我國首個空間實驗室—天宮-2入軌

2016年9月15日22：04，天宮-2空間實驗室由長征-2F T2運載火箭發(fā)射升空，之后準確進入預(yù)定軌道，并展開太陽電池翼，此次發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功！

天宮-2是我國第一個真正意義上的空間實驗室，全長10.4m，最大直徑3.35m，太陽電池翼翼展達18.4m，質(zhì)量8.6t，采用實驗艙和資源艙兩艙式構(gòu)型，設(shè)計在軌壽命不小于2年。

長征-2F T2火箭與之前的長征-2F T1運載火箭技術(shù)狀態(tài)基本一致，為了進一步提高安全性與可靠性，進行了部分技術(shù)狀態(tài)更改。這是“長征”系列運載火箭的第236次飛行。

1　計劃概述

天宮-2空間實驗室是我國載人航天第二步第二階段任務(wù)中第一個升空的航天器，主要完成三大任務(wù)：

一是接受神舟-11載人飛船的訪問，完成航天員30天中期在軌駐留的任務(wù)，考核面向長期飛行的乘員生活、健康和工作保障等相關(guān)技術(shù)；

二是接受我國首艘貨運飛船天舟-1的訪問，考核驗證推進劑在軌補加技術(shù)，并成為我國第一個具備太空補加功能的載人航天器；

三是開展大規(guī)?？臻g科學和應(yīng)用實驗，以及在軌維修和空間站技術(shù)驗證等試驗。

天宮-2進行熱試驗

航天員看電視新聞示意圖

由于搭載了較多實驗設(shè)備，所以為了保持與2011年升空的天宮-1目標飛行器相同的質(zhì)量，科研人員對設(shè)計方案進行了一些調(diào)整和改變。在乘組人數(shù)方面，這次減少了1位航天員，只有2位，這主要是為了使航天員能夠在軌駐留30天，還可以把省出的質(zhì)量用于多搭載一些實驗設(shè)備。在燃料方面，這次發(fā)射時天宮-2攜帶的推進劑比天宮-1時要少一些，因為在2017年4月，天宮-2和天舟-1貨運飛船對接時，天舟-1還可以為天宮-2補加推進劑。

天宮-2空間實驗室發(fā)射升空后，先進入近地點200km、遠地點350km的初始軌道，之后變軌進入高度約380km的運行軌道，進行在軌測試。在神舟-11載人飛船10月中下旬發(fā)射前，天宮-2進入高度為393km的近圓對接軌道，等待與飛船交會對接。

天宮-1與飛船的對接高度約343km。為了驗證空間站技術(shù)，天宮-2與飛船的對接高度為393km，對星下同一地點的重訪周期也從2日增加到3日。這與未來我國空間站運行的軌道高度基本相同，比之前的軌道提高了50km，飛行任務(wù)的軌道控制策略與測控模式更加接近未來空間站要求。因為軌道特性不一樣，每一圈轉(zhuǎn)的時間也就不一樣了，所以設(shè)計人員進行了重新分析計算。

按計劃，天宮-2發(fā)射升空后將開展平臺和空間應(yīng)用載荷測試，并于神舟-11載人飛船發(fā)射前做好與神舟-11飛船交會對接的準備。一是進行平臺和應(yīng)用載荷的在軌測試，包括完成平臺姿軌控、供配電、信息傳輸與控制等方面的性能測試，以及交會對接支持、航天員駐留支持等功能檢查，完成應(yīng)用載荷的功能性檢查和測試，此后轉(zhuǎn)入獨立運行模式，開展部分空間科學實驗；二是在神舟-11載人飛船發(fā)射前，天宮-2將再次進行狀態(tài)和功能檢查，確認是否滿足載人交會對接條件和駐留要求，并將軌道調(diào)整至高度為393km的近圓對接軌道。

后續(xù)按計劃進行，神舟-11載人飛船將于10月中下旬在酒泉發(fā)射場發(fā)射，入軌后經(jīng)變軌調(diào)相，與天宮-2交會對接構(gòu)成組合體，航天員進入天宮-2，開展空間科學實驗和技術(shù)試驗。組合體運行第30天時，神舟-11與天宮-2分離，航天員乘返回艙返回四子王旗主著陸場。天宮-2繼續(xù)在軌飛行。

2017年4月，將用長征-7火箭發(fā)射天舟-1貨運飛船，天舟-1入軌后經(jīng)變軌調(diào)相，與天宮-2交會對接構(gòu)成組合體，進行推進劑補加試驗等。天舟-1完成組合體?？咳蝿?wù)后與天宮-2分離，開展搭載載荷試驗。天宮-2繼續(xù)在軌飛行，開展空間科學實驗與技術(shù)試驗。

發(fā)射天宮-2是全面完成我國空間實驗室階段任務(wù)的關(guān)鍵之戰(zhàn)，將為我國后續(xù)空間站建造和運營奠定堅實基礎(chǔ)、積累寶貴經(jīng)驗，對于推進我國載人航天事業(yè)持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

2　溫馨的家

天宮-2空間實驗室是在天宮-1目標飛行器備份產(chǎn)品的基礎(chǔ)上改進研制而成的。與天宮-1相比，天宮-2在外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量上基本沒有變化，但是由于天宮-2執(zhí)行的任務(wù)與天宮-1的明顯不同，所以其“內(nèi)心”有很大的變化，科研人員主要圍繞其三大任務(wù)開展了很多新的設(shè)計工作?？梢哉f天宮-2 比天宮-1飛得更高、實驗更多、時間更長。

神舟-11在10月與天宮-2對接后，航天員將在天宮-2駐留30天，加上獨立飛行3天，總飛行時間將從神舟-10的15天增加到33天，所以是我國持續(xù)時間最長的一次載人飛行任務(wù)。為了滿足航天員中期駐留需要，對天宮-2的載人宜居環(huán)境做了重大改善，進行了“精裝修”，以具備支持2名航天員在軌工作、生活30天的能力?？蒲腥藛T對系統(tǒng)開展了宜居環(huán)境設(shè)計，集成了內(nèi)部裝飾、艙內(nèi)活動空間規(guī)劃、視覺環(huán)境與照明、廢棄物處理、物品管理、無線通話等宜居技術(shù)，改善了就餐和睡眠環(huán)境，增加了鍛煉設(shè)備和娛樂設(shè)施，改進了內(nèi)飾，硬制的、軟制的扶手等，為航天員提供了舒適、人性化的空間家居環(huán)境。這些變化可以使航天員駐留期間的生活和工作更加舒適、便利和豐富多彩。

例如，在天宮-2上首次使用了可展開的多功能小平臺，航天員能在上面寫字、吃飯和做科學實驗，從而生活工作兩不誤；在通信方面，為航天員配備了藍牙耳機和藍牙音響；用地板取代了地毯，避免有“一踩一個坑”的感覺；艙內(nèi)燈光采用米黃色色調(diào)，亮度可手動調(diào)節(jié)，并為每個航天員安裝了床前燈；在多個區(qū)域增加不少硬質(zhì)扶手，并引入了駐留腰帶、頭戴式無線藍牙耳麥等設(shè)計來解放航天員的雙手；在鍛煉器材方面，除有動感單車、拉力器外還增加了跑臺，并且為航天員量身定制“健身神器”——骨丟失對抗儀。多功能小平臺和跑臺采用了折疊方式進行收納，以最大程度地節(jié)省空間。借助天地鏈路，通過地面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，航天員可與地面實現(xiàn)視頻互動，還能在軌閱讀電子書或期刊。值得一提的是，在天宮-2的睡眠區(qū)里，設(shè)計師們還專門增加了“云插座”，可供航天員與家人進行私密通話。

航天員在跑臺鍛煉示意圖

通過采取設(shè)備分區(qū)安裝、增設(shè)吸能裝置、優(yōu)化消聲裝置等方法，天宮-2把航天員工作區(qū)和生活區(qū)的噪音控制在了50dB這一適宜的程度。為了避免夜間天宮-2飛行進出測控區(qū)時的語音通報影響航天員睡眠，科研人員還特意設(shè)計增加了進出測控區(qū)語音通報“使能或禁止功能”，航天員可以根據(jù)需要自行決定是否屏蔽測控區(qū)的語音通報。另外，天宮-2所攜帶的熱控系統(tǒng)可以將密封艙的空氣溫度控制在22～24℃，相對濕度控制在45%～55%這樣一個人體最舒適的環(huán)境。

科研人員為天宮-2漆上了不同的顏色，四周的墻面選擇了明亮的米白色，底部選擇了深灰色，工作臺等面板采用了天藍色。這一多層次的顏色劃分，有望帶給航天員一種清爽的感覺。值得一提的是，這種漆是由航天人專門打造的“航天漆”，其首要技術(shù)指標就是“環(huán)?！?，不能含有任何有毒、有害成分。因為在太空環(huán)境中沒有了重力、氣壓的束縛，物質(zhì)的揮發(fā)速度是在地面上的數(shù)倍，一旦密閉的艙體內(nèi)使用的涂料含有有毒物質(zhì)，那將直接危害到航天員的健康。為了保障航天員在太空的空氣質(zhì)量，還專門研制了環(huán)控檢測裝置，它可以同時完成“太空之家”內(nèi)二氧化碳、乙醛等20多種氣體及有害微生物的濃度監(jiān)測，一旦有害物質(zhì)含量超過預(yù)警值，就會立即報警并指示航天員按照預(yù)定方法進行處理，以保證航天員的生命安全。

3　技術(shù)試驗

我國未來的空間站是長期在軌飛行的，其上的推進劑會不斷消耗，所以要定期進行補加。天宮-2的任務(wù)之一就是要掌握這項技術(shù)，即通過和貨運飛船交會對接，把貨運飛船的推進劑補加到天宮-2上，這個技術(shù)難度還是比較大。為了滿足推進劑補加驗證試驗需要，對天宮-2推進分系統(tǒng)進行了適應(yīng)性改造，增加了推進劑補加系統(tǒng)，配置了壓氣機等設(shè)備，采用了全新的儲箱設(shè)計。它與貨運飛船將首次應(yīng)用推進劑在軌補加技術(shù)，使我國成為繼俄羅斯之后第二個在軌應(yīng)用補加技術(shù)的國家。這一技術(shù)研究成果可直接應(yīng)用于后續(xù)空間站工程。天宮-1上天時攜帶的推進劑足足有1t多。由于可以在軌補加推進劑，所以天宮-2只加了半箱“油”，節(jié)省的質(zhì)量可以攜帶更多的載荷產(chǎn)品和航天員的生活物資。

為了后續(xù)空間站的建設(shè)，安排了在軌維修技術(shù)驗證和機械臂維修操作驗證系統(tǒng)，以滿足對空間站的維修體系進行全面驗證的需求。因為將來空間站在軌飛行時間更長，很多東西需要進行維修、更換。所以天宮-2配備了在軌維修技術(shù)驗證裝置、機械臂操作終端在軌維修試驗設(shè)備，專門搭建了在軌維修的一套（驗證）系統(tǒng)。例如，首次搭建了由機、電、液等部件組成的液體回路驗證系統(tǒng)，用于驗證空間站維修技術(shù)；首次搭載了機械臂操作終端試驗器，開展我國人機協(xié)同太空在軌維修試驗，為以后空間站任務(wù)提供技術(shù)儲備。值得一提的是，天宮-2的系統(tǒng)設(shè)計是模塊化的，也就是說它出現(xiàn)問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內(nèi)空間領(lǐng)域?qū)儆谑讋?chuàng)。

科研人員通過合并同類項的理念，對天宮-2的供配電、熱控、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)實現(xiàn)了高度集成化模塊設(shè)計，打造出了可快速更換的模塊單元。就拿智能配電單元來說，整合了產(chǎn)品長壽命、高可靠、操作方便等要求，在我國航天器上首次采用了“插拔式”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在地面的模擬試驗中，科研人員只需用幾分鐘就能完成一次維修更換。

天宮-2上新安裝的機械臂將測試開展艙外搬運和維修。為了研制這條臂展超10m的“手臂”，突破了16項關(guān)鍵技術(shù)，首次采用了自主爬行和雙臂組合操作的模式，以實現(xiàn)大范圍大負載操作以及局部精細化操作。

為保證儀器設(shè)備和結(jié)構(gòu)的溫度，同時為航天員提供舒適的溫濕度環(huán)境，天宮-2擁有一套卓越的“空調(diào)系統(tǒng)”。為了節(jié)省寶貴的電資源，該“空調(diào)系統(tǒng)”無需使用壓縮機，而是利用外太空的冷背景和單相流體回路的熱量收集和傳遞功能，將密封艙內(nèi)的儀器設(shè)備產(chǎn)熱、化學產(chǎn)熱和航天員產(chǎn)熱共計幾千瓦的熱量通過輻射器排散到外太空。而“基于單相流體回路的熱總線技術(shù)”能將整器需要降溫的設(shè)備熱量收集起來，把這部分廢熱傳遞到需要補熱的低溫結(jié)構(gòu)上，省去了低溫結(jié)構(gòu)補熱的電加熱功耗，實現(xiàn)了天宮-2的熱量綜合管理和高效利用。據(jù)悉，這套“空調(diào)系統(tǒng)”功率僅有220W左右，實現(xiàn)了高效節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)。

此外，針對空間實驗室階段目標的諸多變化，設(shè)計師們?yōu)闊峥叵到y(tǒng)增強了適應(yīng)能力，實現(xiàn)了壓氣機溫度接口的精確控溫和密封艙溫度的精確調(diào)節(jié)。而智能化的熱控核心控制設(shè)備實現(xiàn)了熱控設(shè)備在軌故障的自主診斷、隔離和處置，實現(xiàn)了“空調(diào)系統(tǒng)”的高可靠性。

同天宮-2一起升空的還有1顆伴隨小衛(wèi)星，它將從天宮-2上釋放出去，然后與天宮-2伴飛，開展聯(lián)合試驗。它搭載了多個試驗載荷，并具備較強的變軌能力，根據(jù)設(shè)計，它在開展空間任務(wù)時還具有較好的靈活性與機動性。在軌任務(wù)期間，它將開展對天宮-2和神舟-11空間組合體的飛越觀測等試驗，即用高清相機拍攝組合體的對接狀態(tài)，為空間飛行器交會對接提供直接的影像技術(shù)支持，并拓展空間技術(shù)應(yīng)用，包括探測空間碎片。此外，天宮-2伴隨衛(wèi)星使用的是2500萬像素全畫幅相機，比神舟-7釋放的伴隨小衛(wèi)星在分辨率和精細度上實現(xiàn)了新升級。

4　科學實驗

為了開展大規(guī)?？臻g科學和應(yīng)用實驗，天宮-2搭載了全新配套的空間應(yīng)用系統(tǒng)的科學設(shè)備，而且無論在數(shù)量上還是安裝復(fù)雜程度上，都創(chuàng)造了我國歷次載人航天器任務(wù)之最。它搭載了空間冷原子鐘等14項應(yīng)用載荷，以及失重心血管研究等航天醫(yī)學實驗設(shè)備，其中有兩項實驗是航天員直接參與操作的。它們主要涉及微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環(huán)境監(jiān)測、對地觀測及地球科學研究應(yīng)用以及應(yīng)用新技術(shù)試驗等8個領(lǐng)域。

這些實驗項目絕大多數(shù)觸及當今世界最前沿的探索領(lǐng)域，有望取得一批重大應(yīng)用成果，如“空-地量子密鑰分配與激光通信實驗”、“熱毛細對流空間實驗”、“微重力下植物全生育發(fā)展過程實驗”等。同時，天宮-2搭載了全球第一臺冷原子鐘進入太空，進行相關(guān)科學領(lǐng)域的試驗驗證。其中的γ射線暴偏振探測儀（POLAR）和失重心血管功能研究為國際合作項目。另外，天宮-2上還搭載了香港中學生太空科技設(shè)計大賽獲獎的雙擺實驗裝置、薄膜成型實驗裝置、太空養(yǎng)蠶實驗裝置3個實驗項目，用于開展航天科普活動。

天宮-2上裝載的世界第一臺空間冷原子鐘，同時也是目前在空間運行的最高精度的原子鐘，有望實現(xiàn)10-16秒量級的超高精度，將目前人類在太空的時間計量精度提高1～2個數(shù)量級，也就意味著這個鐘運行約3000萬年才會產(chǎn)生1s的誤差，這是該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先水平。它將對衛(wèi)星定位導(dǎo)航、引力波探測等空間科學研究產(chǎn)生重大影響。在地球上，引力的影響可能會造成鐘表的偏差。而在太空的飛行器上放置鐘表，則會免除引力的因素，達到更高的精度。此外，將冷原子鐘放置在太空，還能更方便地對其他衛(wèi)星上的原子鐘進行時頻傳遞和校準。由于從地面向太空發(fā)射時間信號時，會受到大氣和電離層的種種干擾，難免出現(xiàn)誤差。

其上名叫“天極”的γ射線暴偏振探測儀將探測研究遙遠宇宙中突然發(fā)生的γ射線暴現(xiàn)象和太陽耀斑，并在國際上首次對γ射線暴的偏振性質(zhì)實現(xiàn)高精度、高靈敏度和系統(tǒng)性地測量，從而深入地研究宇宙結(jié)構(gòu)、恒星演化、黑洞形成以及γ射線暴爆發(fā)的物理機制，為更好地理解極端天體物理環(huán)境下產(chǎn)生的這種宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象做出重要貢獻。它將填補在當前γ射線暴觀測中缺少高靈敏度偏振測量手段的空白。

其上的“量子密鑰分配試驗空間終端”，將通過高精度自動跟瞄系統(tǒng)與量子密鑰分配地面終端配合，在地面站與目標飛行器之間建立起量子信道，并在此基礎(chǔ)上進行空-地量子密鑰分配實驗。其目標為實現(xiàn)世界上首個基于載人航天空間平臺的空-地量子密鑰分配演示實驗，為載人航天的空地間量子保密通信，以及未來的實用化天地一體廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)打下基礎(chǔ)。

空間冷原子鐘

液橋熱毛細對流實驗

紫外臨邊成像儀的環(huán)形光譜成像儀

其上的寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀等新一代對地觀測遙感儀器和地球科學研究儀器，技術(shù)體制新，指標先進，這些載荷的應(yīng)用將會提高我國在全球氣候變化研究、大氣污染和大氣成分監(jiān)測等領(lǐng)域的技術(shù)水平，產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟效益。其中的三維成像微波高度計是國際上第一次實現(xiàn)寬刈幅海面高度測量并能進行三維成像的微波高度計，它采用小角度、高精度干涉測量技術(shù)，能精確獲得海面的干涉條紋信息，進而獲得三維海面形態(tài)，再經(jīng)過復(fù)雜的定標最終獲得寬刈幅范圍內(nèi)的海平面高度測量。

其上的空間環(huán)境分系統(tǒng)主要用于實時監(jiān)測天宮-2軌道上的輻射環(huán)境和大氣環(huán)境，實現(xiàn)艙外16個方向的電子、質(zhì)子等帶電粒子的強度和能譜監(jiān)測，以及軌道大氣密度、成分及其時空變化與空間環(huán)境污染效應(yīng)監(jiān)測等。

將開展Prand tl數(shù)液橋熱毛細對流穩(wěn)定性相關(guān)問題的研究，研究在空間微重力環(huán)境下熱毛細對流的失穩(wěn)機理問題，拓展流體力學的認知領(lǐng)域，取得具有國際先進水平的研究成果。為生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，就要科學地控制單晶硅在晶體生長過程中浮力對流和熱毛細對流的影響，而太空特有的微重力環(huán)境將使科學家能深入剖析熱毛細對流的真實過程。突破并掌握微重力環(huán)境下的液橋建橋、液面保持和失穩(wěn)重建等空間實驗關(guān)鍵技術(shù)，從而進一步提升我國微重力流體科學的空間實驗?zāi)芰图夹g(shù)水平。

將利用微重力開展包括半導(dǎo)體光電子晶體材料、納米復(fù)合和新型金屬基復(fù)合材料等在內(nèi)的12項材料的生長與制備，揭示在地面重力環(huán)境下難以獲知的材料物理化學過程的規(guī)律。預(yù)期可獲得高質(zhì)量的空間材料樣品，在模型材料的結(jié)構(gòu)、功能、工藝參數(shù)等方面獲得有價值的科學研究成果。

高等植物擬南芥、水稻的培養(yǎng)實驗

寬波段成像光譜儀

為此，專門研制了一套綜合材料實驗裝置（簡稱“實驗裝置”）。這套實驗裝置由“材料實驗爐”（簡稱“爐子”）、“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構(gòu)成。整個裝置質(zhì)量共約27.6kg，最大功耗不到2 00W（而一般電水壺的功率也要1000～1800W），相當于2個100W白熾燈，卻能實現(xiàn)真空環(huán)境下最高950℃的爐膛溫度。

計劃通過“實驗裝置”進行18個樣品的空間實驗，其分三批次進行，每批次6個。第一批次樣品隨材料實驗爐發(fā)射升空后直接在艙內(nèi)進行實驗，待交會對接之后由航天員進行材料實驗爐的開蓋換樣品操作，這將是中國航天員首次進行在軌操作的空間材料科學實驗。航天員在軌將完成兩次開蓋換樣品的操作，之后將完成實驗的兩批樣品帶回地面，供科學家解剖分析研究。第三批次的6個樣品將留軌進行裝置熱特性測量的實驗，數(shù)據(jù)傳回地面進行分析研究。

其上將開展兩種代表性的植物——擬南芥和水稻的培養(yǎng)實驗，分別提供長日照和短日照的培養(yǎng)條件，這也是國際上首次在同一空間培養(yǎng)箱中同時實現(xiàn)長日與短日植物的培養(yǎng)與實時觀察。該實驗著重探索在太空環(huán)境中如何控制植物開花結(jié)種的技術(shù)與方法，為建立保障人類長期空間生存所必需的生命生態(tài)支持系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

隨著天宮-2的發(fā)射，我國就具備了開展較大規(guī)模空間實驗和空間應(yīng)用的條件，從而使我國載人航天事業(yè)開始進入應(yīng)用發(fā)展的新階段。

宗核/文

China’s First Space Laboratory TG-2 Entered Orbit