發射無人空間實驗室，而後再用運載火箭將載人飛船送入太空，與停留在軌道上的實驗室交會對接，航天員從飛船的附加段進入空間實驗室，開展工作。 　　空間實驗室系統的主要任務有： 　　（1）進一步掌握飛行器空間交會對接技術； 　　（2）突破航天員中期駐留、飛行器長期在軌自主飛行、再生式生保和貨運飛船補加等關鍵技術； 　　（3）驗證天地往返運輸飛船的性能和功能； 　　（4）進行一定規模的空間應用。 2010年太空盛會一月連續發射三艘飛船 繼神七之後，未來的神八、神九及神十預計將於2010年升空，在太空中三艘飛船連結在一起，組成小型空間實驗室。據神舟設計師介紹，三艘飛船會連續發射，一個目標上去了，需要馬上發射下一個上去進行對接。從神八發射到神十上天，三艘飛船發射的間隔只會有一個月甚至更短的時間，屆時國人將見識「三星連發」的太空盛會。 目前，載人飛船系統正在大力開發研製神舟八號飛船和貨運飛船，在不遠的將來，具有上行運送、儲存5.5噸貨物能力的新一代貨運飛船，將為空間實驗室和空間站提供推進劑補加，為空間站補充水和氣體並提供廢棄物存放條件。 　　「天宮」一號目標飛行器將在2010年發射，實際上是空間實驗室的實驗版，主體為短粗的圓柱型，直徑比神舟飛船更大，前後各有一個對介面。採用兩艙構型，分別為實驗艙和資源艙，實驗艙由密封的前錐段、柱段和後錐段組成，實驗艙前端安裝一個對接機構，以及交會對接測量和通信設備，用於支持與飛船實現交會對接。資源艙為軌道機動提供動力，為飛行提供能源。「神舟8號」將是一艘無人的神舟飛船，不搭載航天員，與「神舟8號」進行無人自動對接試驗。 　　中國空間技術研究院研製的「天宮」二號空間實驗室將主要開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗。 　　「天宮」三號空間實驗室將主要完成驗證再生生保關鍵技術試驗、航天員中期在軌駐留、貨運飛船在軌試驗等，還將開展部分空間科學和航天醫學試驗。 　　按最早的計劃，神舟8號、9號都是標準的神舟飛船。神舟9號將與神舟8號的留軌軌道艙實現對接，作為太空交會的第一次演練(神舟7號由於實施太空行走，軌道艙進行改造，任務完成後不留軌)。 突破飛船空間交會對接技術 　　依照這一過程，建設空間實驗室就必須突破飛船空間交會對接技術，空間交會對接技術難度很大。 　　交會和對接其實是兩個過程。兩個或兩個以上的航天器通過軌道參數的協調，在同一時間到達太空中同一位置，這稱為「交會」。對接是在交會的基礎上，通過專門的對接機構將兩個航天器連接成一個整體。空間交會對接的難度很大，因為在太空中，航天器都是高速運行的，時速到達28000公里以上，而且任何兩個航天器之間的實際相對運動參數總是有偏差。如果計算不準，就可能發生飛船相撞事故，因此，需要進行大量試驗才能掌握這一技術。 交會對接中，一個航天器是被動的，稱為目標航天器，另一個是主動的，稱為追蹤航天器。如果要作一個形象化的比喻，則與武術中的擒拿招式相似。擒拿，簡單地講就是一方將另一方「控制住」。 交會對接系統通常包括跟蹤測量系統、姿態與軌道控制系統、對接機構系統等。兩個航天器在太空進行對接，其初始條件是兩者保持對接機構的同軸接近方式和確定的縱向速度，以及在其他線坐標和角坐標上的速度為零。但兩個航天器之間的實際相對運動參數總是有偏差的。一般情況下，兩個航天器之間的相對位置及其平動速度通常是靠主動航天器軌道控制系統和兩個航天器的姿態控制系統來維持的，前者適用於控制質心的平動運動，後者適用於控制繞質心的轉動運動。 　　航天器的空間交會對接有兩種控制方法，一種是人工控制，另一種是自動控制。用人工控制來完成太空交會對接可以提高交會對接的成功率。自動控制交會對接可靠性高，不需考慮人員的安全和救生問題。在航天器的交會對接技術方面，未來的發展趨勢是人工控制和自動控制相結合，以提高交會對接的靈活性、可靠性和成功率。在我國載人航天工程的時間表上，載人航天二期（2010-2015）工程的第一階段（2010-2012），將發射神8、9、10、11號飛船，實現交會對接演練，突破這一難關。 根據航天專家的樂觀估計，我國有望在2020年前後發射上百噸級的空間試驗站。在此之前，至少將進行兩三次空中對接試驗。將先發射目標航天器，然後神八將和先它發射升空的目標航天器在太空交會對接，再一次吹響我國向太空進軍的號角。神九也沒有航天員，只是發射目標飛行器。兩艘飛船先期探路成功後，神十隨後就會發射升空，這一次將重新帶航天員上去進行空間實驗室的工作。 火箭「力士」當坐騎穿雲渡月擎「天宮」 不過，只有具備了20噸以上運載能力的火箭，才有資格發射核心艙，此外空間站在運行期間也需要大運載能力的貨運飛船來回運輸大量物資，而目前我國的火箭運載能力只有10噸。目前中國正在研製的新一代大推力長征5號運載火箭正在研製之中，其運載能力將達到25噸。基本與國際上的頂級水平相當，可以滿足在低軌道發射空間實驗室的需要，也可以在高軌道為月球探測、其他深空探測服務。 據中國運載火箭技術研究院長征2F火箭總設計師劉竹生介紹，在發射空間實驗室時，現有的用於「神六」的長征2F運載火箭適應不了大推力的要求，所以必須搞新一代大型運載火箭。過去，我國研製的火箭用的是單發動機，未來的新一代運載火箭將採用雙發動機技術。雙發動機分別用不同的推進劑，一種發動機燒液氫液氧，一種燒液氧煤油。現在的火箭用的推進劑是有毒的四氧化二氮，而液氫液氧產生的化合物只有水，所以它是清潔、環保的能源。 "長征五號 "是一種無毒無污染的高性能火箭，有4個助推器，身高59.5米，起飛重量為643噸，起飛推力為833.8噸。與現有的運載火箭相比，新一代運載火箭近地軌道的運載能力能從現在的10噸提高到25噸，地球同步轉移軌道的運載能力可以從現在的5.5噸提高到14噸。 長征五號運載火箭總設計師李東介紹說，14噸的運載能力意味著可以發射更重的、功能更全的衛星，可以進行一箭多星的發射，提高它的發射效率和組網的速度。25噸意味一次可以把25噸的載荷送入到地球的低軌道，也就是"神舟"飛船運行的這樣一個軌道，可以進一步發展空間站，空間實驗室。 據了解，目前長征五號火箭的120噸級液氧煤油發動機首次整機試車已經成功，第一階段技術方案的論證和設計工作基本完成，計劃在今年年底進入第二階段，也就是初樣研製階段。 由於新型大推力火箭直徑達到了5米，很難通過鐵路或公路運到中國已有的發射廠，因此火箭的研製、產業化基地選在了靠海比較近的天津濱海新區，發射基地選在了海南的文昌。 正在建設的中國大運載火箭長征五號的產業化基地，項目總投資達到45億元，規劃建築面積50萬平方米。在2009年年底一期工程完成以後，可以滿足新一代運載火箭的研製需要。 中國現在的運載火箭進入了一個高密度的發射時期，這個基地的建成，能夠滿足未來30年，每年年產20到30發這樣的運載火箭的生產能力，平均每月2枚。
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