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我國(guó)載人航天成就與空間站建設(shè)論文
空間站是一種可供多名航天員巡訪、長(zhǎng)期工作和居住的大型載人航天器�？臻g站既是人類開發(fā)和利用空間資源的獨(dú)特平臺(tái)，也是載人航天技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。人類建造和運(yùn)營(yíng)空間站已有40 多年歷史。1971 年4 月19 日前蘇聯(lián)成功發(fā)射世界第一座空間站“禮炮”1 號(hào)，至今人類已把10 座空間站送上太空，其中包括正在軌道運(yùn)行的國(guó)際空間站。這些空間站的發(fā)展大體可分為三代: 第一代是試驗(yàn)性空間站，也稱空間實(shí)驗(yàn)室，包括前蘇聯(lián)的“禮炮”1 ～ 5 號(hào)和美國(guó)的“天空實(shí)驗(yàn)室”; 第二代是簡(jiǎn)易空間站，包括“禮炮”6 號(hào)和7號(hào)，在結(jié)構(gòu)與功能上有較大改進(jìn)，提高了安全性與可靠性，具備了空間站的基本特征，設(shè)置兩個(gè)對(duì)接口，能同時(shí)對(duì)接兩艘飛船，可以實(shí)現(xiàn)乘組輪替和貨運(yùn)飛船補(bǔ)給物資，工作壽命增至4 ～ 9 年; 第三代是永久性空間站，包括“和平”號(hào)空間站和國(guó)際空間站，艙段和對(duì)接口更多，規(guī)模龐大，壽命更長(zhǎng)，能夠支持大規(guī)�？臻g科學(xué)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究。經(jīng)過(guò)早期“禮炮”號(hào)和“天空實(shí)驗(yàn)室”的嘗試和試驗(yàn)，“禮炮”7 號(hào)長(zhǎng)期載人飛行中突破了建造和運(yùn)營(yíng)大型復(fù)雜空間站的幾乎所有基本技術(shù)，并在“和平”號(hào)空間站和國(guó)際空間站上走向成熟。
建設(shè)空間站是我國(guó)載人航天工程的一項(xiàng)重要任務(wù)。我國(guó)載人航天工程自1992 年啟動(dòng)以來(lái)，已成功完成了5 次無(wú)人飛船飛行和4 次載人飛行，掌握了載人天地往返技術(shù)，突破了航天員出艙活動(dòng)技術(shù)和空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，為建造空間站奠定了基礎(chǔ)。2010 年9 月，中央批準(zhǔn)啟動(dòng)載人空間站工程，計(jì)劃分空間實(shí)驗(yàn)室和空間站兩個(gè)階段實(shí)施:第一階段是在突破航天器空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)射“天宮”2 號(hào)( TG-2) 空間實(shí)驗(yàn)室，驗(yàn)證和考核空間站建設(shè)所需的部份關(guān)鍵技術(shù); 第二階段是建設(shè)空間站，發(fā)射空間站核心艙、實(shí)驗(yàn)艙I 和實(shí)驗(yàn)艙II，發(fā)射載人飛船和貨運(yùn)飛船，在軌對(duì)接組裝成空間站組合體。我國(guó)空間站建設(shè)，不僅將為科學(xué)家開展空間科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用研究提供平臺(tái)，為世界各國(guó)之間的交流與合作提供了橋梁，而且有望承擔(dān)延續(xù)人類探索空間、研究地球和自身的任務(wù)。
1 我國(guó)載人航天發(fā)展歷程
早在20 世紀(jì)六、七十年代，中國(guó)就制訂了發(fā)展載人飛船的計(jì)劃，準(zhǔn)備在1973 年底將第一艘“曙光”號(hào)飛船發(fā)射升空。然而，由于當(dāng)時(shí)國(guó)家經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱、科技水平較低等原因，“曙光”號(hào)飛船工程中途下馬了。但其研制成果為后來(lái)載人航天工程立項(xiàng)論證奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
1986 年，載人航天技術(shù)被列入國(guó)家863 計(jì)劃。許多科研院所開展了載人航天發(fā)展技術(shù)方案比較研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性論證，對(duì)我國(guó)載人航天發(fā)展的條件、目標(biāo)和技術(shù)路線有了較清晰和一致的看法，認(rèn)為宜從載人飛船起步，再逐步向空間站和載人登月方向發(fā)展。
1992 年9 月21 日，中央決定實(shí)施我國(guó)載人航天工程，提出工程分三步走。即第一步發(fā)展載人飛船，突破并掌握載人天地往返技術(shù); 第二步建立具有一定應(yīng)用規(guī)模的短期有人照料、長(zhǎng)期在軌自主飛行的空間實(shí)驗(yàn)室; 第三步建立長(zhǎng)期有人照料的空間站，開展較大規(guī)模的空間科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)和應(yīng)用。
載人航天“三步走”發(fā)展計(jì)劃的提出，開辟了中國(guó)載人航天發(fā)展的新紀(jì)元，有力地促進(jìn)和帶動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展。
2 載人飛船任務(wù)的實(shí)施
我國(guó)載人航天工程從1992 年啟動(dòng)實(shí)施，至2008 年9 月，先后完成了工程方案設(shè)計(jì)、初樣研制和正樣研制和飛行試驗(yàn)階段的工作，并成功實(shí)施了4 次無(wú)人飛船飛行試驗(yàn)和3 次載人飛船飛行任務(wù)。
2. 1 四次無(wú)人飛船飛行試驗(yàn)
“神舟”1 號(hào)至“神舟”4 號(hào)無(wú)人飛船飛行試驗(yàn)的成功，為實(shí)施載人航天飛行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1) “神舟”1 號(hào)飛船無(wú)人飛行試驗(yàn)“神舟”1 號(hào)飛船由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙及一個(gè)附加段構(gòu)成，重約8 t，長(zhǎng)約9. 2 m，最大直徑約2. 8 m。
1999 年11 月20 日至21 日，“神舟”1 號(hào)無(wú)人飛船按預(yù)定程序在軌飛行了21 h 時(shí)后順利返回主著陸場(chǎng)，考核了運(yùn)載火箭性能和可靠性，驗(yàn)證了飛船關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，以及包括發(fā)射、測(cè)控通信、著陸回收等在內(nèi)的整個(gè)工程系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性。
2) “神舟”2 號(hào)飛船無(wú)人飛行試驗(yàn)
2001 年1 月10 日至16 日，“神舟”2 號(hào)無(wú)人飛船按預(yù)定計(jì)劃在太空飛行了7 d�！吧裰邸�2 號(hào)飛船技術(shù)狀態(tài)與載人飛船基本一致。我國(guó)首次在飛船上進(jìn)行了微重力環(huán)境下空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)、空間天文和物理等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)，取得了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。
3) “神舟”3 號(hào)飛船無(wú)人飛行試驗(yàn)
2002 年3 月25 日至4 月1 日，“神舟”3 號(hào)飛船按預(yù)定程序在軌飛行了6 d 18 h 返回地面。“神舟”3 號(hào)飛船技術(shù)狀態(tài)與載人狀態(tài)完全一致。配置了逃逸和應(yīng)急救生裝置、形體假人、人體代謝模擬裝置和擬人生理信號(hào)設(shè)備，考核了飛船環(huán)控生保系統(tǒng)和醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并完成了多項(xiàng)空間科學(xué)試驗(yàn)，獲取了大量飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
4) “神舟”4 號(hào)飛船無(wú)人飛行試驗(yàn)
2002 年12 月30 日至2003 年1 月5 日，“神舟”4 號(hào)飛船預(yù)定計(jì)劃在太空飛行了6 d 18 h 后順利返回地面。“神舟”4 號(hào)飛船的配置、功能及技術(shù)狀態(tài)與載人飛船基本相同。載人航天應(yīng)用系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)、飛船環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)全面參加了試驗(yàn)，取得了大量寶貴的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)資料，為最終實(shí)現(xiàn)載人飛行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2. 2 三次載人飛船飛行任務(wù)
2. 2. 1 “神舟”5 號(hào)載人飛行任務(wù)
2003 年10 月15 日至16 日，航天員楊利偉乘坐“神舟”5 號(hào)載人飛船按照預(yù)定計(jì)劃在太空飛行了21 h 23 min，順利完成各項(xiàng)預(yù)定操作任務(wù)后，安全返回主著陸場(chǎng)。
“神舟”5 號(hào)飛船實(shí)現(xiàn)了一人一天飛行，考核392 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程 第25 卷了飛船載人環(huán)境，獲取了航天員空間生活的有關(guān)數(shù)據(jù)，全面考核了工程各系統(tǒng)工作性能、可靠性、安全性和系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性。
“神舟”5 號(hào)的成功，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)載人航天發(fā)展的首次突破，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)能夠獨(dú)立開展載人航天活動(dòng)的國(guó)家。
2. 2. 2 “神舟”6 號(hào)載人飛行任務(wù)
2005 年10 月12 日至17 日，航天員費(fèi)俊龍、聶海勝乘坐“神舟”6 號(hào)載人飛船，在太空飛行了115 h 33 min，完成了多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并安全返回地面。全面考核了飛船環(huán)控生保系統(tǒng)、航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保系統(tǒng)，積累了人在太空較長(zhǎng)時(shí)間飛行的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)任務(wù)實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
“神舟”6 號(hào)軌道艙留軌運(yùn)行了707 d，開展了大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為長(zhǎng)壽命空間飛行器的研制積累了經(jīng)驗(yàn)。
“神舟”6 號(hào)的成功，實(shí)現(xiàn)了多人乘組和多日軌道飛行的目標(biāo)，標(biāo)志著我國(guó)載人航天發(fā)展的第一步任務(wù)勝利完成。
2. 2. 3 “神舟”7 號(hào)載人飛行任務(wù)
2008 年9 月25 日，我國(guó)航天員翟志剛、劉伯明、景海鵬乘坐“神舟”7 號(hào)載人飛船成功進(jìn)入太空。9 月27 日16 時(shí)41 分，翟志剛身穿我國(guó)自行研制的“飛天”艙外服，在劉伯明和景海鵬的協(xié)助下出艙，完成了艙外通話、國(guó)旗展示、有效載荷回收、艙外行走后回到軌道艙內(nèi)，順利完成了出艙活動(dòng)試驗(yàn)。9 月28 日，3名航天員安全返回地面�！吧裰邸�7 號(hào)載人航天飛行實(shí)現(xiàn)了航天員出艙活動(dòng)和小衛(wèi)星伴飛，成功完成了多項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)，開啟了我國(guó)載人航天工程的新篇章。
2. 3 載人飛船任務(wù)的主要成就
載人航天工程從1992 年9 月啟動(dòng)，至2008年9 月完成“神舟”7 號(hào)載人航天飛行任務(wù)，工程實(shí)施了16 年，共完成了7 次飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了從“一人一天”到“多人多天”飛行，再到航天員出艙活動(dòng)的跨越，取得了舉世矚目的成就。
2. 3. 1 掌握了載人天地往返基本技術(shù)
“神舟”5 號(hào)、6 號(hào)和7 號(hào)載人航天飛行任務(wù)的成功實(shí)施，表明我國(guó)突破并掌握了載人天地往返基本技術(shù)，主要包括: 1) 掌握了載人飛船技術(shù)，如飛船環(huán)控生保技術(shù)、熱控技術(shù)、制導(dǎo)導(dǎo)航控制技術(shù)、返回著陸技術(shù)、軌道艙留軌利用技術(shù)、安全可靠性技術(shù)等; 2) 掌握了高可靠性載人運(yùn)載火箭技術(shù)，CZ - 2F 運(yùn)載火箭可靠性指標(biāo)0. 97、航天員安全性指標(biāo)0. 997，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平; 3) 攻克了載人航天逃逸與應(yīng)急救生技術(shù)，包括逃逸固體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、運(yùn)載火箭故障檢測(cè)與處理技術(shù)、航天員自主應(yīng)急返回技術(shù)、飛船升力控制返回技術(shù); 4)掌握了航天員選拔訓(xùn)練技術(shù)和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保技術(shù); 5)掌握了載人航天發(fā)射場(chǎng)的垂直總裝、垂直測(cè)試、整體垂直運(yùn)輸和遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射技術(shù); 6) 掌握了載人航天飛行控制技術(shù)等，為我國(guó)載人航天后續(xù)任務(wù)實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
2. 3. 2 突破了航天員空間出艙活動(dòng)技術(shù)
在“神舟”7 號(hào)載人航天飛行任務(wù)實(shí)施中，突破并掌握了艙外航天服研制、氣閘艙研制、出艙活動(dòng)地面試驗(yàn)與驗(yàn)證、出艙活動(dòng)程序、航天員訓(xùn)練等出艙活動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)獨(dú)立掌握出艙活動(dòng)技術(shù)的國(guó)家，為空間站建設(shè)打下技術(shù)基礎(chǔ)。
2. 3. 3 建成了一個(gè)配套的載人航天工程研制試驗(yàn)體系
經(jīng)過(guò)近20 年的研發(fā)、建設(shè)和實(shí)踐，形成了一個(gè)有中國(guó)特色的載人航天工程體系。概括起來(lái)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 1) 建立了載人航天器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)平臺(tái); 2) 具備研發(fā)高可靠載人運(yùn)載火箭的能力; 3) 擁有較為完備的航天員選拔訓(xùn)練與健康保障設(shè)備設(shè)施; 4) 建成了配套的載人航天發(fā)射場(chǎng)和著陸場(chǎng); 5) 逐步形成陸�；c天基相結(jié)合的航天測(cè)控網(wǎng)，增強(qiáng)和拓寬了其整體功能;6) 一個(gè)有中國(guó)特色的、運(yùn)轉(zhuǎn)高效的載人航天工程專項(xiàng)組織管理模式已基本形成; 7) 建立了符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管理體系，可有效保證工程研制質(zhì)量; 8) 形成了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的載人航天工程標(biāo)準(zhǔn); 9) 培養(yǎng)造就了一支以中青年科技骨干為主的載人航天人才隊(duì)伍。
2. 3. 4 取得了多項(xiàng)研究結(jié)果
利用飛船及其軌道艙留軌開展了空間生命科學(xué)、空間材料、空間天文和空間物理等領(lǐng)域的空間科學(xué)與應(yīng)用研究，積累大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
我國(guó)載人航天工程實(shí)施過(guò)程中取得的科技成果，不僅為交會(huì)對(duì)接任務(wù)實(shí)施和載人空間站工程啟動(dòng)創(chuàng)造了條件，而且推動(dòng)了航天技術(shù)發(fā)展。
3 交會(huì)對(duì)接任務(wù)的實(shí)施
突破交會(huì)對(duì)接技術(shù)是我國(guó)載人航天工程的下一個(gè)目標(biāo)。根據(jù)工程總體安排，在交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，計(jì)劃將于2011 年前后首先發(fā)射一個(gè)“天宮”1號(hào)( TG-1) 目標(biāo)飛行器，之后再分別發(fā)射3 艘“神舟”號(hào)飛船作為追蹤飛行器與其交會(huì)對(duì)接。
TG-1 目標(biāo)飛行器重約8 t，由實(shí)驗(yàn)艙和資源艙組成，長(zhǎng)度約10. 5 m，艙體最大直徑約3. 4 m，設(shè)計(jì)在軌壽命2 年。實(shí)驗(yàn)艙是密封艙，可供3 名航天員在軌工作、生活和居住大約15 d，實(shí)驗(yàn)艙前端安裝有對(duì)接機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)與追蹤飛行器對(duì)接。資源艙非密封艙。在“神舟”號(hào)飛船軌道艙前端安裝異體同構(gòu)周邊式( 導(dǎo)向器內(nèi)翻) 的交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)，作為追蹤飛行器�？捎娠w船自動(dòng)控制或航天員手動(dòng)控制完成交會(huì)對(duì)接。對(duì)接完成后能夠在兩個(gè)航天器之間建立密封的對(duì)接通道，供人員和貨物通行。對(duì)接后目標(biāo)飛行器和飛船組合體實(shí)現(xiàn)電源、信息并網(wǎng)，并由目標(biāo)飛行器負(fù)責(zé)組合體的控制與管理。
4 中國(guó)空間站建設(shè)規(guī)劃
4. 1 建設(shè)空間站的目的
我國(guó)建設(shè)空間站主要有4 個(gè)目的，一是驗(yàn)證近地軌道空間站的建造、管理和運(yùn)營(yíng)技術(shù); 二是驗(yàn)證人在空間長(zhǎng)期生活、工作的能力和健康保障技術(shù); 三是開展較大規(guī)模的空間科學(xué)應(yīng)用研究; 四是適當(dāng)進(jìn)行一定規(guī)模的空間站應(yīng)用國(guó)際合作�？臻g站建成后，將全面實(shí)現(xiàn)我國(guó)載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)載人航天技術(shù)向更高水平發(fā)展。
4. 2 空間實(shí)驗(yàn)室
根據(jù)載人空間站工程計(jì)劃，我國(guó)將于2014 年前后發(fā)射“天宮”2 號(hào)( TG-2) 空間實(shí)驗(yàn)室、“神舟”11 號(hào)載人飛船和一艘貨運(yùn)飛船。TG-2 空間實(shí)驗(yàn)室將在TG-1 目標(biāo)飛行器的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，重約8 噸，可容納3 名航天員在軌駐留20 d 以上，設(shè)計(jì)在軌壽命2 年。TG-2 空間實(shí)驗(yàn)室的主要任務(wù)是進(jìn)一步考核交會(huì)對(duì)接技術(shù)、航天員在軌駐留能力，驗(yàn)證航天器在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)，為建造空間站積累經(jīng)驗(yàn)，并開展適當(dāng)規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究。
5 空間站應(yīng)用與國(guó)際合作展望
5. 1 空間站應(yīng)用
充分發(fā)揮空間站的能力和有人照料的特點(diǎn)，面向國(guó)際空間科學(xué)前沿，安排微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)、航天醫(yī)學(xué)、空間天文、空間物理、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域的科學(xué)與應(yīng)用研究，爭(zhēng)取獲得一批具有原創(chuàng)性的研究成果，推動(dòng)空間科學(xué)重點(diǎn)領(lǐng)域的跨越發(fā)展。
5. 1. 1 微重力科學(xué)
重點(diǎn)開展微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學(xué)和基礎(chǔ)物理的前沿研究。在獲得對(duì)自然現(xiàn)象新認(rèn)識(shí)的同時(shí)，積極開拓多方面的應(yīng)用。
5. 1. 2 空間生命科學(xué)
主要開展航天醫(yī)學(xué)、蛋白質(zhì)科學(xué)、重力生物學(xué)、輻射生物學(xué)研究，探索空間及地面的重要生命過(guò)程及其本質(zhì)，為人類在空間長(zhǎng)期活動(dòng)和生存提供依據(jù)和支持; 利用空間環(huán)境資源開發(fā)生物技術(shù)等。
5. 2 國(guó)際合作展望
和平利用太空資源，推動(dòng)人類的進(jìn)步發(fā)展，是我們發(fā)展載人航天的根本目的。在空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中開展國(guó)際合作，符合我國(guó)在航天領(lǐng)域的基本政策和原則，體現(xiàn)了載人航天的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)際上，我國(guó)載人航天領(lǐng)域的國(guó)際合作已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在神七任務(wù)中，與俄羅斯進(jìn)行了艙外航天服技術(shù)方面的合作; 在交會(huì)對(duì)接任務(wù)中已安排了中德合作的空間細(xì)胞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目; 在空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)中，擬安排中法合作的失重心血管實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目; 在俄羅斯組織的、多國(guó)參與的國(guó)際大型試驗(yàn)項(xiàng)目“火星-500”中，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心科技人員王躍被選為志愿者，而且有三個(gè)研究項(xiàng)目入選參試。
空間站任務(wù)中，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大國(guó)際合作，可考慮拿出一部分應(yīng)用資源來(lái)開展國(guó)際合作，采用開放性的空間科學(xué)研究項(xiàng)目管理策略，在全球范圍內(nèi)征集實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，從中選擇優(yōu)秀項(xiàng)目到空間站上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究; 可考慮拿出一部分實(shí)驗(yàn)資源專門向發(fā)展中國(guó)家定向征集實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而推動(dòng)空間科學(xué)研究在更高的起點(diǎn)上快速發(fā)展，不斷促進(jìn)空間科學(xué)研究領(lǐng)域的國(guó)際交流與合作。
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