载人航天:飞天圆梦

作者: 时间:2021-06-17 点击数:

“载人航天是当今世界技术最复杂、难度最大的航天工程。”中国空间技术研究院空间站系统总设计师杨宏说,这个领域,代表了一个国家在科技和经济领域的实力。
环顾世界,提出过载人航天计划的国家不少,但几十年来,真正能够实现独立将人类送入太空的国家只有三个。如果说,载人航天是塔尖上的事业,那自主创新就是支撑中国航天人勇敢攀登的天梯。
据不完全统计,在我国近年来的1000多种新材料中,80%是在空间技术的牵引下研制完成的,有2000多项空间技术成果已移植到国民经济各部门。

 

10月1日,我国载人航天工程第三批预备航天员选拔工作正式结束。18名预备航天员,包括7名航天驾驶员、7名航天飞行工程师以及4名载荷专家,将参加中国载人航天工程第三步空间站运营阶段的飞行任务。
随着各项工作紧锣密鼓地展开,中国载人航天迈入“空间站时代”。
1992年,中国载人航天工程正式启动,并确立了“三步走”的发展战略。第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。
自此之后,一代代航天人自力更生、接续奋斗,从无人飞行到载人飞行,从一人一天到多人多天,从舱内实验到出舱活动,从单船飞行到组合体稳定运行,先后突破了一大批具有自主知识产权的核心技术,用不到三十年的时间跨越了发达国家半个世纪的发展历程。
国家实力的象征
2003年10月15日,中国第一艘载人飞船神舟五号搭载着航天员杨利伟顺利升空。经过21小时23分钟,在轨运行14圈之后,飞船安全着陆。中国也成为世界上第三个能独立将人类送上太空的国家。
这是一场跨越多年的漫长旅程。
1957年,苏联第一颗人造卫星开创了人类征服太空的时代。1961年4月12日,苏联航天员尤里·加加林乘坐东方一号飞船进行了人类首次太空飞行。同年5月5日,美国航天员谢泼德乘坐“自由7号”宇宙飞船,在太空停留了15分钟,成为人类历史上第二个太空人。
面对“两强”在太空领域取得的成就,毛泽东主席为之震惊,他问道:“我们怎么能算是强国呢?我们甚至无法把一颗土豆送上太空。”
20世纪70年代初,中国开始了载人航天领域的研究。在中国第一颗人造地球卫星东方红一号上天之后,当时的国防部五院院长钱学森提出,中国要搞载人航天。国家当时将这个项目命名为“714工程”(即于1971年4月提出),并将飞船命名为“曙光一号”。然而,由于资金技术等多方面限制,项目最终搁置。
此后20年,中国空间技术持续发展。特别是1975年,中国成功发射并回收了第一颗返回式卫星,使中国成为世界上继美国和苏联之后第三个掌握了卫星回收技术的国家,为中国开展载人航天打下了坚实基础。但即便如此,从中国载人航天工程正式立项,到中国第一位航天员顺利升空,也跨越了整整11年时间。
这是一项复杂而艰巨的浩大工程。
从国外载人航天历史上看,有人做过测算,按照所占GDP百分比计算,载人航天是有史以来花费最大的工程,超过了金字塔、长城、大教堂以及各时代的奇迹工程。
例如美国的航天飞机,每飞行一次费用高达5亿美元,一次维护需要耗资3亿~4亿美元。即便以高效经济著称的中国载人航天工程,按照载人航天工程办公室公布的数据,从工程启动到2005年完成神舟六号飞船发射,即完成载人航天工程第一步时,工程总花费也达到了约200亿元人民币。
这是一份充满风险的伟大事业。“上天”是这个世界上最困难的挑战之一。
载人航天,融汇了诸多现代尖端科技,运载火箭、载人飞船、航天飞机的结构复杂,零部件多达数万个,一个零部件不合格或发生故障,就可能造成事故。
例如,2003年,由于燃料箱外的一个泡沫碎块意外脱落,美国哥伦比亚号航天飞机在返航途中解体爆炸,7名航天员全部遇难。截至目前,已先后有22名航天员在人类探索与征服宇宙的道路上献出了宝贵的生命。
载人航天也被视为国力竞争中最具代表性的战略性工程之一。一个国家如果能将自己的航天员送入太空,不仅是国力的体现,而且也将在很大程度上提升民众的自豪感,提高民族精神,增强凝聚力。
环顾世界,提出过载人航天计划的国家不少,但几十年来,真正能够实现独立将人类送入太空的国家只有三个。载人航天俱乐部,只有真正的头部玩家才有资格加入。
邓小平曾说:“如果六十年代以来中国没有原子弹、氢弹,没有发射卫星,中国就不能叫有重要影响的大国,就没有现在这样的国际地位。”那么在21世纪,载人航天就是与之类似的实力代表。
自主创新的典范
2020年5月8日,我国新一代载人飞船试验船返回舱成功着陆。
新一代载人飞船试验船身上有着诸多第一:第一次采用新型防热材料,第一次采用国际上推力最大的新型单组元无毒推进系统,第一次采用群伞气动减速和气囊着陆缓冲技术……
“新的防热材料是独立自主研制的,性能在国际上也是领先的。包括再入返回过程用到的‘控制’,包括发动机、回收着陆都是国际先进水平。”作为中国载人航天工程飞船系统总设计师,也是新一代载人飞船试验船任务的项目负责人,张柏楠提到这次任务,语气中透出满满的自豪感。
中国航天人当然有资格自豪,因为这一切都是他们凭着自己的努力一点点实现的。
纵观我国航天事业的发展历程,从“巴黎统筹委员会”到《瓦森纳协定》,从《考克斯报告》到“沃尔夫条款”……技术封锁、物资禁运始终相伴。
“国际空间站”由16个国家和地区组织共同建造。在这份长长的名单里,有发达国家也有发展中国家,却没有中国。一些国家处心积虑对我国实行严密封锁禁运,企图把中国排除在世界空间站俱乐部之外。
种种现实让中国的航天人清楚地明白一个道理:核心关键技术是换不来也买不到的,中国人发展载人航天事业必须要坚定走好独立发展、自主创新之路。
空间交会对接技术是中国载人航天和组装大型空间站,乃至载人登月的关键技术。其与载人天地往返、出舱活动并称载人航天领域的三大基本技术。曾有人比喻,空间交会对接就好像上面放了一根针,底下用一根线,距离几百公里,最后要拿那个线去穿过那个针眼。难度可想而知!
“两个航天器的机、电、热,各个多专业系统要有机地融为一体,就相当于1加1还要等于1。分离的时候,两个航天器还要各自成为独立的飞行器。”杨宏说,交会对接技术是发展载人航天必须攻克的核心技术,只能自主创新,自我突破。
天宫一号与神舟八号交会对接任务是神舟飞船走向空间实验室系统研制的一个转折点。天宫一号作为我国自主研制的全新载人航天器和小型空间站的雏形,要实现长期在轨飞行、完成多次交会对接,是我国建造由中国人自己照料的空间站的基础。

没有成熟的经验可借鉴,没有充分的数据可参考,无法充分验证宇宙中的现实环境,挑战不言而喻。根据天宫一号任务的特点与要求,杨宏带领研制人员关注细节,创新、优化、完善了系统功能,不断改进设计、提高天宫一号的性能,先后攻克了空空通信、高压供电、多回路通风换热等一系列难题,掌握了在轨航天器组合体控制和管理技术、大型密封舱壁板制造技术、精确姿态控制的控制力矩陀螺技术、可补加推进剂的金属膜盒贮箱技术等一大批具有自主知识产权的核心技术。
2011年9月29日,随着酒泉卫星发射中心“点火”指令的发出,在一片烈焰的映照下,天宫一号飞奔寰宇。同年11月3日凌晨,天宫一号与神舟八号的“太空之吻”华丽上演:两个七八吨重的航天器,从相距上万公里的不同轨道,以每秒7.8公里的速度赶赴约会。之后,天宫一号又成功与神舟九号、神舟十号飞船对接,接纳了两个飞行乘组、六名航天员进驻,验证了载人航天器组合体控制等多项空间站关键技术,开展了多项科学实验,为空间站研制奠定了坚实基础。
按照计划,2022年前后,我国自主建设的空间站将建成使用,而据外电报道“国际空间站”2024年将退役。有些国家转而争取与中国的合作机会。这一变化,再次生动诠释了“只有掌握核心关键技术才有话语权”。
事实证明,在国外的长期技术封锁下,我国载人航天事业逆风起飞,在一代代航天人的刻苦努力下,逐渐发展壮大,走出了一条中国特色的航天强国之路。如果说,载人航天是塔尖上的事业,那自主创新就是支撑中国航天人勇敢攀登的天梯。

牵引发展的利器
在一般人眼里,载人航天很高大上,但实际上,它距离我们并不遥远,其所应用的许多技术早已走进寻常百姓家。
比如航天员在太空骨丢失问题比较严重,相关研究可惠及老年人骨丢失治疗;比如方便面调料中的干菜叶本是航天食品中的脱水菜,现在却成为人们日常生活中的普通食品;比如现代医学界大量应用的重症监护病房,就是源自“阿波罗”登月计划对航天员进行健康检测而诞生的。
载人航天虽然投资巨大,但回报同样不菲。根据美国、欧洲多家研究机构采用不同模型和方法得出的评估结果,航天领域每投入1元钱,将会产生7元至12元的回报。这是由于载人航天是一项系统工程,集中体现了现代科技和工业多个领域的成就。投资载人航天,一定意义上就是同时对多个领域进行投资,其回报也体现在诸多方面。
例如,航天育种是航天技术、生物技术与农业育种技术相结合的育种新途径:利用航天器搭载生物材料在宇宙高能粒子辐射、微重力等空间环境因素的复合作用下,空间诱变产生基因组水平上的变异,返回地面后经过至少4代地面选育,筛选出携带新性状的新材料、新种质,最终培育出遗传稳定、品质优良的新品系、新品种。
自神舟一号飞船开始,中国载人航天工程在历次飞行试验中,利用神舟飞船、空间实验室及新一代载人飞船试验船等飞行器的资源余量,组织开展了一系列作物种子和植物材料的空间搭载诱变实验,经过多年的地面选育和科学研究,截至目前,共有超过200种航天育种新品种通过国家及省部级评审。据估算,航天育种创造直接经济规模超过2000亿元人民币。
从世界其他国家看,俄罗斯和平号空间站在运行的头10年里发现了10个稀有金属矿和117个油脉,其价值远远超过空间站的全部研制和维护费用。
更具意义的回报,则不是能够用金钱衡量的。
载人航天事业是人类历史上最为复杂的系统工程之一,涉及众多高新技术领域,包括近代力学、天文学、地球科学、航天医学、空间科学等学科,以及系统工程、自动控制、计算机、推进技术、通信、遥感、新能源、新材料、微电子、光电子等。这些领域与学科,对推动一个国家科技进步有重大意义。
开展载人航天工程,无疑可以在相当程度上带动基础科学研究和材料、电子、机械、化工等方面技术的发展。据不完全统计,在我国近年来的1000多种新材料中,80%是在空间技术的牵引下研制完成的,有2000多项空间技术成果已移植到国民经济各部门。
1970年,非洲的穷苦国家赞比亚的一名修女给NASA写信,因为她无法理解,地球上还有很多孩子需要忍受饥饿的煎熬,为什么美国还要耗费巨大尝试把人送到太空上去呢?NASA科学家恩斯特·史都林格在回信中谈到:“实施阿波罗登月计划中掌握的科学知识,同样也可以用于研发在地球上使用的技术,太空探索计划每年都能孕育出大概1000项技术革新,所以说那些反对把钱花在太空探索上的人只能劝他们不要把眼光放在鼻尖前面这两厘米的地方。因为没有科技的进步,没有太空的探索,又拿什么来改善民生呢?”
事实证明,虽然“阿波罗”计划投资数百亿美元,但也直接催生并壮大了美国的液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、计算机、无线通讯等一大批高科技工业群体。后来,更是通过将该计划取得的4000余件专利转为民用,带动了美国科技的发展与工业繁荣。
“如今,中国也面临着同样的机遇。”杨宏表示,航天产业包罗众多前沿技术,已经成为一国高技术产业的重要组成部分,不仅服务国防,也在国民经济发展中得到广泛应用,发挥着越来越显著的经济效益。
2022年前后,中国空间站将正式完成在轨建造任务。届时,中国将在空间站上部署航天医学、空间生命和生物、材料、微重力燃烧和流体、物理、天文等领域的高水平实验设备,科学家可在空间站开展大量空间科学前沿领域的研究工作。
对于其价值,有业内专家指出,在人类历史上,很多重要的科学研究都是在很多年以后才显示出它巨大的价值,短时间内谁也无法做出准确的评估。但是如果现在有这个条件而不去做,将来就会在国与国之间的竞争中陷入被动状态。
从更长远的历史维度看,不管是古代人类从非洲向高纬度地区的扩散,还是哥伦布发现新大陆;不管是人类的足迹由陆地走向海洋,还是飞向天空,每次人类突破自己的生存疆域,都必然会带来生活方式的改变、生活质量的提高和经济的飞跃。作为将人类活动空间从陆地、海洋拓展到宇宙空间的载人航天工程,同样不会例外。
我国载人航天事业,是在改革开放伟大历史进程中决策实施和不断推进的,体现了高端生产力的发展历程。我国已研制出具有完全自主知识产权的神舟系列飞船,先后实现载人往返、太空漫步、航空器与空间站对接,成为能自主进行载人航空的三个国家之一,跻身航天大国之列。载人航天工程为推动国家科技进步和创新发展、提升综合国力、提高民族威望作出重要贡献。随着未来新一代载人飞船和国家级太空实验室建成,中国人探索太空的脚步会迈得更远、更大。

 

信息来源: 《瞭望》2020年第49期    (责任编辑:周雁)   转载自   中国载人航天网站

 

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