太空“豪宅”！揭秘中國空間站的非凡性能→

我國的空間站自2022年底完成在軌建造以來，已經(jīng)成為一座國家太空實(shí)驗(yàn)室，也成為中國航天史上目前規(guī)模最大、長期有人照料的空間實(shí)驗(yàn)平臺。隨著神舟十九號飛船航天員乘組進(jìn)入太空，我國空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的第四次載人航天任務(wù)也正式開始。我國的空間站有什么技術(shù)特點(diǎn)？

未來還將發(fā)揮怎樣的作用呢？

下面將為大家詳細(xì)解答。

神舟十六號乘組拍攝的中國空間站

總體概覽

為了使我國成為世界極少數(shù)能獨(dú)立掌握近地空間長期載人飛行技術(shù)，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源能力，2010年9月25日，國家批準(zhǔn)研制由13個系統(tǒng)組成的中國首座近地軌道載人空間站。經(jīng)過12年的奮斗，我國終于在2022年底實(shí)現(xiàn)了這個目標(biāo)。

我國第一座空間站的建造沒有走美國和蘇聯(lián)先建造單艙式，再建造多艙式空間站的老路，而是直接建造達(dá)到世界第三代空間站水平以上的多艙式空間站，還實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品、原材料全部國產(chǎn)化，關(guān)鍵核心元器件100%自主可控。

這座空間科技大廈以“天和”核心艙、“問天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙三艙對接為基本構(gòu)型。每個艙的質(zhì)量都為20噸級，它們依次發(fā)射后，通過在軌交會對接和轉(zhuǎn)位，形成了水平對稱的T字構(gòu)型，即“天和”核心艙居中，“問天”艙和“夢天”艙對接于兩側(cè)。

中國空間站具有鮮明的中國特色和時代特征，采用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂結(jié)合，進(jìn)行艙段轉(zhuǎn)移、對接，在航天員和機(jī)械臂的協(xié)同下，可以完成復(fù)雜艙外建造和操作活動。

為了完成空間站的建造，在2021年，我國先后發(fā)射了“天和”核心艙和“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船各兩艘，進(jìn)行了為期一年的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。隨后，在2022年我國開始了空間站在軌建造階段，先后發(fā)射了“問天”和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙以及“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船各兩艘，使航天員的活動空間達(dá)到110立方米。

隨著空間站在軌建造階段的完成，從2023年起，我國空間站進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段，航天員采用乘組輪換方式，連續(xù)不間斷訪問、照料空間站，開展為期至少10年的空間科學(xué)研究、航天技術(shù)試驗(yàn)等空間站應(yīng)用活動。

本次進(jìn)行的神舟十九號太空飛行任務(wù)就是我國空間站進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段的第四次載人飛行任務(wù)。他們與神舟十八號乘組進(jìn)行在軌輪換，并將在軌駐留約6個月。

目前，我國空間站可長期載3人，半年輪換一次。在航天員輪換的6～10天內(nèi)，空間站最多有6個人。每個航天員乘組由1名上過天的航天駕駛員擔(dān)任指令長，其余人員構(gòu)成根據(jù)任務(wù)需要，由航天駕駛員、航天飛行工程師以及載荷專家組成。

總體上，我國空間站既不貪大求全，但又規(guī)模適度，屬于經(jīng)濟(jì)適用型。其特點(diǎn)是起點(diǎn)高，效益高，技術(shù)新，保障強(qiáng)。與國外最先進(jìn)的第四代空間站——國際空間站相比，我國空間站雖然規(guī)模相對較小，但應(yīng)用效益比國際空間站高。

例如，我國空間站上的科研設(shè)備重量在整站重量中的占比比國際空間站高；我國空間站用于科研設(shè)備的供電支持率也比國際空間站的高。

10月30日12時51分，神舟十九號與神舟十八號航天員乘組在空間站會師（中國載人航天工程官網(wǎng)圖片）

“天和”核心艙核心艙，顧名思義，是空間站最核心、最重要的組件。2021年4月29日發(fā)射升空的“天和”核心艙可為航天員提供50立方米的活動空間。

該艙段用于統(tǒng)一管理和控制空間站組合體；支持實(shí)驗(yàn)艙、載人飛船和貨運(yùn)飛船等飛行器與其交會對接和在軌組裝；提供3名航天員長期生活和工作的場所，同時支持部分學(xué)科的艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)；配置了大型機(jī)械臂和備份氣閘艙。它可安裝4臺科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（發(fā)射時帶上去了3臺），并已取得科研成就。

“天和”核心艙由節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙、后端通道和資源艙組成。其最大直徑4.2米（大柱段），最小直徑2.65米（小柱段）。

天和核心艙

節(jié)點(diǎn)艙有3個對接口和2個停泊口。其中，前向接口與生活控制艙相連，左右兩個方向?qū)ｉT用于“問天”和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙的停泊，軸向和對地向?qū)涌谟糜谳d人飛船的對接，此次神舟十九號飛船就是對接在軸向接口上，這一細(xì)節(jié)也體現(xiàn)在本次飛行任務(wù)的標(biāo)志中。節(jié)點(diǎn)艙還有一個對天向?qū)涌谟糜诤教靻T早期出艙，是備用氣閘艙出艙口。

生活控制艙由小柱段和大柱段組成。小柱段有3個臥室和1個衛(wèi)生間，大柱段是乘組工作、控制、鍛煉和休閑的地方。艙內(nèi)有空間站統(tǒng)一控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、通信設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)等。在密封的生活控制艙內(nèi)，配置了工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)6個區(qū)域。

資源艙是非密封艙，為空間站提供電力、推進(jìn)燃料等必需資源。末端對接口用于對接“天舟”貨運(yùn)飛船，接收來自地面的物資。

“天和”核心艙的姿態(tài)控制采用先進(jìn)的6個力矩陀螺方式，即通過改變角動量方向來產(chǎn)生控制力矩，其優(yōu)點(diǎn)是精度和可靠性很高。

神舟十九號載人飛行任務(wù)標(biāo)識（中國載人航天工程官網(wǎng)圖片）

“問天”實(shí)驗(yàn)艙示意圖

“問天”實(shí)驗(yàn)艙

“問天”實(shí)驗(yàn)艙于2022年7月24日升空，是我國空間站的首個實(shí)驗(yàn)艙，由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。工作艙內(nèi)設(shè)有3個臥室、1個衛(wèi)生間，可安裝8臺科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（發(fā)射時帶上去了4臺）；氣閘艙用于航天員出艙；資源艙裝有大量燃料、姿軌控動力系統(tǒng)和大型柔性太陽翼。

我國之所以先發(fā)射“問天”實(shí)驗(yàn)艙，再發(fā)射“夢天”實(shí)驗(yàn)艙與“天和”核心艙對接，是因?yàn)椤皢柼臁睂?shí)驗(yàn)艙是一個“多面手”。

01一是“問天”實(shí)驗(yàn)艙也像“天和”核心艙一樣具有對空間站組合體統(tǒng)一管理和控制能力。所以，萬一核心艙發(fā)生故障，可用“問天”實(shí)驗(yàn)艙控制整個空間站組合體，從而提高空間站整個設(shè)計的可靠性。

02二是“問天”實(shí)驗(yàn)艙像“天和”核心艙一樣有3個臥室，它與核心艙對接后，空間站就可滿足兩個航天員乘組共6人短期同時在軌生活、工作和交接班的需求。

03三是“問天”實(shí)驗(yàn)艙有更寬敞、更舒適、更安全的專用人員氣閘艙，可支持航天員更方便地出艙活動，保證他們的安全。從神舟十四號乘組起，航天員都是從這個主份氣閘艙出艙。該氣閘艙外方內(nèi)圓，目的是在其看上去像方形的外殼上安裝艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺，配置22個標(biāo)準(zhǔn)載荷接口。

04四是“問天”實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙外配置了1個承載力為3噸的5米長小型機(jī)械臂，它可爬到無機(jī)械臂的“夢天”實(shí)驗(yàn)艙上工作，還能與大型機(jī)械臂組合成15米長的更大機(jī)械臂。其位置精度優(yōu)于大型機(jī)械臂的5倍，姿態(tài)精度優(yōu)于大型機(jī)械臂的2倍，適用于完成精度要求更高的各類載荷和平臺設(shè)備的艙外安裝、維護(hù)和照料等。

“夢天”實(shí)驗(yàn)艙

2022年10月31日升空的“夢天”實(shí)驗(yàn)艙由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙4個艙段組成，是空間科研與應(yīng)用的“夢工場”。

“夢天”實(shí)驗(yàn)艙的工作艙是航天員工作與鍛煉的地方，裝有較多科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和鍛煉設(shè)備，但沒有臥室和衛(wèi)生間等。

“夢天”實(shí)驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)圖

其載荷艙與貨物氣閘艙則是以類似套娃的“雙艙嵌套”形式與工作艙相連，即在載荷艙內(nèi)部隱藏1個貨物氣閘艙，以減少氣體泄露。

其中，載荷艙配置2個展開式暴露實(shí)驗(yàn)平臺和1個固定式艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺，可提供24個艙外標(biāo)準(zhǔn)載荷工位。貨物氣閘艙是貨物出艙的專用通道，是迄今世界最大的貨物氣閘艙。

資源艙配置有大型柔性太陽翼和雙自由度對日定向裝置，它可根據(jù)空間站在軌運(yùn)動姿態(tài)和太陽的角度，讓太陽翼繞著實(shí)驗(yàn)艙軸和太陽電池翼軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

“夢天”實(shí)驗(yàn)艙可裝13個實(shí)驗(yàn)柜，發(fā)射時已裝了9個。其特點(diǎn)如下：

一是“夢天”實(shí)驗(yàn)艙是航天員開展科研工作的地方，所以沒有配置臥室、衛(wèi)生間，以便多裝科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

二是“夢天”實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，而“問天”實(shí)驗(yàn)艙主要用于開展空間生命科學(xué)研究。

三是“夢天”實(shí)驗(yàn)艙最大的特點(diǎn)是有一個貨物氣閘艙，其內(nèi)部有一臺載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，用于使貨物能自動出艙。

四是“夢天”實(shí)驗(yàn)艙專門還配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的配合下，能夠滿足百千克級微小飛行器或者多個規(guī)格立方星的在軌釋放需求。

先進(jìn)的技術(shù)

利用后發(fā)優(yōu)勢，我國空間站采用了不少新技術(shù)。例如：

“天和”核心艙配置有一部承載力達(dá)25噸的10米長“七自由度大型空間機(jī)械臂”。它達(dá)到世界第三代空間機(jī)械臂水平，可在艙體表面爬行移動。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動，還是航天員自身移動，都可用該機(jī)械臂完成。在航天員的協(xié)同下，也能完成復(fù)雜的艙外作業(yè)活動。

為了降低載人航天的成本，“天和”核心艙和“問天”實(shí)驗(yàn)艙都采用了再生式生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也會回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。通過再生處理，94%以上的航天員生活污水和空氣冷凝水可再次供航天員日常使用和電解制氧。

后續(xù)，還將把電解制氧時產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，并采用生活垃圾處理與再利用技術(shù)，進(jìn)一步提高物資再生循環(huán)利用水平，從而最大限度地減少上行補(bǔ)給量，降低空間站的運(yùn)營成本。

核心艙首次采用了一對大面積可展收柔性太陽翼。其單翼展開長度達(dá)12.6米，雙翼展開面積可達(dá)134平方米。與傳統(tǒng)剛性、半剛性的太陽翼相比，柔性翼體積小、展開面積大、功率重量比高，其全部收攏后僅為剛性太陽翼體積的1/15。其它兩個實(shí)驗(yàn)艙上的太陽翼更大，能獲取更多的電能，滿足空間站的供電需求。

其次，核心艙除了配備常規(guī)的化學(xué)能軌控發(fā)動機(jī)和姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)外，還額外配置了4臺大功率霍爾電推進(jìn)發(fā)動機(jī)，其效率比化學(xué)能發(fā)動機(jī)高幾倍，因而可有效節(jié)省核心艙自帶推進(jìn)劑的消耗，減少用貨運(yùn)飛船為空間站補(bǔ)給燃料的壓力，使我國空間站目前2年發(fā)射3艘“天舟”貨運(yùn)飛船即可，這也與“天舟”貨運(yùn)飛船運(yùn)貨能力很大有關(guān)。

未來展望

目前，我國正利用空間站支持能力、微重力和輻射環(huán)境、航天員較長在軌駐留和天地往返等有利條件，開展科學(xué)前沿的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，力爭在科學(xué)和技術(shù)上取得重大突破。

此次神舟十九號乘組將重點(diǎn)圍繞規(guī)劃中的“太空格物”主題，覆蓋空間生命科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、航天醫(yī)學(xué)、航天新技術(shù)等領(lǐng)域，開展微重力條件下生長蛋白晶體的結(jié)構(gòu)解析、軟物質(zhì)非平衡動力學(xué)等86項(xiàng)空間科學(xué)研究與技術(shù)試驗(yàn)，預(yù)計在基礎(chǔ)理論前沿研究、新材料制備、空間輻射與失重生理效應(yīng)機(jī)制、亞磁生物效應(yīng)及分子機(jī)制等方面取得一批科學(xué)成果。

“巡天”光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

未來，我國空間站系統(tǒng)還有望成為世界第一個航天器“母港”，可以在軌維修共軌飛行的其它航天器。例如，今后，我國還將發(fā)射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”空間望遠(yuǎn)鏡，其長時間運(yùn)行后，可根據(jù)需要飛往空間站，與“天宮”交會對接，由航天員對其開展推進(jìn)劑補(bǔ)加、設(shè)備維護(hù)和載荷設(shè)備升級等活動，然后分離，飛回原來的運(yùn)行軌道繼續(xù)工作。

根據(jù)需要，我國空間站也可以進(jìn)一步擴(kuò)展，由“T”字構(gòu)型擴(kuò)展成“十”字構(gòu)型甚至“干”字構(gòu)型，從而增加空間站的活動空間。

總之，中國空間站不僅僅是中國的空間站，也是促進(jìn)人類航天技術(shù)發(fā)展、造福全人類的空間站。未來，它有望取得有重大科學(xué)價值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。