导读

在国际空间站发射13年后,中国也开始了空间站的第一步,在首个空间实验室“天宫一号”发射升空后一个月,神舟八号即将升空准备对接。就此,网易新闻对话北京大学地球与空间科学学院教授焦维新。

嘉宾简介
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焦维新,北京大学地球与空间科学学院教授。

核心观点

Q1.3日1:43,神八和天宫成功实现对接,请焦老师作个评价。

焦维新这次交会对接是完全按照计划进行的完美结果,具有里程碑似的意义。交会对接是中国目前航天发展中技术难度最高、技术含量最大的工程,本次对接经过了陆、海、天多地测控,验证了微波雷达、CCD传感器等高技术集成,尤其是对接机械在理论和实践上的验证和攻破。中国也正在逐步地完成载人航天工程的三步走计划。 我写了一首诗《赞神舟飞船》来表达此时的心情:三舱结构起点高,八次遨游九重霄。太空交会结硕果,雄鹰展翅志更高。

Q2.总共需要多少次变轨,神八才能与天宫进行第一次对接?

焦维新第一阶段“远距导引”需要经过五次变轨,直到距离天宫52公里,调整近地点高度、远地点高度、轨道平面,直到二者准确地在一个轨道平面上。 第二阶段是“52公里到5公里”之间,不像之前的改变那么大,这里不会发生碰撞,所以可以及时进行监控和修正。 第三阶段是5公里以内。这里有几个停火点,5公里、4公里、3公里、400米、140米,稳扎稳打、步步为营,检查自己和对方的状态、位置、姿态、轴线等。

Q3.交会对接完成以后,这个组合体由谁来控制?

焦维新天宫一号控制,为什么专门提到“组合体”的呢?原来神舟八号和天宫一号都各管各的,已经习惯了,现在变成一个组合体,长度将近20米,重量也增加了一倍,将来的组合体更大,两个核心舱、载人飞船、货运飞船五个航天器都结合在一起,到底会出现什么情况我们是不知道的,因为太空是微重力环境,地面是不好模拟的,所以现在也是积累经验。

Q4.神八和天宫相距多远时,能建立通信,进入自主导航?

焦维新现在初步确定的就是52公里。因为在这个距离范围内,两者的通信设备就可以建立自主的通信联系,神舟八号也可以收到天宫一号发来的信息,天宫一号也会接到神舟八号发出的信息。 当然,如果到两者相距52公里时,还没有建立自动通信联系的话,地面的通信联系也不会立即停止,直到两者之间建立了通信联系。

Q5.对接的过程,请焦老师为我们分解一下。

焦维新两者相距30米以内,就是平移靠近的过程,对接机器开始起作用了。之前,对接装置的头已经伸了出来,到了30米左右,它们会小心翼翼地靠拢,当神舟八号的头撞到天宫一号的对接装置时,双方就固定住了。理论上要求轴线重合,但事实上允许五度的误差,双方接头以后能自动调节,使飞船和天宫一号形成一条直线,然后,对接装置里面的对接锁就起作用,把它们锁紧;还有其它装置保证接触点的密封,不能漏气,如果漏气,将来载人航行时会对航天员的生命安全造成威胁。 我们这种对接机械叫做“异体同构”周边式的对接结构,国外采用这种对接机械时的对接动画,大概是这样几个步骤:相撞—捕获—缓冲—校正—拉近—拉紧—密封—刚性连接。

Q6.中国计划到2020年建设完成自己的空间站,它将用于哪些实验?

焦维新空间站用途还是非常大的,从科学的角度来看有三个方面: 第一就是多学科的科学实验,比如在微重力条件下的材料科学实验、流体物理学实验、激光冷冻原子实验、观天测地、空间物理、空间环境的探测,还有空间对地观测等。 第二就是空间应用,在基础科学研究方面又前进了一步,它是有应用价值的,比如在微重环境下我们可以提炼出纯度非常高的晶体、太空制药、太空育种。 第三方面就是新技术验证,我们要发展一些高科技的前沿技术,有时在地面条件下没法实现。比如钛合子通信、激光通信实验、量子实验等。

Q7.大推力火箭是影响中国空间站建设的瓶颈技术,长征五号能满足需要吗?

焦维新将来我们要建设空间站,每个舱都在20吨以上,现有火箭(8.5吨的运载能力)满足不了需要,中国现在正在研制的长征五号如果投入运行,低地球轨道的运载能力大概在25吨左右,核心舱大概是22吨,所以可以满足建站需要。 另外,我们的月球探测也是三步计划:绕、落、回,前两步都可以实现了,但第三步“回”,从月球上取样返回,现有火箭的运载能力不够,就需要长征五号运载火箭了。 长征五号运载火箭完全能满足将来建造空间站以及探月工程的需要。

Q8. 请焦老师展望一下未来中国和国际的载人航天发展战略。

焦维新我们国家现在计划在2022年建成自己的空间站,另外我们的月球探测也有“三步走”:绕、落、回,在2017年完成。三步走完成之后,中国载人航天怎么走,我认为有个合乎逻辑的选择就是载人登月,把载人航天和探索月球有机联系在一起。 载人登月,政治上可以提高我国国际地位,增加民族凝聚力;技术上可以推动我们大推力运载火箭的建设,长征五号是25吨,载人登月要在100吨以上,可以探测月球、火星,还可以发射商业飞船,对导航、定位、通信等方面都有促进。高科技领域的发展又能提高我国的基础工业水平。  

 

访谈实录

嘉宾:李兴乾

交会对接完全验证多种高技术

网易新闻:1131:43,神舟八号和天宫一号成功实现第一次对接,请焦老师对此做一个评价。

焦维新:这次交会对接是完全按照计划进行的完美结果,具有里程碑似的意义。交会对接是中国目前航天发展中技术难度最高、技术含量最大的工程,本次对接经过了陆、海、天多地测控,验证了微波雷达、CCD传感器等高技术集成,尤其是对接机械在理论和实践上的验证和攻破。中国也正在逐步地完成载人航天工程的三步走计划。

我写了一首诗《赞神舟飞船》来表达此时的心情:三舱结构起点高,八次遨游九重霄。太空交会结硕果,雄鹰展翅志更高。

五次变轨才能进行第一次对接

网易新闻:我们再回顾一下神舟八号。111日凌晨5:58分,神舟八号飞船按照要求实现了零窗口发射,但是天宫一号的发射窗口则可以在9292116-31分之间,为什么对神舟八号的发射窗口时间安排如此严格?

焦维新:这是由位置决定的,两者的位置不一样,所以对发射的要求标准不一样。神舟八号要和天宫一号对接,天宫一号已经在太空了,茫茫太空,到哪儿去追赶它? 所以必须抓住有利的时机。天宫一号大概是在343公里高的圆形轨道运行,而地球是由西向东自转的,天宫一号的轨道平面会不断扫过地球不同的位置、不同的角 度,当轨道平面扫过酒泉卫星发射中心的时候,就立刻点火。

为什么选择这样的时机呢?因为这样发射可以使神舟八号飞船进入的平面和天宫一号所在的轨道平面共面。严格来讲,只有二者共面,交会对接才比较容易,如果不在一个平面,必须修正到同一平面,就需要花很多燃料,得不偿失,所以要严格要求发射时间。

 

网易新闻:神舟八号顺利升空,并于当天中午12:51完成了第一次变轨,请焦老师为我们介绍一下,第一次变轨是从什么轨道进入另外的轨道?

进入到初始轨道时,天宫一号处于近地点200公里,第一次变轨进入椭圆轨道,大概是330公里的远距离导引段,神舟八号经过几次变轨要达到如下目的:

使之高度位于330公里的圆形轨道,便于交会对接。

尽管是共面发射,但肯定还是有微小误差,为了使神舟八号的轨道严格和天宫一号的轨道共面,还要进行一次轨道校正,使两者严格共面。

经过调整和多次变轨,使神舟八号距离天宫一号后下方只有52公里。

 

网易新闻:总共需要多少次变轨,神八才能与天宫进行第一次对接?

焦 维新:第一阶段远距导引需要经过五次变轨,距离天宫52公里。原来的近地点是200公里,远地点是330公里的椭圆轨道,如果我们要提升近地点高度, 需要在远地点点火加速;如果要修正轨道平面,就要在两个轨道平面相交的节点再点火改变轨道平面。近地点高度、远地点高度、轨道平面都能调整,直到二者准确 地在一个轨道平面上,相距大概52公里了。

第二阶段是“52公里到5公里之间,不像之前的改变那么大,这里不会发生碰撞,所以可以及时进行监控和修正。

第 三阶段是5公里以后。这里有几个停火点,5公里、4公里、3公里、400米、140米,稳扎稳打、步步为营。停火点不是卫星停下来了,而是相对速度比 较小,但绝对速度仍然是每秒7.8公里,相差5公里时,就检查自己和对方的状态、位置、姿态、轴线等。到140米的停火点,检查更详细,要保证轴线、 姿态、位置在一条直线上,相对速度几乎为0,通过传感器把这些数据都搜集起来,用在轨计算机进行分析。从140米的停火点再加速到30米的平台停火 点时,更要小心翼翼了。

 

天宫一号对接的八个动作

网易新闻:对接的过程,请焦老师为我们分解一下?

焦维新:两者相距30米以内,就是平移靠近的过程,对接机器开始起作用了。之前,对接装置的头已经伸了出来,到了30米左右,它们会小心翼翼地靠拢,当神舟八号的头撞到天宫一号的对接装置时,双方就固定住了。

理论上,要求轴线重合,但事实上不可能达到那么高的精度,有一定弓角,轴线有偏差,或者和地面不平行。所以,我们允许五°的误差,检测之后具备自动调节功能。

调角以后,后面的联动装置启动,使后面的飞船和天宫一号形成一条直线,也就是在同一平面和同一轴线上,再自动对接。

自动对接以后,对接装置会拉近,里面的对接锁就起作用,把它们锁紧;还有其它装置保证接触点的密封,不能漏气,如果漏气,将来载人航行时会对航天员的生命安全造成威胁。

我们这种对接机械叫做异体同构周边式的对接结构,国外采用这种对接机械时的对接动画,大概是这样几个步骤:相撞捕获缓冲校正拉近拉紧密封刚性连接。

成败的关键就在此一撞,不撞扣不紧,既要撞上,又不能撞得太厉害。

这次是自动对接,将来还会有航天员的手动对接。

 

网易新闻:刚才您提到美国的异体同构周边式对接机构,二是俄罗斯和欧空局ATV飞船上的锥-杆式对接机构。为什么我们选择前者?

焦 维新:这两种装置,技术上都是成熟的,有些国家一直采用其中一种技术,在这种技术上不断改进,以达到成熟。所谓锥-杆式,目标飞行器就像我们手电筒的 电池,追上以后不一定会正好撞上中心环,而是撞上侧面,但侧面一滑就可以滑到中间。但对接结束后,航天员要想从这个航天器走到另一个航天器,得把中间的东 西拆掉才能过去。

异体同构周边式对接机构,撞击的装置都在两个周边,对接结束,两者紧箍在一起,直接会有一个0.8米的通道,航天员可以直接过去。这种结构比较复杂,造价高,但也给后续工作带来很多方便,所以我们国家采取的是这种结构。

 

相距52公里时,建立自主通信

网易新闻:神舟八号在距离天宫一号多远的距离时,才能与天宫一号建立通信,进入自主导航和自主控制?

焦维新:现在初步确定的就是52公里。因为在这个距离范围内,两者的通信设备就可以建立自主的通信联系,神舟八号也可以收到天宫一号发来的信息,天宫一号也会接到神舟八号发出的信息。

当然,如果到两者相距52公里时,还没有建立自动通信联系的话,地面的通信联系也不会立即停止,直到两者之间建立了通信联系。

 

网易新闻:神舟八号上装备了微波雷达、激光雷达、CCD敏感器等测量设备,它们在交会对接中的作用是什么?

焦 维新:天宫和神八相距52公里以远是远程测控,52公里以内就可以自主联系,那是靠什么联系呢?就是这些微波雷达、激光雷达、CCD敏感器。目标飞行器天 宫一号要发出信号,告诉神八自己的状态、位置、速度等,神八就可以找到它,再到一定距离范围内,发射激光束扫描找,一旦找到它,就锁定目标了。

 

对接后,天宫一号控制神舟八号

网易新闻:交会对接完成以后,这个组合体由谁来控制?谁处于停靠状态?组合体运行难在哪里?

焦维新:这个组合体由天宫一号控制,为什么专门提到组合体的呢?原来神舟八号和天宫一号都各管各的,已经习惯了,现在变成一个组合体,长度将近20米,重量也增加了一倍,连在一起到底会出现什么问题我们是不知道的,因为太空是微重力环境,地面是不好模拟的。

但 是凭生活中的经验我们也会知道有多难,比如骑自行车上班,如果是一个人,拐弯抹角非常方便,但如果带一个人,拐弯操作就很容易摔跟头。天宫一号也一样,忽 然长度、重量增加一倍,怎么掌控呢?我们缺乏这方面的经验,所以现在们也是积累经验,因为将来的组合体更大,两个核心舱、载人飞船、货运飞船五个航天器都 结合在一起,这种情况下你怎么掌控?要从理论上计算好。

 

网易新闻:1114号,神八和天宫一号将要分离一次,准备第二次对接。第二次对接和第一次对接在技术上会有区别吗?两次对接有什么意义?

焦 维新:意义还是很大的,太空中对接,对得准,抱得紧,不漏气,但实际上分离两次还有另一个考虑:如果设计得不好,对接得很牢,分离时打不开锁了,那是 很麻烦的,现在是不载人的,但将来要载人,如果载人飞船回不来了,那宇航员怎么办?所以,不仅要对接技术好,也要分离技术好。

另外,根据历史上的经验教训,不是一次对接成功,技术就能熟练掌握。前苏联在1961年就实现了联盟四号联盟五号飞船的对接,但后来发射的联盟飞船和联盟T飞船又有好几次对接失败;就在去年,联盟TMA飞船和国际空间站第一次对接就失败了,后来变轨再对接。

所以,既然有机会,我们增加一次实验就多一份经验。

 

网易新闻:第二次对接以后共同飞行2天,神八将第二次脱离天宫一号,并于17日返回地面。这次返回,和神七、神六的返回有什么差别吗?

焦 维新:返回方式没有大的差别,只是神舟六号、神舟七号都载着航天员,这次我们不载航天员,但完全按照载人飞船的情况来安排的。第一步,神八和天宫一号脱 离,轨道舱分离;第二步是减速,脱离原来的轨道;第三步,大概到100多公里,轨道舱和推进舱再分离;第四步,返回舱自由下落,10公里以后打开降落伞。

 

网易新闻:刚才您提到神舟八号采用的依然是返回舱、推进舱和轨道舱的三舱结构。返回舱好理解,那么推进舱和轨道舱分别是什么作用呢?它们会返回吗?

轨道舱主要是为了进行科学实验、生活和工作,返回舱是指挥控制中心,在发射返回的时候,航天员都会坐在里面。

推进舱上有一些小型发动机,一是为变轨提供推力,二是航天员的生命保障系统服务设备在里面,比如氧气、净化空气的设备等,保障航天员的安全。

 

网易新闻:天宫一号对接时的在轨高度是多少?神八脱离后,它会变轨至更高的太空空间吗?

对接时的在轨高度是343公里,神八脱离后,天宫一号应该进入更高的高度。

因为高度越低,受大气阻力的影响越大,比如天宫一号入轨高度大概是370公里,经过这一个多月的飞行,在大气阻力的作用下,现在衰减到343公里了。要想提高它的生命,就要把轨道升高到370公里的高度,轨道越高,在轨寿命越长。

 

网易新闻:神八飞行期间,中国和德国合作开展了17项试验,主要是哪些方面的试验呢?

焦维新:应该说在飞船上也能开展很多种类的实验,但这次主要是空间生命科学的实验。

但我觉得中德合作的最重要意义不在于具体项目,而是为载人航天方面的国际合作开了一个好头,打下了一个基础。

天宫一号的中国特色

网易新闻:和美国的天空实验室和欧洲空间实验室相比,甚至后来的国际空间站相比,天宫一号有什么自己的特色?

焦 维新:天宫一号,后来接着的天宫二号、天宫三号,在国外没有搞这种小型实验室的。俄罗斯最早的小型空间站是礼炮号,从礼炮一号礼炮七号大概 都是在八九吨,美国空间实验室大概是30多吨,和平号空间站应当是名符其实的空间站了,一百多吨;国际空间站是391吨。从重量上来说,天宫一号就是中国载人航天的特色之一,

另外还有交会对接的问题。交会对接,顾名思义,至少是两个航天器的对接,如果我们搞三次对接,就得有六个航天器,但现在我们搞小型的科学实验室,天宫一号可以在轨运行两年,六次对接四个航天器,和六个航天器比,我们就可以少花费两个航天器。

再次,我们还可以验证复合体控制的技术。

最后,虽然小,但天宫一号、天宫二号、天宫三号里可以做不同类型的实验,积累经验,将来空间站建成,舱位比较大了,我们要设定哪些科学实验呢?哪些科学实验最有效果?怎么设置实验装置更有效?天宫会给我们答案。

另 外,这种方法主要是基于中国的国情考虑,一是建设空间站之前还有许多技术需要验证,尤其是可再生的生命保证系统。神舟五号、神舟六号、神舟七号航天员在轨 时间都不太长,最长也就是五天左右,但空间站需要长达半年。二是长二F运载火箭运载能力都在9吨以下,所以现在的天宫实验室都是8.5吨左右,要搞大舱, 我们的运载火箭还没有达到这个能力。

 

网易新闻:中国现在长二F火箭的推力只有9吨,大推力火箭可能也是影响中国空间站建设的瓶颈技术,以后建设空间站,中国有没有进行大推力火箭的研发?

焦维新:将来我们要建设空间站,每个舱都在20吨以上,现有火箭(8.5吨的运载能力)满足不了需要,中国现在正在研制的长征五号如果投入运行,低地球轨道的运载能力大概在25吨左右,核心舱大概是22吨,所以可以满足建站需要。

另外,我们的月球探测也是三步计划:绕、落、回,前两步都可以实现了,但第三步,从月球上取样返回,现有火箭的运载能力不够,就需要长征五号运载火箭了。

长征五号运载火箭完全能满足将来建造空间站以及探月工程的需要。

 

网易新闻:长征五号大概哪年能建成?

焦维新:现在报道,2015年就会进行正式实验,估计在2017年之前就能够实现首飞。

 

中国空间站将用于科学、应用实验和新技术验证

网易新闻:天宫一号还不能算真正的空间站,真正的空间站有哪些硬性指标?影响空间站规模的最主要因素是什么?

这没有绝对指标,多大的都是空间站,但从我们现在对空间站的理解来看,应该是一个多舱结构,一座空间大厦,不是一次发射就可以建成的,而是多次发射构建在一起,这样开展空间实验的项目、种类就会更多一些。

影 响空间站规模的有多种因素,综合考虑起来,还是我们日常所说的性价比,假如这个空间站建得比较大,舱比较多,一次耗费的资金就会更多、建设周期也会更 长,我觉得国际空间站给我们提供了经验教训,贪大求全、过于依赖航天飞机,哥伦比亚航天飞机失事以后,国际空间站原计划2005年建成,现已拖到2011 年。但如果太小了,仅仅是实验室,做的实验也相对有限。所以我们要考虑的是性能价格比,不搞盲目模仿,也不搞攀比,根据我们国家的经济技术条件做我们力所 能及的事情,三个核心舱、两个实验舱,这样的舱段从目前来看应该能够满足广大科学工作者开展科学实验研究的目的。

 

网易新闻:中国计划到2020年建设完成自己的空间站。空间站建成后将用于哪些实验?

焦维新:空间站用途还是非常大的,从科学的角度来看有三个方面:

第一就是多学科的科学实验,比如在微重力条件下的材料科学实验、流体物理学实验、激光冷冻原子实验、观天测地、空间物理、空间环境的探测,还有空间对地观测等,虽然现在还没有着手设计,但征集实验方案早已开始了。

第二就是空间应用,在基础科学研究方面又前进了一步,它是有应用价值的,比如在微重环境下我们可以提炼出纯度非常高的晶体,用来做半导体材料;还可以在微重力条件下太空制药,均匀混合,结构更明显;还有太空育种。

第 三方面就是新技术验证,我们要发展一些高科技的前沿技术,有时在地面条件下没法实现。比如钛合子通信,比我们现用的无线电频率都高,它的频率接近于光的频 率了,频率越高的电子波携载的信息量就越大,但高频率无线电信号在大气层中,大气层会衰减它的信号,但在太空中,它的大气压大概是地球表面气压的一亿分之 一,这就可以在上面做钛合子通信实验、激光通信实验、量子实验等。

 

载人登月是三步走之后的航天战略

网易新闻:但也有很多网友会质疑,投入了大量的人力、物理、财力建设空间站,但目前还没有看到什么经济回报,也请焦老师为我们展望一下,建造空间站的经济前景?

焦维新:科学实验短期内见不到什么效益,但它涉及到基础理论研究和应用研究,应用到社会生产,就能看到经济效益了,所以它是个逐渐的过程。我们通过在太空微重力环境下生产出的产品,可以指导地面上如何改进工艺。

比如太空育种,现在已经看到了效益。

当然,现在的空间站基本都是政府行为,但随着人类空间科学事业的发展,将来还会有私人公司投入,会有商业太空的发展,比如太空旅游,这是将来商业发展的重要方向。

 

网易新闻:请焦老师展望一下,中国载人航天工程三步走完成后,未来的载人航天发展战略以及国际载人航天发展的战略。

焦维新:我们可以分析一下国际上的情况,俄罗斯有技术实力,但没有经济实力,所以制订了长远计划,包括载人探测月球、载人探测火星,但计划赶不上变化快,一两年也没什么动静。

欧洲空间局参与了国际空间站的建设,在2000年设计了曙光计划,设计载人探测月球、探测火星,但十年过去了,没有见到任何收获。

日本也参与了国际空间站的建设,但没见到它今后独立开展载人航天的计划,即使搞也会和美国合作。

所 以今后还是要看美国,美国奥巴马虽然取消了布什制定的重返月球计划,有人说美国在退,中国在进,其实不是这样,他们是利用这段时间进行大运载火箭的建设, 它可以探测火星、探测小行星,它的太空基础设施相比其它国家又拉开了距离,不管是在近地空间还是在深空,它都一直保持着霸主地位。

我们国家 现在计划在2022年建成自己的空间站,另外我们的月球探测也有三步走:绕、落、回。大概是在2013年,大概是在2017年完成。三步 走完成之后,中国载人航天怎么走,我认为有个合乎逻辑的选择就是载人登月,把载人航天和探索月球有机联系在一起。

如果制定了载人登月的计划,政治方面可以提高我国政治地位,增加民族凝聚力;技术和经济方面也可以推动我们运载火箭的建设,长征五号是25吨,将来载人登月,运载火箭至少要在 100吨以上,既可以探测月球,也可以探测火星,将来还可以发射商业飞船,对导航、定位、通信等方面都提出了高要求,整体上可以推动我国高科技领域的发 展,高科技领域的发展又会使我们的基础工业水平有很大提高。

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