揭秘中國空間站

余建斌 劉詩瑤

2020年5月5日，在中國文昌航天發(fā)射場，首次發(fā)射的長征五號B運(yùn)載火箭，成功將新一代載人飛船試驗(yàn)船和柔性充氣式貨物返回艙試驗(yàn)艙送入太空軌道。5月8日，新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙成功著陸返回，試驗(yàn)取得圓滿成功。這也是中國空間站在軌建造階段的第一次飛行任務(wù)，期盼已久的中國空間站建造大幕終于拉開。

20世紀(jì)90年代開始啟動(dòng)的我國載人航天工程，規(guī)劃了“三步走”戰(zhàn)略。從發(fā)射載人飛船將中國航天員送入太空，到太空出艙、發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，如今已走到第三步，即“建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題”。隨著空間站工程全面展開，中國正式邁入了“空間站時(shí)代”。

按規(guī)劃，空間站將在2022年前后建成。屆時(shí)，它將運(yùn)行在高度340—450公里的近地軌道，在軌飛行可達(dá)10年以上，支持開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用等活動(dòng)。而且，通過太空維修可以延長使用壽命，也可以擴(kuò)展其規(guī)模。

空間站長什么樣？

整體呈T字構(gòu)型，有三個(gè)艙段。如果把神舟飛船比作一輛轎車，天宮一號和天宮二號相當(dāng)于一室一廳，空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間

中國空間站的名字頗具中國特色，命名為“天宮”，一般情況下駐留3人，在航天員輪換時(shí)最多可達(dá)6人，建成后將成為我國長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行的國家太空實(shí)驗(yàn)室。

中國載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平介紹，空間站基本構(gòu)型有3個(gè)艙段，1個(gè)核心艙，2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。每個(gè)艙都是20噸級，三艙組合體質(zhì)量約66噸?？臻g站整體呈T字構(gòu)型，核心艙居中，實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ分別連接于兩側(cè)。其中，核心艙用來控制整個(gè)空間站組合體，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎(chǔ)物理等方面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

中國航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師朱光辰形象地比喻：“如果神舟飛船是一輛轎車，那么天宮一號和天宮二號相當(dāng)于是一室一廳的房子，空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間。”

核心艙命名為“天和”，全長16.6米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，是我國目前研制的最大航天器。它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活的主要場所，還能支持開展少量的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。為了讓航天員在太空中的長期生活更加舒適，核心艙在設(shè)計(jì)上有很大突破，供航天員工作生活的空間約50立方米，加上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，航天員活動(dòng)空間整體達(dá)到110立方米。

核心艙又包括節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙三部分，有3個(gè)對接口和2個(gè)停泊口。停泊口用于連接兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，一起與核心艙組裝形成空間站組合體。對接口用于載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他飛行器訪問空間站，另有一個(gè)出艙口供航天員出艙活動(dòng)。其中，核心艙前端的兩個(gè)對接口接納載人飛船對接?？浚蠖说囊粋€(gè)對接口接納貨運(yùn)飛船?？垦a(bǔ)給。對接口可以支持其他飛行器短期?？?，并接納新的艙段對接，擴(kuò)展空間站規(guī)模。

中國航天科技集團(tuán)五院空間站系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師張昊介紹，核心艙是空間站的主控艙段，主要對整個(gè)空間站的飛行姿態(tài)、動(dòng)力性、載人環(huán)境進(jìn)行控制。核心艙的大柱段直徑4.2米，小柱段直徑2.8米。大柱段部位主要是航天員工作和實(shí)驗(yàn)的地方，小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)，保障航天員的生活和正常居住。

實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ名為“問天”，主要任務(wù)是開展艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，也是航天員的工作生活場所和應(yīng)急避難場所。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ配備了航天員出艙活動(dòng)專用氣閘艙，支持航天員出艙活動(dòng)，配置了小型機(jī)械臂，可進(jìn)行艙外載荷自動(dòng)安裝操作。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ有著核心艙部分關(guān)鍵平臺功能，這意味著在需要的時(shí)候，它可以執(zhí)行對空間站的整個(gè)管理和控制。

實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ名為“夢天”，具備和實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ類似的功能。實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ還配置有貨物專用氣閘艙，在航天員和機(jī)械臂的輔助下，支持貨物、載荷自動(dòng)進(jìn)出艙。

空間站工程也包括天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和貨物運(yùn)輸系統(tǒng)。天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)由神舟載人飛船和長征二號F運(yùn)載火箭組成，用于航天員和部分物資往返空間站。神舟載人飛船可支持3名航天員實(shí)現(xiàn)天地往返，在空間站?？科陂g也作為救生船，用于航天員應(yīng)急救生和返回。

空間站貨物運(yùn)輸系統(tǒng)由天舟貨運(yùn)飛船和長征七號運(yùn)載火箭組成。貨運(yùn)飛船為空間站運(yùn)送航天員生活物資、推進(jìn)劑、載荷設(shè)備等補(bǔ)給物資。

在空間站建設(shè)階段，長五B火箭同樣承擔(dān)著將空間站艙段送入軌道的重要任務(wù)。中國的空間站未來還有一個(gè)重要計(jì)劃，在空間站建造完成后，會單獨(dú)發(fā)射一個(gè)十幾噸的光學(xué)艙，與空間站保持共軌飛行狀態(tài)。光學(xué)艙命名為“巡天”，具備自主飛行能力，正常任務(wù)時(shí)與空間站共軌飛行，進(jìn)行高分辨率天文觀測，開展天體物理和空間天文學(xué)研究。需要燃料補(bǔ)給和設(shè)備維修時(shí)，光學(xué)艙可與空間站對接，進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加和設(shè)備維修維護(hù)，提高自身壽命和工作性能。

“計(jì)劃在光學(xué)艙里架設(shè)一套口徑兩米的巡天望遠(yuǎn)鏡。如果在軌10年，可以對40%以上的天區(qū)進(jìn)行觀測?！敝芙ㄆ秸f。這套望遠(yuǎn)鏡，可以源源不斷地為科學(xué)家們研究宇宙學(xué)和天文學(xué)提供海量的觀測數(shù)據(jù)。

中國空間站的設(shè)計(jì)研制，秉持規(guī)模適度、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效的理念，總體上體現(xiàn)中國特色和技術(shù)進(jìn)步。周建平說，中國的空間站可以進(jìn)一步擴(kuò)展，為未來留有發(fā)展空間。根據(jù)空間科學(xué)研究和應(yīng)用的需要，可以對接更多的艙段，也可以通過在軌維修、在軌技術(shù)升級等方式來滿足需求。中國空間站的研發(fā)，遵循規(guī)模適度原則，有利于控制工程的成本，重點(diǎn)突出載人航天的特色，突出發(fā)揮人在太空中的作用。

空間站怎么建？

分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、建造和運(yùn)營3個(gè)階段實(shí)施。長五B首飛后，將先后發(fā)射“天和”核心艙、“問天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙。航天員將多次出艙活動(dòng)，參與空間站建造

根據(jù)飛行任務(wù)規(guī)劃，空間站工程分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、建造和運(yùn)營3個(gè)階段實(shí)施。中國載人航天工程辦公室副主任林西強(qiáng)介紹，為完成空間站建造，共規(guī)劃了12次飛行任務(wù)。在長五B首飛后，將先后發(fā)射“天和”核心艙、“問天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢天”實(shí)驗(yàn)艙，進(jìn)行空間站基本構(gòu)型的在軌組裝建造，也規(guī)劃了發(fā)射4艘神舟載人飛船和4艘天舟貨運(yùn)飛船，進(jìn)行航天員乘組輪換和貨物補(bǔ)給。

“未來的11次任務(wù)是高密度的發(fā)射任務(wù)，充滿了大量的新技術(shù)和新挑戰(zhàn)，發(fā)射頻率和任務(wù)復(fù)雜性都大幅提升?！敝芙ㄆ浇邮懿稍L時(shí)說。這也將是一段非常輝煌的試驗(yàn)歷程。11次任務(wù)的完成，將意味著中國空間站正式建成。

空間站的試驗(yàn)核心艙計(jì)劃在2020年前后發(fā)射，目的在于驗(yàn)證空間站關(guān)鍵技術(shù)。完成驗(yàn)證以后，將陸續(xù)發(fā)射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙與之對接，空間站隨之也將從建造階段轉(zhuǎn)入運(yùn)營階段。從核心艙階段開始，航天員也將開始實(shí)際參與建造空間站，承擔(dān)不少任務(wù)。例如，他們要多次進(jìn)行復(fù)雜的出艙活動(dòng)。屆時(shí)，航天員可以利用機(jī)械臂協(xié)同完成載荷的在軌安裝、調(diào)試、升級等工作。

實(shí)際上，在近地軌道建設(shè)空間站，就意味著需要掌握大型空間設(shè)施的建造技術(shù)和運(yùn)營管理技術(shù)，具備強(qiáng)大的維護(hù)維修升級能力。航天員出艙和利用機(jī)械臂，都是重要的手段。

“一名航天員在艙內(nèi)操作機(jī)械臂，一名航天員在艙外太空行走。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動(dòng)，還是航天員自身的移動(dòng)，都可以通過機(jī)械臂完成?！敝芙ㄆ秸f，“空間站設(shè)計(jì)有兩類機(jī)械臂，人機(jī)配合，讓空間站建造維修成為可能?！?/p>

“往太空運(yùn)送物資的成本非常高，進(jìn)行物資循環(huán)利用并提高物資循環(huán)利用率，是世界載人航天關(guān)注的重大技術(shù)問題?！敝芙ㄆ秸f。

通過新的技術(shù)支持，中國航天員在空間站的補(bǔ)給將得到更好保障。此前我國航天員在軌飛行的最高紀(jì)錄是33天，航天員生存所必需的水和氧氣由航天器直接帶入太空。為了讓航天員實(shí)現(xiàn)更久的在軌停留，空間站設(shè)計(jì)了完整的可再生生命保障系統(tǒng)。電解制氧時(shí)產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，將通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，這也能夠降低氧氣的補(bǔ)給需求。

空間站如此龐大的系統(tǒng)，需要強(qiáng)有力的電力保障?？臻g站的電源系統(tǒng)包含兩對“翅膀”——單翼翼展約30米的柔性太陽翼。這個(gè)系統(tǒng)能夠?yàn)榭臻g站提供可靠、充足的不間斷供電。此外，空間站將采用電推進(jìn)技術(shù)作為空間站軌道維持的動(dòng)力裝置，這將顯著降低空間站運(yùn)行期間的推進(jìn)劑補(bǔ)給需求。

空間站有何用？

在軌運(yùn)行期間，將面向前沿科學(xué)探索、人類生存和太空活動(dòng)，支持開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用等活動(dòng)

空間站建成后，將是航天員的“太空之家”，也是科學(xué)研究的“太空實(shí)驗(yàn)室”。一流的太空實(shí)驗(yàn)平臺，將為科學(xué)家們?nèi)〉檬澜缂壍闹卮笸黄铺峁┯辛ΡＵ稀?/p>

按規(guī)劃，空間站將在軌運(yùn)行10年以上。圍繞地球運(yùn)行期間，將面向前沿科學(xué)探索、人類生存和太空活動(dòng)，支持開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和空間應(yīng)用等活動(dòng)。

載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)專家說，中國的空間站既是為中國科學(xué)家，也是為全球科學(xué)家提供的科學(xué)探索平臺，通過空間站這個(gè)平臺，有望涌現(xiàn)出更多科學(xué)成果，揭示宇宙的諸多奧秘。

空間站資源十分寶貴，經(jīng)過科學(xué)且慎重的遴選，空間站上將搭載安裝包括生物學(xué)、材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理、微重力、流體等類別相關(guān)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

包括與空間站共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)，空間站規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的十多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺。這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，每一個(gè)都可看成是一個(gè)小型的太空實(shí)驗(yàn)室，支持一個(gè)或多個(gè)方向的空間科學(xué)與應(yīng)用研究。

具體來說，在人類生存方面，空間站將圍繞人類長期太空生存和提高地面生活質(zhì)量方面開展研究與應(yīng)用。在太空活動(dòng)方面，空間站支持開展遙科學(xué)技術(shù)、在軌組裝與維修維護(hù)、人機(jī)聯(lián)合作業(yè)等應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，增強(qiáng)人類的太空活動(dòng)能力和在軌服務(wù)能力，拓展人類的活動(dòng)范圍。

在空間站中，航天員既是空間站的居民，同時(shí)也是被研究對象。例如，迄今有11名中國航天員出色地完成了6次載人飛行任務(wù)，同時(shí)也有效驗(yàn)證了航天員選拔訓(xùn)練技術(shù)以及健康、生活和工作三大駐留保障技術(shù)，為未來空間站長期飛行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和保障?？臻g站時(shí)代，圍繞航天員的科學(xué)與技術(shù)研究將繼續(xù)開展。

“我們的目標(biāo)是建設(shè)并運(yùn)營國家級太空實(shí)驗(yàn)室，為空間科學(xué)研究與應(yīng)用提供全面支持，推動(dòng)我國空間科學(xué)研究進(jìn)入國際先進(jìn)行列，并不斷將取得的先進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用?！敝袊茖W(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心主任高銘說。

空間站誰來??？

在空間站的常態(tài)化運(yùn)行中，有3名航天員作為一個(gè)乘組長期飛行，乘組定期輪換。未來將有不同類型的航天員，如飛行工程師和科學(xué)家入駐

目前，執(zhí)行空間站建造階段四次飛行任務(wù)的航天員乘組已經(jīng)選定，正在開展任務(wù)訓(xùn)練。我國第三批預(yù)備航天員選拔工作也將于今年7月前后完成。

在空間站的常態(tài)化運(yùn)行中，有3名航天員作為一個(gè)乘組長期飛行，乘組定期輪換。輪換期間，最多可有6名航天員同時(shí)在空間站工作，完成交接后，前一個(gè)乘組乘坐載人飛船返回地球。

相比于此前我國載人航天飛行任務(wù)的約兩年一次，空間站建造和運(yùn)營期間每年有多次發(fā)射，需要航天員的類型、人數(shù)會更多。

目前，我國的航天員都是從現(xiàn)役空軍飛行員中選拔，他們主要是航天駕駛員。空間站將開展太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)，除了良好的身體素質(zhì)這個(gè)共性要求外，未來需要不同類型的航天員，如航天飛行工程師和載荷專家（科學(xué)家）。飛行工程師執(zhí)行對空間站的建造、維護(hù)維修等任務(wù)，科學(xué)家也就是載荷專家，可以在空間站這個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室中做實(shí)驗(yàn)。根據(jù)空間站的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，選擇相關(guān)專業(yè)背景的科學(xué)家進(jìn)行訓(xùn)練，也是航天員選拔與訓(xùn)練的一個(gè)主要方向。

首位進(jìn)入太空的中國航天員楊利偉介紹，我國從2018年開始選拔第三批航天員，這次選拔在數(shù)量、種類、范圍上都有所變化。不單單從空軍飛行員當(dāng)中選拔，還要面向社會的相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行選拔，比如相關(guān)工業(yè)部門和科研院所、大學(xué)。

空間站任務(wù)對航天員的能力也要求更多。未來，航天員在軌駐留的時(shí)間大大延長。目前中國航天員的最長紀(jì)錄是在太空駐留1個(gè)月，將來會是3個(gè)月、6個(gè)月甚至更久。航天員的技術(shù)技能將發(fā)生很大變化。過去航天員在太空做的大部分是艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)，將來空間站建造階段，航天員大量的工作要在艙外空間進(jìn)行。

載人航天工程航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師黃偉芬進(jìn)一步解釋，在空間站任務(wù)中，空間站艙段多、運(yùn)行時(shí)間長，航天員每天需要把大量的時(shí)間用于站內(nèi)維護(hù)和管理方面，還必須參與空間站組裝、建造，進(jìn)行空間站維護(hù)、維修和設(shè)備更換。同樣，空間站任務(wù)中，航天員必須完成大量的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)以及有效載荷操作，學(xué)科專業(yè)眾多，跨度極大，對航天員的專業(yè)知識儲備和科學(xué)素養(yǎng)提出了極高的要求。

執(zhí)行過神舟十一號飛行任務(wù)的航天員陳冬說，空間站任務(wù)在軌飛行時(shí)間長，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會更多，希望自己通過加強(qiáng)學(xué)習(xí)，成為科研型航天員，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，“將來在太空再去親手完成，感覺一定非常奇妙。”