编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗？”等框图形式在文中给出。 

为什么要建造空间站（之三）

王柏懿

4.3 “神州”“天舟”助力“天宫”工作

   小朋友们现在知道了空间站是人类探索、征服宇宙的重要工具。为了太空竞赛，苏联和美国先后建造了自己的空间站，最终他们实现了太空握手，并且和其它14个国家一起合作建起了“国际空间站”。但是，美国一直不接受咱们中国参加“国际空间站”的合作计划。于是，中国就决定开建自己的空间实验室啦！ 

　　“天宫一号”是我国首个空间实验室的名称，学名叫做“目标飞行器”。它包括实验舱和资源舱两个舱体，全长10.4米，最大直径3.35米，重量8.5吨。首先来看实验舱吧！它分为三个部分：前锥段、圆柱段和后锥段。前锥段和圆柱段是航天员在轨道上短期驻留期间的生活、工作空间，可以容纳3名航天员，因此是密封的结构。在前锥段的端头部还装有对接设备，可以和追踪飞行器实现空间交会对接。后锥段用来安装再生生命保障设备，是非密封的结构。至于资源舱，它内部装有发动机和电源装置，还有控制飞行姿态的陀螺等，外部安置有折叠式的太阳能电池帆板。 

　　“天宫一号”在2011年9月29日发射升空；在2011年11月3日成功与“神舟八号”实现了第一次对接；在2012年6月18日和2013年6月13日又分别实现了与“神舟九号”和“神舟十号”的交会对接。小朋友也许听说过，建设空间站的关键技术是“空间交会对接”。因为空间站是个庞然大物，不可能靠一个飞船一次送上太空的。一般情况下，飞船每次可以送上一两个舱段，再通过交会对接方式，逐步拼接成大型空间站。 

　　那么，小朋友要问：太空交会对接很困难吗？答案是“当然”。特别是对接，如果计算不准，就可能发生相撞事故。比如，1997年6月25日，俄罗斯“进步号”飞船在与“和平号”空间站对接时，就一头撞到了光谱舱上。这个碰撞事故不仅损坏了光谱舱的太阳能电池帆板，还造成光谱舱的空气泄漏。其次，它还难在需要十分精准。因为重达8吨多的目标飞行器和追踪飞行器都是以第一宇宙速度（7.9千米/秒）这样高的速度在轨道上做运行，而对接时要求它们之间的相对速度小于每秒1米，这个调整过程得多么精细啊！这里，“神舟八号”要做到精准的空间追赶，进入和“天宫一号”处在相同轨道面的交会对接点上。更困难的是，需要把两个在茫茫太空中的飞行器端头部的对接机构紧密地结合起来，精细的对接过程就像把6根纤细的丝线穿进微小的针眼那样。难怪人们把这个过程叫做“太空一吻”呢！ 

　　为了全面掌握空间交会对接技术，特别是检验组合体分离、飞船撤离等功能，“神八”还和“天宫一号”进行了二次对接。这样，它们在完成首次交会对接后，以组合体姿态在空间飞行了大约12天；然后按照北京航天飞行控制中心的指令，“天宫一号”与“神八”交会对接机构解锁，并通过对接面上4个被压缩的弹簧推杆的弹簧力，将两个航天器轻轻推开，组合体成功分离；随后，在地面控制下，“天宫一号”和“神八”再重新逐步靠拢，并重复完成了第一次对接的同样技术动作，最终实现二次对接，再次形成刚性组合体。“天宫一号”和“神八”最后一吻之后，它们的组合体又掉了个头，为“神八”回家做准备。最终撤离返回的时候，组合体不再调头，“神八”直接从前面撤离。2011年11月17日，“神八”的返回舱在内蒙古四子王旗安全地着陆。 

　　这样，咱们中国就成了世界上第三个自主掌握太空交会对接技术的国家，但是你知道吗？为了做到这点，中国航天人要付出多少代价呢？就只说对接机构吧：“神舟八号”和“天宫一号”一共安装了118个传感器、5个控制器、18个电机和电磁拖动机构，还有上千个齿轮轴承、数以万计的零件和紧固件。为此，航天部门的研制队伍进行了长达16年的科技攻关，在地面上进行了1101次对接试验、647次分离试验。小朋友们要记住啊：每一项航天飞行的成功都包含着研制人员的心和血！是的，有梦想，就要有付出。 

　　“天宫一号”自发射那一天起，就注定了是一个“昙花一现”的辉煌，她的身份只是验证用的实验室，设计寿命只有两年。在这两年时间里。“天宫一号”又和后续的两艘飞船亲密地相吻，完成了进一步的试验。如果说“神八”的使命是测试无人对接技术，而“神九”和“神十”就是进行载人的对接试验了：它们每次都带着3名航天员进入天宫工作和生活，其中包括女航天员刘洋和王亚平。2016年3月16日，“天宫一号”目标飞行器在超期服役三年后，正式终止数据服务，全面完成了它的历史使命：进行了太空交会对接技术的试验，初步建立短期载人、长期无人而且能够独立可靠运行的空间实验平台。当然，严格地说，“天宫一号”并不是空间站，而是一个“迷你型”的空间实验室，但它为我国将来建设长久的空间站做了重要的技术准备。 

　　中国航天人的步伐不会停留，2016年9月15日，“天宫二号”发射升空，这是中国第一个真正意义上的空间实验室。它除了进一步验证空间交会对接技术外，还要完成一系列实验和科研项目，包括接受“神舟十一号”载人飞船的访问，完成航天员中期驻留，考核面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障等再生式循环系统相关技术；接受“天舟一号”货运飞船的访问，考核验证推进剂在轨补加技术；利用新安装的机械臂，开展在轨维修和舱外搬运等空间站技术验证；开展地球观测、空间地球系统科学实验和空间应用新技术和航天医学等试验。2016年10月19日，“神舟十一号”和“天宫二号”成功对接；10月23日，“天宫二号”的伴飞小卫星成功释放；2017年4月22日，“天舟一号”和“天宫二号”成功对接。 

　　小朋友们要知道，被人们叫做“太空快递小哥”还身兼“太空加油”任务的“天舟一号”是到现在为止中国所发射过的最大型空间飞船，长10.6米，直径3.4米，展开太阳能电池帆板后宽度可达15米，它最多可以搭载接近6吨物资和2吨燃料，满载时全重为13吨。所以，说起和“天宫”对接的事情，“天舟”要比“神舟”更难些。是啊，这是要让高速飞行的两个“大块头”温柔拥抱嘛！而且，还要求它们表演“太空芭蕾”：“天宫二号”转体180度，天舟从天宫下方绕飞，同时转体180度，加速赶到天宫的前方，最终从“前”向与天宫进行了第二次交会对接。按照计划，天舟和天宫还要进行第三次交会对接。 

　　在上面这些先期试验完成、关键技术掌握了以后，咱们中国的空间站将会在2020年左右建成，在2022年全面运行。到那个时候，一个总重量不超过100吨的“天宫”将遨游在近地太空，它包括一个核心舱、两个实验舱、一架载人飞船、一架货运飞船。其中的核心舱又分为节点舱、生活控制舱和资源舱三个部分，是航天员的主要活动场所，而且是空间站的管理控制中心。这里的节点舱有5个对接口，用于对接实验舱和载人飞船。对接货运飞船的接口放在资源舱的尾部。小朋友可能注意到，节点舱还余下两个对接口。也许，它们就是为你们设计制造的“飞天号”和“梦想号”预留的位置吧？ 

　　未来“天宫”的每个舱段都具有自主飞行的能力，它们不会像国际空间站上的美国舱段那样，都需要使用昂贵的航天飞机来运输并使用大型的机械臂来安装。“天宫”要求有人长期驻守，设计的在轨运行时间为十年以上，航天员在空间站驻留可以达到一年以上。尽管中国这个未来的空间站在规模上不如国际空间站，但它将是一个有竞争力的空间科学研究平台。尤其是，国际空间站在那个时段就要退役，地球上空很可能只有咱们这一个空间站在运行，到时候我们可以开展国际合作，更好地和平开发、利用太空资源。 

　　让我们回过头来再看看空间站的建造过程时，就会发现飞船是功不可没的！首先，通过“神舟”、“天舟”和“天宫”的多次交会对接试验，中国航天人切实掌握了空间站搭建所必备的关键技术。其次，在“天宫”长期运行过程中，还必须依靠“神舟”和“天舟”接送人员和输运物质。所以，“神舟”、“天舟”不愧是“天宫”的好帮手！ 

（未完待续）