“北京时间2023年10月31日8时11分，神舟十六号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，在轨驻留154天的3名航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮身体健康状况良好，神舟十六号载人飞行任务取得圆满成功。我国载人航天工程正式进入空间站应用与发展阶段，为空间站任务常态化实施奠定了基础。”
而在二十年前，身着航天服的杨利伟，代表13亿中国人踏上了逐梦太空的征途。历经21小时23分，绕地球飞行14圈后，他乘坐的神舟五号载人飞船返回舱，稳稳着陆于祖国大地。
他出征太空的一小步，是中国载人航天工程里程碑式的一步，更是中国人探索星辰大海的重要一步。从此，浩瀚而神秘的太空画卷，向我们徐徐展开。
2003年10月15日，杨利伟进入飞船前向人们挥手示意。
一花引来百花开。神五飞天的二十年来，我国载人航天取得了巨大成就。到2023年10月底，我国先后研制、发射了12艘神舟系列载人飞船，把20名、32人次航天员送上了太空，成功率达100%。
陆续研制、发射了6艘天舟系列货运飞船、天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室、由3个20吨级的舱段组成的天宫空间站以及一艘新一代载人飞船试验船。
这些航天器分别由长征二号F载人运载火箭、长征七号新一代中型运载火箭和长征五号新一代大型运载火箭发射，并与航天员系统、应用系统、发射场系统、测控通信系统和着陆场系统等系统的参与密不可分。
载人飞船显神威
研制载人飞船是发展载人航天的第一步，因为它是载人天地往返运输器。我国第一代系列载人飞船神舟由轨道舱、返回舱和推进舱组成，前两个是密封压力舱，可谓“一室一厅”，乘员人数3人，可自主飞行7天，停靠飞行180天。
其中，轨道舱位于飞船前部，可用于航天员入轨后的工作、吃饭、方便、睡觉和交会对接等；返回舱位于飞船中部，是航天员天地往返时的座舱，也是飞船的控制中心，并具有着陆后支持航天员陆上生存48小时、海上生存24小时的能力；推进舱位于飞船后部，为非密封结构，为飞船提供动力、电源和燃料等。
神舟飞船由14个分系统组成。这些分系统涉及物理、医学等数十种学科领域，所以具有技术多样性和研制复杂性。它采用了当时的多项新技术，其中10多项关键技术达到国际先进水平，并有不少特点。
例如，起点较高，研制神舟飞船没有走美苏研制载人飞船的老路，而是一步就达到世界第三代载人飞船的水平；可一船多用，其中的神舟二号～六号飞船的轨道舱在返回舱返回地面后又留轨利用半年，相当于免费发射了1颗卫星；智能化程度高，采用了信息技术的最新成果，太阳翼也能自动对准太阳；返回舱用的防热技术和降落伞都具有世界先进水平等等。
杨利伟太空自拍。
为适应不同阶段的任务变化，神舟系列载人飞船先后有三种技术状态。一是初期试验技术状态，神舟五号、六号采用这种技术状态，其特点是轨道舱上也装有一对太阳翼，返回舱返回地面后，轨道舱还留轨利用半年。
二是出舱活动试验技术状态，神舟七号采用这种技术状态，其特点是轨道舱取消了太阳翼，不留轨利用，并且轨道舱具有气闸舱的功能，舱外还增加了扶手，用于航天员太空行走时用。
三是载人天地往返运输器技术状态，神舟八号以后发射的所有神舟飞船都采用这种技术状态，其特点是轨道舱上没装太阳翼，不留轨利用，在轨道舱前端增装了交会测量和对接机构，用于为天宫一号、二号和空间站提供载天地人往返运输服务。
2020年5月，我国还成功发射了新一代载人飞船试验船。它与神舟飞船相比，只由返回舱与服务舱两舱组成，但其直径和重量都比神舟飞船大，可乘坐6～7名航天员。其返回舱采用流畅的倒锥型钝头体气动外形，可以重复使用，能用于近地轨道载人天地往返和未来的载人登月等多种任务。
货运飞船数第一
由于我国正在运行的大型空间站——天宫要长期载3人在轨生活和工作，而神舟载人飞船每次满载3人上天时只能携带300千克货物。为此，我国又研制和发射了每次能为空间站运送7吨左右货物的天舟货运飞船，从而能满足空间站长期载人航天的需求。
2017年4月20日，我国首艘货运飞船天舟一号升空，与天宫二号空间站实验室进行了交会对接，并开展了在轨加注等多项试验。从2021年起至2023年9月，我国陆续发射了天舟二号～六号货运飞船与空间站核心舱对接，为后续发射的神舟十三号～十六号乘组送去大量所需物资。
天舟货运飞船由货物舱和推进舱组成，其中的货物舱用于存放货物、设备，推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。为了满足空间站的需求，天舟货运飞船有标准型（推进舱有8个贮箱）和改进型（推进舱有4个贮箱）两种技术状态，从而能根据空间站补加推进剂上行的需求进行选用。
天舟一号～天舟五号是标准型货运飞船，其上行货物运输能力为6.9吨；2023年发射的天舟六号是改进型天舟货运飞船，其上行货物运输能力为7.4吨。
天舟飞船模拟图。版权／中国载人航天工程网
由于我国空间站已在2022年底建成，2023年起发射的货运飞船不需要在轨给空间站加注太多燃料，所以采用了只有4个贮箱的改进型货运飞船，这样就能把货物舱的一些设备移到推进舱中，使货物舱的容积由18.1立方米增加至22.5立方米，提高了飞船货物舱的载货能力，并把货运飞船发射频次由2021年、2022年的2年4发降低至2年3发，从而明显提高了空间站工程综合效益。
该飞船整船最大装载状态下重量达13.5吨，标准型货运飞船可装3.5吨燃料，其中1吨自用，其余的补加给空间站；改进型货运飞船可装1.75吨燃料，其中1吨自用，其余的补加给空间站。
天舟飞船的载货比（所载货物重量与货运飞船总重量之比）高达51%或53%，居世界第一，可谓“皮薄馅大”，运输效率极高。其每次货物的运载量在全球现役货运飞船中也是最大的。每艘天舟货运飞船可停靠空间站1年。
另外，天舟还与众不同地采用了型谱化和模块化设计，货物舱有全封闭、半开放和全开放以及小型舱段运输型4种构型，因而可根据需要进行不同种类物资的运输。现已发射的6艘天舟货运飞船的货物舱均为全封闭型。
从天舟二号和神舟十二号起，我国的所有货运飞船和载人飞船与空间站的交会对接都改用快速交会对接模式，即在飞船发射后10小时以内就可以与空间站对接。其中，天舟五号在升空后仅用2个小时就与空间站天和核心舱后向对接口顺利对接，创造了空间站阶段的交会对接最快纪录。
实验小站有特色
研制和发射天宫一号和二号是我国的一个创新。因为当时我国还没研制出长征五号大型运载火箭，但为了突破载人航天的一些关键技术，我国没有等待，而是用现有的长征二号F运载火箭先后发射了天宫一号、二号。它们都具有空间站寿命长和功能强等一些元素，但体积和重量比较小，所以可视为微型空间站。
2011年9月29日，我国成功发射了天宫一号目标飞行器。它完成了四大任务：一是作为空间交会对接的目标，先后与3艘神舟飞船进行了空间交会对接，从而使我国掌握了交会对接技术，并比国外每次进行交会对接试验要发射2艘飞船、进行3次空间交会对接要发射6艘飞船节省不少资金；二是掌握实现了与神舟飞船对接后的组合体控制和管理技术。三是实现了航天员的在轨驻留、生活和工作，为航天员提供在组合体内工作生活所需的基本条件，开展了相关的科学实验。四是进行空间技术试验。这些都为后来的空间站建造进行了先期的技术验证，做到了“少花钱，多办事”。
2016年9月15日，我国成功发射了天宫二号空间实验室。它与天宫一号在外形、结构、尺寸、质量上基本没有变化，前者是后者的备份。但因为后者任务完成顺利，所以前者与后者的任务有很大不同。天宫二号是我国首个真正意义上的空间实验室，主要完成了三大任务：一是验证了航天员在轨中期驻留技术，并进行了在轨维修技术试验；二是与新研制的天舟一号货运飞船进行了交会对接，验证了推进剂在轨补加技术；三是开展了大规模空间科学和应用实验。
天宫一号与神舟十号空间交会示意图。
天宫一号和二号均由实验舱和资源舱组成，其中实验舱用于组合体控制，也是航天员的工作舱和生活舱，它由密封舱和非密封舱组成；资源舱是非密封舱。
实验舱的密封舱有专用睡眠区、锻炼区、实验区和仪表区，里面有两个独立的睡眠区。实验舱的非密封舱安装了航天应用设备或空间实验设备。实验舱前端装有通信设备、交会测量设备和对接机构，用于支持与载人飞船实现交会对接。
资源舱用于提供动力、燃料和电能等。舱内主要装有推进剂贮箱、镍氢蓄电池以及环境控制用气瓶等设备。舱外装有太阳翼以及中继卫星天线。其姿态控制系统的控制力矩陀螺也装在资源舱上，这一技术后来也用于空间站上了。
为了满足航天员中期驻留30天的需要，在天宫一号的基础上，对天宫二号开展了宜居环境设计，改善了就餐和睡眠环境，增加了锻炼设备和娱乐设施。为了后续的空间站建设，在天宫二号开展了60余项空间科学实验和技术试验，取得了一大批具有国际领先水平和重大应用效益的成果。
空间大厦功能强
我国空间站工程于2010年9月25日立项，于2022年底建成和运行，使我国成为世界极少数能独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术试验和综合开发利用太空资源能力的国家。我国第一座空间站的研制也没有走美苏研制空间站的老路，而是一步就达到世界第三代空间站水平以上。
我国空间站的基本型由天和核心舱、问天和梦天两个实验舱组成，这三个舱每个质量都是20吨级，它们在轨水平对接成对称的“T”形构型，其中，天和核心舱居中，问天和梦天实验舱对接于两侧，可在轨运行10年以上。
2021年发射的天和核心舱是空间站组合体控制和管理主份舱段，并具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱和保障空间科学实验能力，装有3个卧室及1个卫生间，可支持3名航天员长期在轨驻留，能配置4台科学实验柜（发射时装了3台），可为航天员提供50立方米活动空间。
2022年发射的问天实验舱和梦天实验舱用于支持大规模开展舱内外空间科学实验和航天技术试验。其中，问天实验舱还作为组合体控制和管理的备份舱段，并具备乘员出舱活动的主份气闸舱和3个卧室及1个卫生间，能配置8台科学实验柜（发射时装了4台），主要开展空间生命科学实验；梦天实验舱具备载荷自动进出舱能力，能配置13个科学实验柜（发射时装了9台），主要开展微重力科学实验。它们与天和核心舱对接后，为航天员提供了110立方米间活动空间。
我国空间站能长期载3人，半年轮换一次。在航天员轮换的6～10天内，空间站最多有6个人。每个航天员乘组由1名上过天的航天驾驶员担任指令长，其余人员构成根据任务需要，由航天驾驶员、航天飞行工程师以及载荷专家组成。
空间站应用以建设国家太空实验室为目标，充分利用空间站能力，开展科学前沿的创新性实验和应用研究，力争在科学和技术上取得重大突破，主要包括航天医学实验、空间科学研究与应用和航天技术试验三大类。我国正利用空间站支持能力、微重力和辐射环境、航天员较长在轨驻留、天地往返等有利条件，进行11个方向的空间科学与应用研究，将陆续开展1000多项空间科学实验。
2022年12月，中国航天员乘组完成首次在轨交接。20年前，首批航天员的选拔，条件近乎严苛。今天的空间站则在各个层面上都实现了升级，任务的可调节性也同步增强，选训标准越来越科学。
采用众多新技术
利用后发优势，我国空间站采用了不少新技术。例如，天和核心舱配置有一部承载力达25吨、10米长“七自由度大型空间机械臂”，它可在舱体表面的爬行移动。无论是舱段转位、大设备的移动，还是航天员自身移动，都可用该机械臂完成。问天实验舱配置了1个承载3吨、5米长的小机械臂，其位置精度优于大机械臂的5倍，姿态精度优于2倍，重复定位精度10毫米，并可爬到无机械臂的梦天实验舱上工作，还能与大机械臂组合成15米长的更大机械臂。
空间站上的机械臂（视频截图）。
为了降低载人航天的成本，我国空间站采用了再生式生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收，排泄的尿液也回收净化，重新作为饮用水和生活用水使用。通过再生处理，94%以上的航天员生活污水和空气冷凝水可再次供航天员日常使用和电解制氧。
后续，还将把电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳通过化学反应生成氧气，并采用生活垃圾处理与再利用技术，进一步提高物资再生循环利用水平，从而最大限度地减少上行补给量，降低空间站的运营成本。
我国空间站首次采用了大面积可展收柔性太阳翼。它收拢后厚度仅为刚性太阳翼的1/15，上天展开后面积巨大，光电转换效率高达30%以上，即使在空间站运行末期也能为空间站应用提供27千瓦电力，以保障空间站所有设备的正常运行。
除了配备了常规的化学能轨控发动机和姿控发动机外，核心舱上还额外配置了4台大功率霍尔电推进发动机。其效率比化学能发动机高几倍，可有效地节省核心舱自带推进剂的消耗，减少用货运飞船为空间站补给燃料的压力和成本。
我国还将在2024年发射与天宫空间站共轨飞行的巡天光学舱。它将搭载2米口径的巡天望远镜，分辨率与美国哈勃空间望远镜相当，但视场角是后者的300多倍，可在大范围巡天科学研究方面大显身手。
我国空间站系统的一大创新就是将成为世界第一个航天器“母港”。例如，巡天光学舱在需要时可与天宫空间站主体对接，由航天员对其开展推进剂补加、设备维护和载荷设备升级等活动。
另外，我国吸取了之前国外空间站的经验和教训，采用了独立自主的系统一体化设计、高效统一的空间能源技术、天地一体化空间高速信息技术、智能灵活的空间机械臂技术、安全舒适的长期驻留支持技术、高效能的空间应用保障能力，所以我国空间站不仅技术先进、功能强大，而且建造周期、成本等也大大压缩了。我国空间站既不贪大求全，但又规模适度，属于经济适用型。其特点是起点高，效益高，技术新，保障强。
与国外最先进的第四代空间站——国际空间站相比，我国空间站虽然规模相对较小，但应用效益比国际空间站高。例如，我国空间站上的科研设备重量在整站重量中的占比比国际空间站高；我国空间站用于科研设备的供电支持率也比国际空间站的高。
我国空间站也可以根据需要进一步扩展，由“T”字构型扩展成“十”字构型甚至“干”字构型，从而增加空间站的活动空间。它有望取得有重大科学价值的研究成果和有重大战略意义的应用成果。
2027～2030年，我国还将实现载人登月的宏伟目标。
透过舷窗看地球。杨利伟首飞太空时看向舷窗外的那一刻，令他终生难忘。
（节选自《中国国家天文》2023年10月刊）
本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：庞之浩（中国空间技术研究院512所编审），编辑： 缓缓、怀尘