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天宮一號

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天宮一號（Tiangong-1），為中國載人航天工程發射第一個目標飛行器，是中國第一個空間實驗室，也是中國邁入航天“三步走”戰略的第二步第二階段 [1]  。
天宮一號於2011年9月29日發射升空 [2]  ；於2016年3月16日，天宮一號正式終止數據服務 [3]  ；於2018年4月2日再入大氣層，銷燬部分器件 [4]  。
天宮一號發射入軌，先後與神舟八號、神舟九號和神舟十號飛船完成多次空間交會對接，為中國載人航天發展作出了重大貢獻 [5]  。
中文名
天宮一號
外文名
Tiangong-1、Heavenly Palace 1
所屬國家
中國
發射地點
酒泉衞星發射中心
發射日期
2011年9月29日21時16分03秒（UTC+8）
返回日期
2018年4月2日08時15分（UTC+8）
總設計師
楊宏

目錄

  1. 1 發射運行
  2. ▪ 任務前期
  3. ▪ 運送發射
  4. ▪ 神八對接
  5. ▪ 神九對接
  6. ▪ 神十對接
  1. ▪ 完成使命
  2. 2 飛行任務
  3. ▪ 飛行程序
  4. ▪ 主要任務
  5. ▪ 任務目的
  6. 3 技術狀態
  1. ▪ 艙體組成
  2. ▪ 測控通信
  3. ▪ 對接目標
  4. 4 飛行運載
  5. 5 技術成果
  6. ▪ 關鍵技術
  1. ▪ 技術創新
  2. ▪ 太空保障
  3. ▪ 科研成果
  4. 6 任務意義

天宮一號發射運行

天宮一號任務前期

2009年1月25日，天宮一號模型在2009年的春節聯歡晚會上展示亮相，介紹中國空間站未來任務及內容 [6]  。
2010年5月14日，中國載人航天工程第十八次大總體協調會在北京召開，會議討論確定了交會對接飛行任務規劃、天宮一號及神舟八號飛行任務綱要，協調了各系統間重大技術問題 [7]  。

天宮一號運送發射

2011年7月23日，天宮一號發射火箭長征二號F運載火箭運抵酒泉衞星發射中心 [8]  。
2011年9月28日，天宮一號完成發射火箭長征二號FT1火箭的推進劑加註工作 [9-10]  。
2011年9月29日，天宮一號發射升空，並進入預定軌道 [2]  。
2011年9月30日，天宮一號完成首次變軌任務，升至更高的運行軌道 [11]  。

天宮一號神八對接

2011年11月3日，天宮一號與神舟八號完成中國首次空間飛行器自動交會對接任務，並進行了二次自動交會對接，形成組合體 [12]  。
2011年11月4日，天宮一號與神舟八號組合體完成第一次軌道維持工作 [13]  。
2011年11月13日，神舟八號與天宮一號組合體在距地面高度約343千米的近圓軌道上偏航180度，建立倒飛姿態 [14]  。
2011年11月14日，天宮一號與神舟八號組合體完成第二次對接試驗工作 [15]  。
2011年11月15日，天宮一號與神舟八號組合體完成了最後一次軌道維持工作 [16]  。
2011年11月17日，天宮一號與神舟八號組合體進行解體工作，天宮一號轉入長期運行管理模式，完成對接任務 [17]  。
天宮一號/神舟八號實現剛性連接示意圖

天宮一號神九對接

2012年6月18日，天宮一號與神舟九號完成自動交會對接工作，建立剛性連接，形成組合體 [18]  。
2012年6月19日，天宮一號與神舟九號組合體完成組合體交會對接後的第一次軌道維持 [19]  。
2012年6月21日，天宮一號與神舟九號組合體在太空中完成了第一次姿態調整，從交會對接的倒飛狀態進入正常飛行姿態，形成天宮在後正飛，飛船在前倒飛的組合體標準飛行模式 [20]  。
2012年6月22日，天宮一號與神舟九號組合體正常飛行狀態下，航天員在空間實施對飛行器的姿態控制，完成手動姿態控制試驗，同時完成軌道數據更新、飛行程序注入等工作 [21]  。
2012年6月27日，天宮一號與神舟九號組合體完成各項飛行控制工作，並進行天地通話工作 [22]  。
2012年6月28日，天宮一號與神舟九號組合體分離，完成與神舟九號對接任務 [23]  。

天宮一號神十對接

2013年6月13日，神舟十號與天宮一號實現自動交會對接，兩飛行器建立剛性連接，形成組合體。航天員入駐天宮一號 [24]  。
2013年6月25日，神舟十號與天宮一號組合體成功分離，飛船從天宮一號目標飛行器上方繞飛至其後方，並完成近距離交會 [25]  。
2013年6月25日，神舟十號自動撤離天宮一號，完成對接任務 [26]  。

天宮一號完成使命

2016年3月16日，天宮一號正式終止數據服務，全面完成了歷史使命 [3]  。
2018年4月2日，天宮一號再入大氣層，再入落區位於南太平洋中部區域，絕大部分器件在再入大氣層過程中燒蝕銷燬 [4]  。

天宮一號飛行任務

天宮一號飛行程序

1、天宮一號在酒泉衞星發射中心發射。經兩次變軌後進入高度約350千米的近圓軌道，並完成飛行器平台在軌測試。
2、在神舟飛船發射前，目標飛行器（天宮一號）開始降軌調相，進入高度約343千米的對接軌道，等待與飛船交會對接。
3、天宮一號在軌飛行期間，將分別與神舟八號、神舟九號和神舟十號飛船進行交會對接，形成剛性連接的組合體。
4、組合體飛行任務結束後，天宮一號與飛船分離。
5、待飛船返回後，天宮一號升軌到高度約370千米的近圓軌道，轉入長期在軌運行管理模式，開展空間科學與技術實驗，並等待下次交會對接。
6、天宮一號壽命末期，主動離軌，隕落南太平洋 [27]  。
天宮一號

天宮一號主要任務

1、天宮一號作為交會對接目標，與神舟八號、神舟九號以及神舟十號配合完成空間交會對接飛行試驗。
2、保障航天員在軌短期駐留期間的生活和工作，保證航天員安全。
3、開展空間應用、空間科學實驗、航天醫學實驗以及空間站技術實驗。
4、初步建立短期載人、長期無人獨立可靠運行的空間實驗平台，為建造空間站積累經驗 [1]  。

天宮一號任務目的

1、研製發射天宮一號目標飛行器，與神舟飛船共同完成航天器空間交會對接飛行試驗。
2、運行短期有人照料的載人空間試驗平台，進行航天員空間駐留試驗，以及載人空間站關鍵技術驗證。
3、進行對地遙感、空間環境和空間物理探測、空間科學實驗、航天醫學實驗及空間技術試驗 [28]  。

天宮一號技術狀態

天宮一號艙體組成

天宮一號目標飛行器為全新研製，採用實驗艙和資源艙兩艙構型，全長10.4米，艙體最大直徑3.35米，起飛質量8506千克，艙體最大直徑達3.35米，設計在軌壽命2年 [1]  。
  • 實驗艙體
實驗艙主要負責航天員工作、訓練及生活，為全密封環境，內設睡眠區，以及航天員保持骨骼強健的健身區。該艙由密封艙和非密封后錐段組成，最大直徑3.35米，軸向長度6.4米，密封艙有效活動空間約15立方米，非密封后錐段安裝遙感試驗設備 [29]  。
實驗艙前端安裝被動對接機構及交會對接測量合作目標，與飛船對接後，可形成直徑0.8米的轉移通道 [29]  。
  • 資源艙體
資源艙的主要任務是為天宮一號的飛行提供能源保障，並控制飛行姿態；主要為柱狀非密封艙，配置推進系統、太陽電池翼等，為空間飛行提供動力和能源。艙體直徑2.775米，軸向尺寸3.2米。電池翼展開後總長18.405米 [29]  。
  • 發射火箭
天宮一號由改進型長征二號F/T1火箭發射；該型號火箭在原長征二號F火箭的基礎上，研製了新型整流罩，並對助推器、控制系統和故障檢測系統等進行了改進，提高了運載能力和入軌精度。火箭全長52米，起飛質量49.3萬千克，運載能力8600千克 [29]  。

天宮一號測控通信

測控通信系統由兩顆天鏈一號中繼衞星、16箇中國國內外陸基測控站、3艘測量船，以及北京飛控中心和西安測控中心組成 [29]  。

天宮一號對接目標

  • 神舟八號
神舟八號為改進型載人飛船，沿用返回艙、推進艙和軌道艙三艙結構，全長9米，艙段最大直徑2.8米，起飛質量8082千克，具備自動和手動交會對接與分離功能。
發射火箭為長征二號F遙八火箭，是在原長征二號F火箭基礎上，對助推器、控制系統、故障檢測處理系統等進行了改進，提高了可靠性和入軌精度；火箭全長約58米，起飛質量約497000千克，運載能力不小於8130千克 [30]  。
  • 神舟九號
神舟九號與神舟八號技術狀態基本一致，為進一步提高安全性與可靠性，進行了部分技術狀態更改。飛船全長9米，艙段最大直徑2.8米，起飛質量不大於8130千克。
發射火箭為長征二號F遙九火箭，全長約58米，起飛質量約496820千克，運載能力不小於8130千克 [31]  。
  • 神舟十號
神舟十號飛船主要由推進艙、返回艙和軌道艙組成，與神舟九號飛船技術狀態基本一致，飛船全長9米，艙段最大直徑2.8米；飛行速度約每秒7.9千米，每小時飛行2.8萬千米 。
發射火箭為長征二號F遙十火箭，全長約58米，起飛質量約496820千克 [32]  。

天宮一號飛行運載

  • 運載物品
天宮一號主要搭載物品有：
1、航天食品，包括蔬菜、肉類、水果和覆水湯等，其中，大部分為實驗品，不可食用。
2、實驗艙搭載體育鍛煉設施和娛樂設施，以及提前收錄有影音節目的筆記本電腦。
3、一枚中國結、四種瀕臨滅絕的植物種子和300面國際宇航聯合會會旗 [33]  。

天宮一號技術成果

天宮一號關鍵技術

天宮一號作為空間實驗室的重要組成部分，其關鍵技術為“空間交會對接”；該技術是追蹤飛行器和目標飛行器在預定的空間軌道交會，並在結構上連成一體的過程。 [34]  。
空間對接概念圖 空間對接概念圖
  • 技術作用
空間交會對接主要有三個方面的作用：
1、用於大型空間設施的建造、運行和維修。
2、用於為長期在軌運行的空間設施提供物資補給、人員運輸和空間救援。
3、是用於登月和深空探索等航天任務 [9]  。
  • 技術難點
首次交會對接任務具有四個方面的難點：
1、技術要求高。發射神舟飛船的運載火箭入軌精度指標比工程前期有大幅提高；載人飛行器在軌壽命要求大幅提高。
2、新技術採用多。首次使用了運載火箭高精度迭代制導技術，組合體控制和管理技術等。
3、驗證難度大。由於受地面環境和試驗條件限制，部分新研設備在空間環境下的功能性能指標無法得到全面真實的驗證，尚需通過飛行試驗考核。
4、組織實施複雜。由於任務持續時間長，發射次數多，整體性、時效性和關聯性強，交會對接過程關鍵事件多、決策點多，對任務組織指揮、各系統協同工作提出了前所未有的挑戰 [35]  。

天宮一號技術創新

  • 壁板高精度加工
作為一種全新的載人航天器，天宮一號實驗艙採用整體壁板結構，不同於以往的蒙皮加筋結構，能夠保證壁板的加工、成型、焊接等精度，進而保證艙體結構精度及各設備安裝接口的位置精度，是產品研製過程中的難點之一。
天宮一號採取了振動時效技術，實現產品的在線去除應力，使壁板零件在加工中的變形得到有效控制。
  • 確保壁板精密成形
由於壁板被銑成了網格狀，大量的材料都要被切除，材料的利用率不到10%，而且厚度不均勻，採用傳統的成型技術很容易造成壁板開裂。
為此，在這方面，天宮一號採用了新的成形工藝方法，解決零件厚度突變無法成形的工藝難題。
  • 推進VPPA技術工程化
天宮一號的實驗艙主結構為整體壁板焊接結構，為了解決現有焊接方法存在焊接缺陷多、合格率低、變形大、精度低等問題，首次在航天正樣產品上應用了變極性等離子弧焊接工藝（VPPA）。
該技術專門為鋁合金焊接而開發，具有焊接質量好、焊縫窄、變形小等優點，被稱為“零缺陷焊接” [36]  。

天宮一號太空保障

為了保障天宮一號飛行及交會對接的成功實施，飛行器採用13個分系統組成，分別為：
飛行器採用的13個分系統組成 [37] 
結構與機構分系統
制導導航與控制分系統
熱控制分系統
推進分系統
環境控制與生命保障分系統
電源分系統
總體電路分系統
測控與通信分系統
數據管理分系統
儀表與照明分系統
乘員分系統
對接機構分系統
空間技術試驗分系統
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天宮一號科研成果

1、天宮一號開展了地球環境監測、空間環境探測、複合膠體晶體生長等3方面的科學實驗，並獲得大量珍貴實驗數據和一系列空間實驗成果。
2、安裝在天宮1號上的高光譜成像儀運行順利，成功拍攝大量高光譜圖像數據，分別提供給中國國土資源部、國家海洋局及中科院遙感所等單位。
3、天宮一號承載的高能粒子輻射探測器和軌道大氣綜合探測器，可實時監測軌道大氣密度、成分、質量及其時空分佈變化，為空間環境預報及其變化機理研究、目標飛行器和航天員安全保障提供準實時監測數據。
4、天宮一號空間應用系統開展了太陽與地磁活動指數的中期預測等研究，其成果已成功應用於中國首次載人交會對接任務的空間環境預報。
5、在天宮一號上進行的複合膠體晶體生長與相變實，是中國首次採用可見光衍射方法實現膠體晶體結構解析，其中大部分技術可直接應用於空間材料、生命、流體等科學實驗,併為空間站壽命等項目進行了關鍵技術驗證 [38]  。

天宮一號任務意義

天宮一號的發射標誌着中國邁入中國航天“三步走”戰略的第二步第二階段；同時也是中國空間站的起點，標誌着中國已經擁有建立初步空間站，即短期無人照料的空間站的能力 [1]  。（《科技視界》 評）
天宮一號作為載人航天空間應用實驗 平台，共進行了地球環境監測、空間環境探測、複合膠體晶體生長三個方面的科學實驗，獲得了大量寶貴的實驗數據，這些數據廣泛應用於國土資源、林業、農業、油氣、礦產、海洋、城市熱島、大氣環境探測、材料科學等領域的研究 [39]  。（中國載人航天官網 評）
參考資料
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