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杨宏:中国空间站——我们的征途是星辰宇宙

时间:2022年11月07日 信息来源:腾讯科学WE大会官微 点击:346 字体:

11月6日,中国工程院院士、航天科技集团五院空间站系统总设计师杨宏参加了腾讯科学 WE 大会,讲述了中国空间站近十年密集攻坚系列关键技术的发展之路。7日,人民日报微信公众号以《“每年的10月16日,我都会给杨利伟发去祝福”》为题对此进行了报道。以下是杨宏总师演讲全文:

 

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非常高兴来到腾讯WE大会,我来自中国航天科技集团公司五院,现任中国载人航天工程空间站系统总设计师。

 

大家可能会觉得载人航天很神秘,今天我就想讲讲我所经历的载人航天的研制过程,讲述航天人的故事。

 

星辰大海是人类永恒的浪漫向往,浩瀚宇宙有很多奥秘需要人类去探索。自古以来,中华民族就向往飞向太空、遨游宇宙 ,嫦娥奔月的美丽神话,敦煌石窟的飞天壁画,万户飞天的千古壮举,无不寄托着华夏子孙的飞天梦想。当今世界,很多国家更是把航天发展上升到了国家战略层面。那么什么是载人航天呢?

 

载人航天是人类驾驶和乘坐载人航天器,在太空中从事各种探索、研究、试验等的往返飞行活动,其目的在于突破地球大气的屏障和克服地球引力,把人类的活动范围从陆地、海洋和大气层扩展到太空,更广泛和更深入地认识整个宇宙,并充分利用太空和载人航天器的特殊环境,进行各种研究和试验活动,开发太空极其丰富的资源。

 

载人航天的意义有三个方面:

 

科技方面。载人航天技术是科技密集综合型的尖端技术,它体现了现代科学技术多个领域的成就,又给现代科学技术多个领域提出了新的发展需求,从而促进和推动整个科学技术的发展。比如系统工程、自动控制、计算机、推进能力、环控生保技术、通信、遥感、测试技术、航天医学和空间科学等。

 

发展载人航天能体现一个国家综合国力。综合国力的增强体现在发展高科技,而高科技的主要内容之一就是载人航天。当一个国家把自己的航天员送入太空时,它可充分地体现其综合能力的强盛,将增强该国民众的民族自豪感、振奋民族精神,同时在世界上国家太空战略布局中奠定地位。

 

载人航天的发展能够更好地开发太空资源,为地球人类造福。地球正在变得越来越小,科学家们指出,人类面临的资源枯竭、人口激增等亟待解决的几大问题,只有通过扩大人类生存空间,向外层空间要资源,要空间来解决。

 

现已知,浩瀚的太空是人类巨大的宝库,拥有了太空高位置资源,人类文明就能前进一大步,而载人航天事业正是通向这个宝库的桥梁。但是,载人航天是一个高风险的事业,确保航天员的安全是我们的责任。

 

我们常说的一句话就是:“载人航天,人命关天”,我们的团队经常要提醒自己的,就是航天员的生命安全就在我们每个人的手里,我们要对航天员的生命安全负责。我们的老总师戚发轫院士曾经对我们讲的一句话:“你们要把自己当做航天员,看你们敢不敢坐你们自己设计的飞船”。

 

载人航天是个系统工程,就像一个庞大的机器,每个人可能是颗螺丝钉、或者是个齿轮、或者是个传送带,只有每个人的工作到位了,这个庞大的机器才能正常运转。而我们的工作又像一个木桶,木桶的短板就决定了能装多少水。

 

我作为载人航天器总设计师的重要任务之一就是找短板,找到了短板就找到了风险,风险控制住了,成功才有把握。飞船在天上的飞行是按步骤来,我们称之为每一个步骤叫做飞行事件,而所有的飞行事件就像一串珍珠项链。

 

如果说每颗珍珠代表一个事件的话,那么每个珍珠后面都有N多的人去保驾,确保让每一颗珍珠都完美无瑕,不允许有任何瑕疵,这样才能确保整个项链的完美。这后面有多少航天科技工作者在保驾护航,又有多少人在默默无闻地奉献。因此,中国航天的质量是靠所有的航天人一起保出来的。

 

每年的10月16日,我都会给一个人发去祝福,这个人就是大家都非常熟悉的航天英雄杨利伟,他是我国进入太空的第一人。有一幅场景至今都让我记忆犹新,那就是2003年10月15日上午9点,神舟五号飞船矗立在酒泉卫星发射场的发射塔架上,在准备发射,当指挥员下达了倒计时的命令读秒的时候,10 9 8 7……就在这个时候我们的航天员杨利伟,通过镜头向我们在场的所有人行了一个军礼,指挥大厅的所有同志们报以热烈的掌声予以回敬,许多人流下了眼泪,因为这是首次载人飞行,尽管我们做了充分的准备,但是风险依然存在,我们的心里依然是紧张。所以直到10月16日神舟五号飞船返回舱安全返回时,我们的设计师心里才落了地。所以说每当航天员安全返回地面,航天员走出舱以后,才是我们最幸福的时刻。

 

在突破了载人飞行技术后,我们面临的是出舱活动和交会对接任务。“两弹一星”功勋王希季老院士,对交会对接任务做了一个重新的定义,也就是在突破交会对接技术的同时,要解决空间实验室和组合体的控制管理技术,为空间站奠定基础,这就有了天宫一号。它不仅作为交会对接的目标飞行器,同时它要承担交会对接以后,两个航天器合为一体以后的组合体的控制和管理,也就是“1+1=1”,那么这也是空间实验室乃至空间站所要解决的关键技术。

 

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天宫一号在跟国外同类型航天器相比,它受重量、体积等资源的强约束,突破了多项关键技术,特别是为空间站的关键技术奠定了基础。比如说控制力矩陀螺技术,大型壁板加工技术,也就是大型密封舱的生产加工技术,还有可补加推进剂的金属膜盒储箱,光纤陀螺等等。而这些关键技术的突破不仅用于了天宫一号,也为空间站的研制奠定了坚实的基础,有很多技术直接就应用到了空间站的任务中。

 

在空间站研制过程中,我们坚持系统谋划和顶层设计,独立自主地一体化设计空间站的三舱,使多个舱段、多个航天器的系统可整合重构,大幅提升了整体可靠性,形成了中国特色的空间站方案,所突破的关键技术都是具有完全自主知识产权的。

 

比如我们空间站所用到的关键技术,大型太阳能电池技术,采用了柔性太阳电池翼,就像折叠扇一样,发射时候是收拢状态,在轨展开,还可以收拢,它有了非常高的发电效率,体积轻、重量小、可展可收、可以在轨维修。因为能源是一个航天器的动力源泉,所以能源技术是我们的重要的关键技术。

 

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再有就是我们的再生生保技术。大家知道航天员长期在轨的生活和工作,需要有一个安全舒适的载人环境,同时要保持这个载人环境,需要地面的补给。大家都知道,我们地面如果给载人航天器大量的补给的话,会消耗很多的资源,那么我们怎么样想办法,能在天上能让我们的载人环境当中的话,一些资源可以再利用,这样就可以大大地降低我们发射所需要的一些成本。

 

比如航天员在天上锻炼出的汗,可以作为冷凝水收集起来,处理成再生水可以再喝;航天员排出的尿液也可以处理成再生水,可以用于电解制氧,这制成的氧气可以排散到舱里,航天员可以呼吸的时候使用,那么排出的氢气,我们可以跟收集的二氧化碳,还可以再还原。所以这样的话,我们实现了在密封舱内,一个小环境情况下的资源的再利用,特别是水资源的再利用,这样可以大大地降低我们的运营补给的成本。

 

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还有一项关键技术,就是大家在电视里头看到的机械臂,这个机械臂是航天员出舱、科学实验设备的照料、舱段的转位等等所用到的这样一个智能装置,它要覆盖空间站的外表面。

 

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如果要覆盖这个外表面,我们需要一个多大的机械臂呢?得六七十米,这么大的臂。不说设计研制难度,就是设计研制出来以后也带不上去。所以我们的设计师采用了仿生原理,就模仿一种昆虫,头可以变尾,尾可以变头,可以在空间站上自主地进行爬行。这样的话,我们就用十米臂长的一个机械臂,可以设置几个脚印,让它能够爬遍空间站的外表面。这样的话我们就解决了空间站外表面机械臂的覆盖问题,所以这样的例子还很多。

 

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空间站是要打造成一个长期在轨稳定飞行的国家太空实验室,那么它要实现长期稳定运行,要有高可靠的设计、高安全性的设计,同时还要有维修性的设计。维修性是设计出来的,而不是说你想修的时候就能修。在设计之初就要把可维修性的设计体现到我们的系统设计中。所以我们要把维修性设计与可靠性设计、安全性设计结合起来,这样的话,通过航天员可以进行在轨的维修维护,实现空间站的长期在轨的稳定运行,为科学实验创造有利的条件。

 

那么说起为科学实验创造条件,我们还要设计,尽可能地降低空间站平台所消耗的能源、体积、重量、还有信息资源。

 

比如说我们在重量分配上来讲,尽可能地要压低空间站平台所占用的资源,让更多的重量去支持我们的科学实验。我们的功耗在天上,我们的电源、功率是有限的,那么尽可能地要压缩空间站平台的功率,去最大限度地支持空间科学实验的用电。我们天地之间的数据通信,也是尽可能地压低平台所需要的传送的带宽和速率,把宽带用在我们的科学实验数据的传输上。

 

我们在空间站当中的设计理念,是尽可能地提高效率,提高科学实验在整个空间站资源当中的占比,由此提高空间站对科学实验的支持能力,而降低我们的运营成本。

 

那么这些关键技术突破以后,我们要把涉及到的多学科的设备要组装到一起,组装成一个一个的舱段,然后经过严格的测试、试验。

 

空间站一共有三个舱段,分别是天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱,而每个舱段它的吨位都是将近23吨,尺寸的话都在17米左右,还有最大直径也在4米2,那么这么大的尺寸的舱段,如何在天上像搭积木一样地组装建造起来?所以空间站的多舱段的组装建造就是一个难点。

 

所以我们要把空间站的三个舱段,分别由长征5号B运载火箭分别发射入轨,然后像搭积木一样地一个一个地组装在一起,而组装的这个过程还要实现“1+1=1”,“1+N还要等于1”,这是什么意思呢?

 

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也就是说以空间站天和核心舱为核心控制大脑,每发射一个实验舱对接完成以后,整个组合体的管理就由天和核心舱来负责控制和管理。那么再上来一个实验舱也是这样。所以天和核心舱是整个空间站在轨组合体的控制和运营管理的大脑,那么这样的搭积木要最终实现1+N还是等于1,什么时候都要有一个大脑来统一控制和管理整个组合体。那么空间站的三舱组装建造完成以后,还可以进行扩展。

 

我们掌握的原则就是,开始进行的组装建造规模适度,但是留有发展空间,也就是说可以扩展,还可以扩展到六个舱,最大吨位可以达到180吨。也就是说,我们现在空间站的三舱再加上天舟货运飞船、神舟载人飞船,将达到百吨级。未来的话,空间站的舱段还可以扩展,最大可以扩展到180吨。

 

今后发展,以空间站组合体为太空母港,可以有N多航天器跟随这个母港进行伴飞。比如我们的大型巡天望远镜就可以跟着空间站来进行伴飞。平日里,在做科学实验的时候,在巡天的时候,可以独立地飞行、运行,但需要维修、补给燃料的时候,可以自主地对接到空间站上,由空间站的机械臂进行照料,由空间站里面的航天员出舱后,可以给它进行维修和维护,有空间站还可以给它进行补加推进剂。

 

完成了维护、补加以后,这个伴飞舱还可以分开单独继续去飞行,这样就形成了一个以空间站为主体的一个太空母港,可以有多个不同种类、不同领域、不同用途的航天器伴飞,由此形成了一个具有中国特色的空间站的方案。

 

建造空间站,建成国家太空实验室,是实现我国载人航天工程三步走战略的重要目标,是建设科技强国,航天强国的重要引领性工程。

 

回首三十年来的飞天路,我认为三十年的中国载人航天的成功归功于两大制胜法宝。一是举国体制。在党的坚强领导下,载人航天事业取得了辉煌的成就,这要归功于我们的党的坚强领导,坚持社会主义集中力量办大事的新型举国体制,是中国载人航天事业发展的制胜法宝。立项实施三十年的中国载人航天工程,是发挥新型举国体制优势,体现科技自立自强,强调人才培养的典型领域。特别是党的十八大以来,载人航天工程实现了跨越式发展,十年来密集突破了一系列关键技术,正在由航天大国向航天强国迈进。

 

制胜的第二个法宝就是“两弹一星”精神和载人航天精神。我们的老一代航天人,在非常艰苦的条件下,他们放弃了国外的优厚待遇,毅然地返回祖国,参加我们的国防工业的建设,他们的热爱祖国的情怀值得我们永远地学习。

 

让我特别感动的是,老一代航天人在条件那么艰苦的情况下,抱着航天报国这样的满腔的热忱,做惊天动地事,做隐姓埋名人,这样的科学家精神一直在激励着我们一代代航天人接续奋斗。

 

载人航天工程尤其注重精神的引领和传承,“两弹一星”精神和载人航天精神是事业成功的根与魂,只有大力弘扬“两弹一星”精神和载人航天精神,扎实推进重大技术创新、自主创新,才能行稳致远,实现由航天大国到航天强国的跨越。

 

面向未来,党的二十大报告中强调:必须坚持科技是第一生产力,人才是第一资源,创新是第一动力。深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略,这一高屋建瓴的论断是具有系统性 全局性的战略部署。科技支撑、人才保障、创新驱动,三者有机统一、相辅相成、密不可分,科技变革体现创新的引领作用,雄厚的人才队伍是高质量发展的关键所在。

 

载人航天工程也是人才培养体系建设的三十年,是我国提出并加紧推进人才强国战略的三十年。通过载人航天重大工程的牵引,我们载人航天队伍从神舟五号任务以后就完成了新老交替,队伍至今保持在平均年龄35岁以下。

 

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目前,我们正在执行我国载人航天工程三步走战略中的第三步,空间站的组装建造任务。

 

梦天实验舱与在轨的天和核心舱、问天实验舱,以及天舟四号货运飞船、神舟十四号载人飞船的组合体进行对接,然后完成空间站的T字型的构型的建造,之后还将发射天舟五号货运飞船,还将发射神舟十五号载人飞船,将三名航天员发射入轨,与空间站组合体进行对接。届时中国空间站将会有六名航天员同时在空间站工作和生活。最后是我们的神舟十四号航天员,乘坐神舟十四号载人飞船要安全返回地面。我们要精心组织、精心准备、精心实施,确保空间站组装建造任务圆满完成。

 

在空间站的应用与发展阶段,要打造国家太空实验室,开展航天员长期驻留,大规模的空间科学实验、空间站的平台维护等工作,服务于国家战略需求,服务于国民经济的主战场。充分发挥其科学价值 经济价值和社会价值。

 

党的二十大明确从现在起,中心任务就是团结带领全国各族人民,全面建成社会主义现代化强国,实现第二个百年奋斗目标,以中国式的现代化全面推进中华民族的伟大复兴。

 

筑梦太空,任重道远。踏上新征程,实现高水平的科技自立自强,需要从更高水平、更深层次、更广范围推进。我们要牢记嘱托,以国为重、创新引领、脚踏实地,为实现我国航天科技高水平自立自强再立新功。

 

中国空间站要打造成国家级太空实验室,开展大规模的空间科学实验。那么可以开展多学科的科学实验,这涉及到了能源、信息、生物、生命科学、空间科学、地球科学等多个领域。

 

中国空间站是一个开放的平台。中国载人航天工程办公室通过联合国外空司,向国际社会发出了邀请,我们中国空间站欢迎各国的科学家,到中国空间站来开展科学试验。目前为止,按照预定的程序进行科学实验项目的遴选、评审。现在据我掌握的数据是,通过联合国外空司这个平台,目前有17个国家的项目入选,我们将为这些科学实验创造良好的在轨试验条件。

 

所以说我们中国空间站是国家级太空实验室,同时也是个开放的平台,它将为和平利用空间、开发空间资源,为人类的共同的福祉来服务。所以我们愿同世界各国的科学家一起,在中国空间站这个平台上,开展多项科学实验,共同开发空间资源,和平利用太空,为人类的科技进步做出贡献。



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