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发布时间:2019-07-22 16:30 来源:科普中国

  出品:科普中国
  制作:太空精酿
  监制:中国科学院计算机网络信息中心
  2019年7月19日21时06分,在轨运行1036天后,天宫二号受控离轨并再入大气层,少量残骸落入南太平洋预定安全海域,标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务圆满完成。
  天宫二号,一次在中国载人航天史上具有里程碑意义的任务,献上华丽终章,就此完美谢幕。今天,回头看它的每一幕,依然感到震撼无比。

 天宫二号(图源:中国载人航天)

  第一幕:“筚路蓝缕,以启山林”的中国载人航天逆袭之旅
  中国载人航天工程自1992年9月21日正式开始,又叫做921工程,这是新中国成立后最重要的科技工程之一,最终目标与国际同行完全一致:建立一个能多人长期驻留的大型空间站。
  在那个年代,能做到这个地步的仅有继承苏联遗产的俄罗斯“和平号”——当时人类唯一在轨的空间站。美国则专注于庞大而昂贵的航天飞机计划,平均一次任务花费高达近15亿美元(2000亿/135次),最后选择了跟俄罗斯合作共建国际空间站。欧洲、中国、印度、日本等则提出了各自的载人航天计划。如今看,很显然,世界范围内有且只有中国做成了,还一举打破了苏联/俄罗斯和美国自1960年代起在载人航天领域内的垄断,直到今天形成“三足鼎立”之势。
  罗马不是一天建成的,空间站也不是一天就能上天的。要想把空间站送上天,需要成熟的载人运载火箭系统、载人飞船系统、货运飞船系统、地面发射系统、长期在轨空间站、航天员训练系统、测控通信系统、着陆场回收系统、空间应用系统等多个系统全方面的支撑,缺一不可。
  因为适用于载人航天这个庞大系统工程的从来都不是 “木桶短板”理论,而是“木桶桶底”理论:有一个环节弱了,它就直接变成桶底,结果将是木桶连一滴水都装不了!
  中国载人航天工程在全面航天技术封锁的背景下,走出了一条艰辛无比但又坚持不懈的逆袭之路,啃下了一个接一个硬骨头。在天宫二号之前,已经取得了一系列重大技术突破:
  1999年11月20日,神舟一号发射,此时已经独立自主研发了7年时间,主要实现两个突破:载人火箭长征2F和实验性质的飞船测试,仅飞行21小时。
  2001年1月10日,神舟二号发射,主要实现一个突破:飞船大幅改进和长时间稳定的飞船导航制导与控制。
  2002年3月25日,神舟三号发射,主要实现一个突破:经过两次测试后,正式将飞船定型。
  2002年12月30日,神舟四号发射,主要实现一个突破:全面检测飞船的逃逸系统、生命维持系统和返回系统,最后一次全面检验载人航天技术。

 杨利伟成为中国航天划时代发展的见证者(图源:中国载人航天办公室)

  2003年10月15日,神舟五号发射,主要实现一个突破:杨利伟升空,中国打破苏美垄断,成为世界第三个能实现独立自主载人航天的国家。
  2005年10月12日,神舟六号发射,主要实现一个突破:多人多天任务,费俊龙和聂海胜在太空中停留了5天,远超杨利伟的21小时。
  2008年9月25日,神舟七号发射,主要实现一个突破:出舱行走,由翟志刚完成,这是一个极其重要的突破。
  2011年9月29日,天宫一号发射,实现一个重大突破:中国首个空间站/实验室,它超期服役了两倍寿命。
  2011年11月1日,神舟八号发射,主要实现一个突破:无人情况下对接天宫一号目标飞行器。

中国两位最美航天员王亚平和刘洋(图源:中国载人航天办公室)

  2012年6月16日,神舟九号发射,主要实现两个重大突破:载人情况下与天宫一号两次对接,中国第一位女性航天员刘洋。
  2013年6月11日,神舟十号发射,主要实现一个重大突破:对接天宫一号,多人次短期在空间实验室生存。
  上述任务每一个都是大的技术突破,也没有任何两次任务是重复的,且实现之后立即攻克更难的下一步。如果技术难就多花几年,技术相对简单就快一些,从时间轴上就能看出来绝对是独立自主发展,一步一个脚印。
  而总体上,中国载人航天工程分为三步走:第一步实现航天员天地往返,神舟一号至六号已实现;第二步全面突破发展空间站的核心技术,如航天员出舱行走、空间交会对接、空间实验室、货运补给、多人中长期生存;第三步,建立大规模长期载人驻留的空间站。
  神舟十号任务之后,中国载人航天迎来了最重要的节点:到底能不能研制出可以长期在轨的空间站?是否能实现多人次长期在轨生存?如果长期生存,如何解决货运补给问题?在完成基本工程任务之后,能不能用空间站做世界级科学研究?能不能给载人航天第二步做一个总结,开始进入第三步?
  带着这些疑问,天宫二号应运而生!
  第二幕:载人航天工程的“一大步”
  2016年9月15日22时04分12秒,天宫二号发射。它的主要目标是:在天宫一号的基础上全面升级,验证货运飞船交会对接和货运补给技术,测试多人长期在轨生存,进行多项空间科学应用实验,为建立天宫空间站做最后的准备和测试。

 天宫二号发射瞬间(图源:中国航天科技集团)

  10月17日,神舟十一号发射,载有航天员景海鹏和陈冬。10月19日凌晨,飞船与天宫二号成功自动对接,随后二人实现了一项新的中国载人航天记录:最长在轨生存时间,长达33天! 
  老将景海鹏更是三入太空,作为唯一进入过天宫一号和天宫二号的航天员,景海鹏的直接感受也说明了天宫二号的全面内部升级:“天宫一号比较舒服,天宫二号更舒服,装修、颜色搭配都非常好!”。
  好一个傲娇又带着那么一点小雀跃的评价!任务期间,景海鹏也在天宫二号内部庆祝了自己的50岁生日。有一个值得关注的细节,两人在空间站经常收看新闻联播的直播,这背后其实凸显着我国全球中继卫星系统“天链一号”的强大支撑。要知道,目前能实现全球覆盖的只有美国和中国。

天舟一号与天宫二号顺利对接(图源:中国载人航天办公室)

  长期的载人航天任务有一个重大需求:货运补给和在轨燃料补加。相当于既要给“司机”们送饭送水清理环境,又要给“汽车”加油保养。完成这个任务的,就是2017年4月20日发射并于两天后与天宫二号顺利对接的天舟一号。而且,这一切都是在“太空高速公路”上“不停车”完成的,二者的飞行速度都在26000千米/时以上,远超普通汽车!
  天舟一号是中国目前唯一的一次货运飞船任务,也是中国航天史上发射过的最重的载荷,重达13吨!相比起来,天宫二号实际上仅有8.6吨。在为期五个月的任务中,天舟一号进行了数次极其重要的工程技术实验。
  它先后三次与天宫二号对接,一次是常规对接;一次是从天宫二号后方5千米绕飞至前方5千米,二者掉头对接;一次是空间快速交会对接,以节省时间提高效率为第一要务。它还先后三次对天宫二号进行在轨燃料补加,类比飞机的“空中加油”,这可以叫做“太空加油”了。任务期间,两个航天器还各自释放了伴飞小卫星。天宫二号的外置机械臂实验,也为后续任务奠定了重要基础。
  最终,天舟一号在2017年9月22日受控离轨,焚毁在大气中,残骸陨落在南太平洋的“航天器坟场”。蜡炬成灰泪始干,在生命的最后一刻,天舟一号又验证了一项核心技术。

 
  在此期间,天宫二号也没有闲着,它还继续进行着各项任务。2018年6月,它还进行了一次在400千米到300千米之间的“后空翻”,惊艳众人。这是中国大型航天器大规模机动变轨能力的一次技术测试。天宫二号,依然在发挥最后的价值。
  天宫二号和神舟十一号、天舟一号非常高效率的任务成果,直接使得我国原计划的天宫一号、二号、三号三个任务“三步并作两步”,圆满完成载人航天工程第二阶段全面目标,下一步就是开建终极版本——天宫空间站。
  总体而言,中国11艘神舟、1艘天舟和2个天宫取得的工程成就,效果几乎等于美国 26次水星计划、10次双子座计划、1次天空实验室计划,或者苏联6次东方系列、2次上升系列、53次联盟系列和7个礼炮号空间站系列任务!绝对称得上是成果斐然!
  第三幕:载人航天到底能做怎样的科研?
  建立长期在轨驻留空间站的最主要目的还是服务于科学研究,把它作为一个飞行在空中的、微重力环境的“国家实验室”,成为服务于各大科研机构的平台。
  但由于我国载人航天此前聚焦的都是各种从0到1的工程技术突破,科学研究方面的贡献一直是个弱项。在天宫二号上,科学研究终于迎来了重大发展。
  携带了国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器,这是中国瑞士合作项目。研究成果丰硕并发布在顶级学术期刊《自然·天文学》上,这是自人类发现伽马暴以来取得的最佳偏振观测结果,对于科学家理解黑洞形成和演化等有巨大意义。
  世界首台空间激光冷却冷原子钟,任务期间非常成功,实现了每3000万年才差一秒的精度,将航天器自主守时精度提高了两个数量级。

 培养皿中的拟南芥(图源:新华网)

  高等植物“从种子到种子”的空间长周期培养实验,包括水稻和拟南芥等。这对于人类发展空间植物培养技术和探索保障人类长期空间生存有着重要意义。种菜是中国人的“种族天赋”,航天员们也把它带到了太空。
  空间生物实验。两位航天员还养了可爱的“蚕宝宝”,它们在任务期间内吐丝结茧,“吸粉”无数。
  航天医学的长期宝贵观测数据。在33天的载人时间内,两位航天员的身体表现(一位50岁,一位38岁)积累了大量航天医学数据。
  空—地量子密钥分配与激光通信试验。这一试验将中国量子通信技术推到了新高度。
  对地测绘遥感。空间站本身是个长期在轨的平台,对于地球科学研究意义重大,它所携带的三维成像微波高度计和空间环境分系统等工作成效显著。
  材料科学等。例如液桥热毛细对流实验、多样品材料空间生长实验等,都是未来空间站的研究重点。
  人类首次太空脑机交互实验。简而言之,就是将航天员的思维活动转化为操作指令,这也是航天领域的一大创新。
  除此之外,天宫二号还进行了很多科学实验。总而言之,它成为了真正意义上的“空间实验室”,对于天宫空间站的建设有着重大意义。
  华丽终章:还是要说再见
  无论多么不舍,还是要跟天宫二号说再见。
  航天器在太空中飞行会受到众多因素影响,除了地球引力之外,还有地球引力分布不均匀、太阳/月球/木星/金星引力、太阳光压、稀薄大气阻力、地球反射/辐射光压、海洋/大气潮汐引力等诸多因素。对于国际空间站、航天飞机、天宫实验室、神舟飞船、天舟货运飞船这些飞在400千米高轨道的低轨航天器而言,大气阻力则成为致命杀手,需要定期维持轨道高度。


  例如,天宫一号任务期间,太阳活动处在高峰,电离层/大气层比较活跃,受到空气阻力影响更大,需要更频繁维持轨道。而当燃料耗尽、轨道维持停止后,便会逐渐自然再入大气并焚毁。而对于天宫二号这类受控再入情形,则可以清楚看到区别:它会在极短时间内,直接再入大气焚毁。
  很多人都担心航天器残骸问题。事实上,由于太阳系内的太空环境和人造的太空垃圾存在,地球每天都有超过100吨物质闯进大气层,但人类仅能偶尔看到一些流星,极其罕见情况下能捡到陨石,绝大部分情况这些物质都会完全焚毁或掉在人迹罕至的地方。

 天宫二号和一号尺寸类似,但它们比起其它再入大气的大家伙都是“小不点”(图改编自NASA)

  人类航天发展了60余年,虽然已经发射了数以千计的航天器,但尚未有过在轨航天器再入大气时对人类造成直接伤害的先例。天宫一号和天宫二号仅是8.6吨的小家伙。比起历史上再入大气的7个礼炮号空间站(18.5-19.8吨)、天空实验室空间站(77.1吨)、和平号空间站(129.7吨)小很多,且它没有再入大气热防护措施,理论上讲对人类的危害基本为0。
  但为了保险保险再保险,本次天宫二号任务终结时,还是选择发动机启动并控制进入大气层角度和轨迹,最终基本通过与大气摩擦全部焚毁,如果有残渣也会落入南太平洋。这里是整个地球上最孤寂的区域,方圆数千万平方公里的区域中,都是茫茫大洋,几乎没有人类生存。
  最终,天宫二号,这一见证中国航天里程碑发展意义的航天器,会和天宫一号、天舟一号一起长眠于此。
  因为这一系列伟大航天器打下了的坚实基础,下一步的中国载人航天发展就是等待天宫空间站全面开建!
  天宫二号,不想和你说再见,但最后还是不得不说:再见!

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