2024.03.24 中國的太空站、嫦娥登月計畫、天問火星探測任務-擷取自蘇育平撰中國航天事業與火箭軍一書

蘇老師講解國際新聞、中東與中亞歷史、中國事務、太空知識的頻道。 Diplomat's daily news review and history research on Middle East and Central Asia, China Affairs and Space Exploration

2024.03.24 中國的太空站、嫦娥登月計畫、天問火星探測任務-擷取自蘇育平撰中國航天事業與火箭軍一書
中國從2011年起，建設「天宮一號」太空實驗室，或者叫他軌道飛行器，也可以說就是一艘停留在軌道上固定位置的太空船體，但是其實它也就是一個原始型態的太空站。 2011年9月29日，天宮-1號由長征-2F運載火箭發射升空，並完成順利進入軌道及變軌的任務，從此開始在太空中運行。
它與地面之通信測控是由中繼衛星、16個中國海內外陸基測控站、3艘遠望測控船、北京飛控中心、西安測控中心等共同組成。
圖2-36 天宮一號目標飛行器（中國航天局）
天宮-1號是由實驗艙與資源艙兩個艙體連結而成，全重8.5噸，長度10.4公尺，最大直徑處3.35公尺，內部空間約15立方公尺，一個套房的空間大小，夠兩、三位太空人的生活居住與工作需求。
2011年11月3日，無人的神舟-8號太空船到來與天宮-1號進行首次對接，這使中國成為繼美國與蘇聯之外，第三個完成太空中飛行器對接的國家。直到11月17日，兩者解開對接，神舟-8號返回地球，計有兩個禮拜時間兩者連接在一起，在距地343公尺的軌道上運轉。
2012年6月18日，神舟-9號太空船又到來與天宮-1號對接，組成一組聯合體，並由神舟-9號的太空人（景海鵬、劉旺、劉洋）進行各種操作調整與機器調適工作。6月28日神舟-9飛船與天宮-1號分離，返回地球，兩者連結10天時間。
圖2-37 神舟-9號太空人進入天宮-1號（CCTV）
2013年6月13日，天宮-1號歡迎前來的第三組團隊，神舟-10號飛船並形成對接組合體，3名太空人（聶海勝、張曉光、王亞平）入駐天宮-1號，開始進行各項操作。12天後，神舟-10號飛船在6月25日與天宮-1號脫離，返回地球。而這也是天宮-1號最後一次迎來訪賓，很快天宮-1號就要結束它的使命，它對中國航天的最大作用就是與三次神舟飛船進行的6次飛行器對接工作，這是一項不容易做到的技術，也是天宮-1號被發射升空最主要的使命。
圖2-38 天宮-1號外部結構圖（新華社）
2016年，天宮-1號結束任務，不再擔負任何科研任務。在人工操縱下，2018年4月2日天宮-1號墜回地球大氣層，大部分組件在大氣層中燒毀，遺骸落入太平洋中，未造成傷害，成為魚礁。
很可惜的是，中國航天局並不把天宮-1號認定為正式的太空站，只是作為一個實驗性的軌道飛行物，可以短期載人居住工作，但因為空間小，載運物資不多，太空人最多不停留超過兩週時間，通常只有待10天就走人。
不過經由天宮-1號與神舟8號至10號三批人員與飛船的多次對接工作，中國太空人熟悉了如何在太空環境下進行兩艘飛行器的對接工作，並在太空中展開宇宙科學實驗，航天醫學實驗及太空站技術實驗。神舟-10太空人甚至遠端為中國的小朋友上課，真實演示在太空失重環境下的物體運動特性，液體表面張力特性等物理現象在太空環境下之表現。無疑為之後大型的天宮太空站之運作打下很好的基礎。
圖2-39 神舟-8號與天宮-1號進行對接之瞬間（新華網）
2.5.2 天宮二號
「天宮-2號空間實驗室」是中國對建造太空站又一個嘗試，由航天科技一把手的「中國航天科技集團」旗下的「中國空間技術研究院」負責研發生產，基本上與天宮-1號目標軌道器功能等級一致，空間有22.3立方公尺，設計壽命兩年，並能容納3名太空人在內居住生活工作。內部有一個大氣壓，外部是宇宙空間，沒有大氣壓，因此防止氣壓流失的密封性很重要。
圖2-40 右方的天宮-2號空間實驗室與天舟貨運飛船結合（維基百科，公有領域）
圖2-41 天宮-2號空間實驗室（南方都市報）
從2014年開始總裝工作，一直到2016年9月15日晚上22時4分，在酒泉衛星發射中心由長征-2F T2改進型火箭發射升空，順利入軌道運行。它的中心任務是要驗證讓太空人可以進行中長期（30天左右）之在軌道滯留生活。9月16日，天宮-2號經過變軌後，進入離地高度380公里的軌道，9月25日，再調高至離地高度393公里的軌道。
2016年10月19日，神舟-11號載人太空船抵達附近並與天宮-2號進行順利對接，太空人景海鵬與陳冬進入天宮-2號空間實驗室，並在組合體中居住生活、做科學實驗等，在組合接近一個月後，11月17日神舟-11號太空船與太空人脫離天宮-2號，回歸地球。
隔年2017年4月22日，天舟-1號貨運飛船過來與天宮-2號空間實驗室進行對接，補充物資燃料等，順利完成推進劑在太空環境下補注的工作，最後在半年後的9月17日，天舟-1號與天宮-2號分離開來，天宮-2號基本完成任務。
2019年7月19日，天宮-2號受控重返地球，在大氣層中燒毀，殘骸落入太平洋。
天宮-2號科學性質更加強，可進行地球觀測、太空地球系統科學、太空應用新技術太空技術、太空醫學等其他學門的關鍵技術研究。在太空微重力環境、有宇宙輻射狀態下，可進行許多宇宙才能進行的科學實驗，與地球有重力、氣壓等環境是截然不同的。
圖2-42 天宮-2號空間實驗室（中國航天局）
在經過天宮-1號與天宮-2號的實驗運作後，中國正式啟動「天宮太空站」的建設工作。
筆者覺得把天宮-1號及天宮-2號墜回地球燒毀的作法有點可惜了，如果可以保留在軌道中，與後來的天宮太空站一起結合，其實是可以組合起更大的太空站站體，或者將之拖到月球表面墜毀，未來建立月球科研站時也可以運用上這些金屬結構體，也不浪費當初將它射入太空的燃料成本。
2.5.3 天宮（中國）太空站
藉助「神舟系列載人飛船」、「天舟系列無人貨運飛船」與長征系列運載火箭，航天業的一把手「中國航天科技集團」開始建設「天宮一號」太空站。首先是2021年4月29日，重達22.5噸的「天和核心艙段」被長征-5B（遙2）運載火箭給推上太空，成功進入預定軌道並展開太陽能翼。這個成功受到中共總書記兼國家主席兼軍委主席習近平的肯定並發來賀電，畢竟他才是發射任務背後的大老闆。而且天宮太空站的建成之象徵意義與國際聲譽也是極高的。
一個月後，天舟-2號貨運飛船也在2021年5月29日發射成功，並過來與天和核心艙完成順利對接連結，補充物資與燃料等。代表天和核心段運作正常，可接受補給。
再隔半個月，2021年6月17日，神舟-12號載人飛船由長征-2F遙12火箭從酒泉發射中心發射，並在6個半小時後過來與天和核心艙完成對接連結，神舟-12號的3名太空人聶海勝、劉伯明、湯洪波進入天和核心艙，等於是在太空中，第一次有人進入了天宮太空站。從此開始了神舟太空人在天宮太空站輪流值勤駐守的任務。
圖2-43 天和核心艙的模擬示意圖（Shujian Yang，公有領域）
「天和核心艙」是今日天宮太空站的主體大廳，是天宮太空站的管理控制中心，也是太空人生活工作的地方。它的全長是16.6公尺，有一半直徑4.2公尺，另一半直徑2.8公尺，總共空間大約是58平方公尺，約同於17.5坪，在地表上的房屋單位也算是小的，但在太空中，每一公克物資送上太空都是天價，因此在太空中蓋一個房子，還不能有空氣洩漏，還要供應人體維生一切功能，供氧氣、水、電等，這個空間已經算是天價堆成的了。
圖2-44 天宮太空站之天和核心艙在廠房中製作之外表（中國新聞社）
天和核心艙自重22.5噸，內有生命維持系統，有兩片面積總共134平方公尺的柔性太陽能板發電陣列提供的18千瓦電源，並有光伏電池儲存電能，等到旋轉到地球背面沒有陽光時，電池仍可供電給太空站使用。此外，太空站裝置有太空中推進的動力系統，4台「HET-80霍爾效應推進器（Hall-effect thruster,HET）」，每台霍爾推進器的推力有80毫牛，使用電場來加速推進劑，是一種電離子太空推進器。
霍爾推進器之推進劑燃料（氫氣 、甲烷、丁烷、氬氣、鉍、碘、鎂和鋅之組合）由天舟貨運飛船定期補給，因為天宮在太空中依然需要時時調整姿態與位置，避免被地球引力吸回地面或被太空垃圾命中，要時時保持在近地軌道上的良好位置，這需要在太空中可以噴射的火箭性質的推進器或這種像電離霍爾推進器的先進裝備才能做到。
由於太空中沒有氧氣可燃燒，和人類所曾經面對的挑戰相比，這種環境遠遠來得困難許多。使用電離子推進的「霍爾效應推進器」證明可以在太空宇宙空間中實用，因為它是利用磁場將電子衝向推進劑將之電離，接著有效地加速離子噴出而產生反推力，由於不需要氧氣作為燃燒的介質，因此可以在宇宙真空或稀薄大氣環境下將推進劑氣體排出，反向造成推進力，產生的推力取決於離子推力。霍爾效應推進器是有效的太空推進器，不論美國理工院校或NASA都還在對其進行科學試驗中，結果中國已經首先做出實物並裝在天宮太空站中進行實用。這總不能再說中國仿冒誰了，別人家的都還沒上市呢!
由於太空人是預備要長住在天和核心艙中的，因此裡面分隔布置成三個臥室與一間浴室，讓太空人居住。到目前為止，每次都是由神舟任務的三個人在天宮太空站中值勤約半年時間，因此每個人分到一個臥室沒有問題。此外，餐廳中有餐桌、食品加熱、冷藏設備與飲水機，另外還有很多一個個像公文櫃一樣的科學實驗機櫃等，裡面裝有實驗器材與材料，因為空間不大，因此任何設備都盡量做到輕薄短小，不能浪費空間。
「天和核心艙」最後與「問天實驗艙」及「夢天實驗艙」對接起來，就像拼積木一樣，多了兩個房間的空間可以使用。
圖2-45 天宮太空站完整三艙型態（Shujianyang製作，公有領域）
圖2-46 人類歷史上各太空站之尺寸對比（維基百科，公有領域）
從上圖可以看出，中國的天宮太空站比起目前的國際太空站個頭小了一號，甚至比起美國與蘇聯過去冷戰時期建造的太空站都小一號，可能是西方人人高馬大，需要的空間比較寬廣所致。但是一旦目前國際太空站不再延壽，太空中極可能只剩下中國的天宮太空站，還可能持續好多年，直到國際間有共識再蓋另一個國際太空站。
圖2-47 天和核心艙的結構圖（維基百科，公有領域）
「問天實驗艙」是2022年7月24日，由長征-5B遙3火箭搭載，從海南文昌發射場發射升空，隔天與天和核心艙前項端口對接完成。問天實驗艙長度17.9公尺，直徑4.2公尺，加壓空間118立方公尺，搭載8個實驗櫃，此外設有三個睡眠區、第二間廁所，完全可單獨支撐3名太空人在此生活。
2022年7月25日，神舟-14號乘員首次在軌從天和核心艙進入問天實驗艙，而且是不戴面罩、不穿防護服，代表問天實驗艙的密封性與天和核心艙一樣強，兩者結合也十分緊密。
圖2-48 發射前總裝中的問天實驗艙（中國新聞社，公有領域）
不過就算再緊密，也還是會有洩漏的情形，畢竟艙內氣壓高，艙外無氣壓，氣壓自然會往外擠壓洩漏，但只要控制在還可以維持的程度，不要把所有氧氣都洩露出去就好。
圖2-49 夢天實驗艙（中國新聞社，公有領域）
天宮太空站另一個大型組件是「夢天實驗艙」，2022年10月31日，在海南文昌航天發射場由長征-5B遙四運載火箭發射升空，其長度17.88公尺，直徑4.2公尺，加壓空間109立方公尺，重23噸。夢天實驗艙與火箭分離後，順利進入預定軌道，並於隔天成功與天和核心艙對接在一起，正式成為中國太空站的一個組件。之後在太空站上的神舟-14號乘員陳冬、劉洋、蔡旭哲三人也進入夢天實驗艙開始操作。
夢天實驗艙只有工作、倉庫與科研機構組，沒有供太空人睡覺與使用衛生間的功能，因此太空人僅能在此艙間工作。但終究給太空站帶來更多的空間與儲藏物資地，可以讓太空人住得更舒服一點。
圖2-50 夢天實驗艙之結構圖（Leebrandoncremer所繪，自由授權）
天宮太空站，也許看起來沒有國際太空站那樣高上大，尺寸與空間也沒有國際太空站與之前蘇聯和平號太空站大，但是天宮太空站裡面的一切，從外殼到裡面所有科學儀器與科學實驗酬載，都是中國獨立自主研發打造出來的，這樣不靠外力的從頭研發，辛苦又耗費時間，可是打下的基礎是比較穩固的，也不操之於人，不會被外國勢力因為政治因素而不時卡脖子制裁，這在中國科技發展歷程中已經發生多次。
天宮太空站是中國走向太空的一個據點，從天宮太空站可以繼續往月球登陸、火星登陸、太陽系外探索、小行星防禦、地球國土防衛等發展都事半而功倍，如果可以發展出比霍爾推進器更強大的推進引擎，甚至未來天宮太空站可以變成一艘探索星艦，直接由外太空向目標星系進發。
如果地球突發大型災難，人類短時間內滅亡，那麼在天宮太空站上的太空人（目前是3人值勤，最多可派上6人）也許會變成人類最後孑遺，也是復興的種子。因此要跟中國航天局建議，每次3名值勤的太空站神舟太空人至少應派一名有生育能力的年輕女性太空人，以防最慘烈的結局發生，人類還有一絲希望。
2.6 中國巡天號太空望遠鏡
過去人類從地球使用光學望遠鏡來觀測宇宙中的星球、星系、黑洞與其他天文景象，但是從地球表面到太空中還是有許多阻礙，如人造光害、雲朵、空氣微粒、人造衛星、太空垃圾與太空碎片等，對光學觀測造成干擾。而且地面觀測會受到大氣湍流的擾動，視寧度也不佳，大氣散射造成背景光干擾，還有被大氣臭氧層吸收掉的紫外線等，都對觀測結果造成不利影響。因此許多有名的地面天文台都要設置在高山以及偏遠無光害地區，才能夠盡量降低地面觀測之負面影響，清晰地看到遙遠的太空觀測目標。
因此在20世紀中期，當人類尚無法進入太空時，就有天文學家提出在大氣層外設置天文望遠鏡的構想與建議。在1962年，英國首先發射一個太陽望遠鏡到軌道上，美國NASA隨即在1966年也發射一枚軌道天文台到軌道，但三天後就因電池問題失敗。
美國隨即發送第二台軌道天文台，並讓其在太空中運作1968年至1972年，並從當時有了哈伯望遠鏡的構想，但因為1970年代NASA預算遭大幅刪減而放棄。1980年代，美國國會才勉強通過預算支持，並由歐洲太空總署一起加入分攤預算，最後哈伯太空望遠鏡於1990年4月24日，由發現者號太空梭於STS-31航次將哈伯望遠鏡所有組件送入地球軌道，開始運作迄今。哈伯望遠鏡對人類研究黑洞與星系的發展貢獻卓著。
2021年12月25日，美國太空總署、歐洲太空總署、加拿大太空總署合作之韋伯望遠鏡（James Webb Sapce Telescope）由歐洲亞利安-5號火箭搭載從法屬蓋亞那太空中心發射升空，進入拉格朗日L2點之軌道運作，距離地球150萬公里遠，不是在近地軌道了，也因此視界更開闊。它提供了比哈伯望遠鏡更高的紅外線解析度，亮度與靈敏度為哈伯望遠鏡的一百倍，可以研究宇宙中更古老的星系與恆星之大氣特徵，觀測其是否為適居星球。
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