中國(guó)空間站T字構(gòu)型：約束條件下的最優(yōu)解

王翔

神舟十三號(hào)飛船上天后，中國(guó)空間站的核心艙和靠泊飛船會(huì)共同呈現(xiàn)為一個(gè)小型的T字構(gòu)型。2022年，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射升空后，整個(gè)中國(guó)空間站就是一個(gè)大大的T 字構(gòu)型。昔日建造空間站的遠(yuǎn)景目標(biāo)，今天正在開枝生葉。

構(gòu)型，是指物體以特定的形式、圖案或組合構(gòu)成某事物。這個(gè)在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)里都有的概念，投射至航天領(lǐng)域，特指航天器的形狀與結(jié)構(gòu)型式。大道有形，積厚成器。中國(guó)空間站為什么長(zhǎng)成這樣，T字構(gòu)型中蘊(yùn)藏了哪些科學(xué)、技術(shù)與工程原理？驅(qū)動(dòng)這個(gè)龐然大物的設(shè)計(jì)思想和使命又是什么呢？

航天器構(gòu)型原則一：適配天地環(huán)境

有人問(wèn)：科幻電影里的宇宙飛船奇形怪狀，為什么現(xiàn)實(shí)中全世界的航天器，有些看上去長(zhǎng)得差不多，而有些又大相徑庭？

“看上去差不多”，是因?yàn)楹教炱髯鳛轱w出地球大氣層的空間探索平臺(tái)，面臨許多共同的約束條件。

在發(fā)射段，運(yùn)載火箭通常通過(guò)整流罩對(duì)航天器進(jìn)行防護(hù)。在整流罩圓錐加圓柱形的空間約束下，航天器的發(fā)射狀態(tài)是相似的，比如SpaceX 的星鏈，也得60顆一起組合成一根“大玉米”。

進(jìn)入在軌飛行段，沒(méi)有了大氣，航天器的各種設(shè)備就可以根據(jù)工作需要伸展出來(lái)，航天器的形狀也因此“大相徑庭”。但有一點(diǎn)是相通的：為了使航天器易于運(yùn)動(dòng)控制，構(gòu)型要保證主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布盡量對(duì)稱、緊湊，以獲得好的質(zhì)量特性。

到了著陸段，情況就不一樣了。對(duì)地球、火星這樣擁有大氣層的星球，氣動(dòng)控制、防熱等“剛需”決定了著陸飛行器長(zhǎng)得比較像，比如神舟飛船和嫦娥返回器，就是典型的鐘罩加球形底。而對(duì)月球這種沒(méi)有大氣層的星球，仍然可以像嫦娥著陸器、阿波羅登月艙那樣，根據(jù)各自功能需求，進(jìn)行有棱有角的個(gè)性化設(shè)計(jì)。

航天器構(gòu)型原則二：滿足功能和性能要求

航天器是要上天干活兒的，它承擔(dān)的任務(wù)在很大程度上決定了它的構(gòu)型。

以形賦意的這一邏輯，典型案例來(lái)自載人飛船。

載人飛船通常有兩艙（密封的載人艙段+ 非密封的動(dòng)力艙段）和三艙（密封的軌道艙或多功能艙段+ 密封的返回艙段+ 非密封的動(dòng)力艙段）兩大類構(gòu)型。作為三艙構(gòu)型的代表，聯(lián)盟號(hào)飛船在研制之初，就是為頻繁執(zhí)行天地往返任務(wù)所做的設(shè)計(jì)。

在當(dāng)時(shí)的研制條件下，正常及各種應(yīng)急情況下的返回技術(shù)難度很大，氣動(dòng)外形、熱防護(hù)、降落傘、著陸緩沖等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)代價(jià)相對(duì)很大。最終，聯(lián)盟號(hào)采用的設(shè)計(jì)策略是：返回部分（實(shí)際也是應(yīng)急救生時(shí)依賴的部分）盡可能小，以降低上述各項(xiàng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的難度，提高返回著陸的可靠性。

因此，聯(lián)盟號(hào)飛船的返回艙是保證人的生存環(huán)境、具備返回氣動(dòng)外形及返回著陸基本功能的最小配置。飛行期間，航天員可以到軌道艙獲得更舒適的活動(dòng)空間，交會(huì)對(duì)接測(cè)量設(shè)備、對(duì)接機(jī)構(gòu)等只有在天上才使用的設(shè)備也都配置在軌道艙，返回之前就分離扔掉了，不再占用寶貴的返回重量。三艙構(gòu)型體現(xiàn)了載人飛船設(shè)計(jì)的均衡優(yōu)化，與早期兩艙設(shè)計(jì)的東方號(hào)、水星號(hào)等相比，有很大進(jìn)步。

最近幾年，SpaceX 的“龍”飛船、波音公司的Starliner、洛馬公司的Orion以及我國(guó)已開展一次試驗(yàn)飛行的新一代載人飛船，構(gòu)型又都是兩艙。不過(guò)，此兩艙非彼兩艙。這幾款新飛船都采用了重復(fù)使用設(shè)計(jì)，而在重復(fù)使用的前提下，返回部分占比越大越經(jīng)濟(jì)。不僅如此，這幾款飛船也都兼顧無(wú)人飛行時(shí)的貨運(yùn)返回，更大的返回艙空間也有利于貨物裝載。

三艙還是兩艙，各艙占比多少，都取決于飛船的功能和性能要求;艙段布局，同樣體現(xiàn)了載人航天的設(shè)計(jì)思想。

仍以聯(lián)盟號(hào)飛船為例，三艙選擇“軌- 返- 推”還是“返-軌- 推”構(gòu)型？考慮飛船在地面和低空的逃逸需求，返回艙布局在船箭組合體的最頂端更有利，即“返- 軌- 推”。但是，返回艙要保證航天員能夠進(jìn)入軌道艙，并且能夠與空間站對(duì)接，就得在兩端開門。而若在返回艙大底上開門，在保證密封及返回防熱等方面，其安全性和可靠性遠(yuǎn)不如封閉結(jié)構(gòu)。因此，聯(lián)盟號(hào)定型為“軌-返-推”構(gòu)型，同時(shí)將逃逸方案設(shè)計(jì)為逃逸火箭帶軌- 返組合體一起飛行，之后以俗稱“下蛋”的方式將返回艙單獨(dú)分離扔下來(lái)。

這樣做雖然增加了逃逸的重量和機(jī)構(gòu)以及動(dòng)作復(fù)雜性，但保證了每次返回時(shí)處于高溫迎風(fēng)面的返回艙大底的安全可靠。權(quán)衡利弊后取舍，這種構(gòu)型的代價(jià)是值得付出和可以接受的。

航天器構(gòu)型原則三：保障重要設(shè)備在軌工作

天線、帆板、敏感器等重要設(shè)備，需要視場(chǎng)無(wú)遮擋。因此，在航天器的構(gòu)型設(shè)計(jì)中，這些設(shè)備應(yīng)當(dāng)被布局在航天器幾何外形的端部或者其他對(duì)天、對(duì)地、對(duì)目標(biāo)可視、無(wú)遮擋的部位，以方便設(shè)備的展開及工作。這是對(duì)航天器構(gòu)型的硬約束。

載人航天器還要為航天員和大型設(shè)備創(chuàng)造好的工作條件。因此，空間站上的密封艙通常采用大尺寸圓柱形作為主體構(gòu)型，好為航天員提供盡可能大的有效活動(dòng)空間，也可容納大型試驗(yàn)設(shè)備。國(guó)際空間站甚至打破常規(guī)，以突出于艙段外表面、近似閣樓的形式設(shè)計(jì)了穹頂艙。

今天，這個(gè)穹頂艙是國(guó)際空間站的宇航員喜歡待著觀察地球的“全景窗”。又因其突出于主結(jié)構(gòu)之外，對(duì)空間站自身的觀察條件也遠(yuǎn)優(yōu)于普通舷窗，穹頂艙在來(lái)訪飛行器對(duì)接空間站時(shí)，也被用作站上飛行工程師觀察和輔助機(jī)械臂操作的工位。

空間站特有的建造方式，讓三大原則更復(fù)雜

空間站由多個(gè)飛行器或結(jié)構(gòu)件拼接而成，既要設(shè)計(jì)單個(gè)飛行器的構(gòu)型，又要統(tǒng)籌在軌組合的整體構(gòu)型;既充分考慮空間站本身，還要顧及來(lái)訪飛行器各種可能的對(duì)接形式。

對(duì)照前文所述三項(xiàng)原則，以及空間站作為多艙段組合體的特殊性，人類歷史上的空間站有什么代表性構(gòu)型？這些構(gòu)型成功嗎？

蘇聯(lián)的和平號(hào)空間站，是世界上第一個(gè)采用多模塊積木式結(jié)構(gòu)構(gòu)建的長(zhǎng)期性空間站。整個(gè)空間站化整為零，各艙段功能各異、分期發(fā)射，在軌進(jìn)行裝配，逐步擴(kuò)展空間和功能，達(dá)到了單艙空間站無(wú)法企及的規(guī)模和能力。組成和平號(hào)的每個(gè)飛行器都有獨(dú)立的飛行能力，對(duì)接組裝后擁有既可獨(dú)立亦可并網(wǎng)的電源。各艙段通過(guò)節(jié)點(diǎn)艙連接，最終的組合體構(gòu)型呈輻射狀。

和平號(hào)以多艙組合體提供了足夠大的設(shè)備安裝空間，通過(guò)分期上行配置了再生式的生保設(shè)備，解決了多種科學(xué)實(shí)驗(yàn)及乘員長(zhǎng)期駐站的需求;輻射狀構(gòu)型保持了對(duì)稱緊湊的質(zhì)量特性，且不影響交會(huì)對(duì)接和在軌飛行控制，進(jìn)而保障了艙外天文和對(duì)地觀測(cè)設(shè)備的工作。

但是，部分在單艙段階段正常工作的設(shè)備進(jìn)入組合體狀態(tài)后，工作受到了影響。影響最顯著的是太陽(yáng)能帆板。由于輻射狀艙段的相互遮擋，無(wú)論何種姿態(tài)下，太陽(yáng)能帆板的總受曬率都不高，導(dǎo)致整站的發(fā)電效率降低。有資料表明，由于相互遮擋，和平號(hào)組合體的帆板共損失了40% 的發(fā)電能力。與帆板的工作條件類似，用于各艙段散熱的輻射器也因受到幾何遮擋而效率降低。再把視線投向仍在天上飛行的國(guó)際空間站。它的前身從20世紀(jì)80年代初即開始論證，各種方案均以桁架為構(gòu)型主體，桁架的個(gè)數(shù)、規(guī)模、形態(tài)及組成方法有所差異。最終方案采用了單桁架掛艙結(jié)構(gòu)，以109米長(zhǎng)的桁架結(jié)構(gòu)為承載主體，在其中間部位掛載并拼接所有的密封艙段，桁架與艙段組合體近似呈十字構(gòu)型，桁架兩端各配置兩對(duì)太陽(yáng)電池翼。

這一構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)是很多的：密封艙以飛行方向?yàn)橹饕臄U(kuò)展拼接方向，有利于來(lái)訪飛行器的交會(huì)對(duì)接;桁架垂直于軌道面，兩端的太陽(yáng)翼拉開了足夠距離，不僅安裝空間不受限，而且運(yùn)行時(shí)相互之間，以及受艙段的遮擋影響很小，桁架上安裝的其他設(shè)備也能夠不受遮擋;桁架還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的功能，配置了機(jī)械臂導(dǎo)軌，機(jī)械臂甚至航天員可以利用移動(dòng)基座系統(tǒng)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，變換作業(yè)地點(diǎn)。

前者像朵綻放的花，后者像多段圓柱體和長(zhǎng)條拼接的積木，這兩個(gè)空間站為什么構(gòu)型迥異？因?yàn)榻ㄔO(shè)手段不同。

和平號(hào)每個(gè)艙段要靠自己交會(huì)對(duì)接連上組合體，之后最多通過(guò)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)改變對(duì)接口即在節(jié)點(diǎn)艙球體上的安裝角度，最終形成輻射狀的構(gòu)型。而國(guó)際空間站的主體部分是由航天飛機(jī)運(yùn)輸上天，利用機(jī)械臂輔助進(jìn)行組裝，因此能夠組裝安裝桁架結(jié)構(gòu)，并擴(kuò)展沒(méi)有飛行能力的艙段。

2000—2007年，航天飛機(jī)完成了9次專門運(yùn)輸桁架組件的飛行——大多數(shù)單次上天的桁架組件重量在14～16噸。另有兩次飛行，分別運(yùn)輸加拿大臂-2及其導(dǎo)軌。有了機(jī)械臂的輔助，空間站構(gòu)型擴(kuò)展的約束小了很多，而且能夠在運(yùn)輸之后“改變”構(gòu)型。前文提到的國(guó)際空間站的穹頂艙，就是與寧?kù)o號(hào)節(jié)點(diǎn)艙-3串列布置在航天飛機(jī)貨艙中發(fā)射上天，再用機(jī)械臂單獨(dú)安裝在寧?kù)o號(hào)的側(cè)面，形成“凸出”的構(gòu)型。

中國(guó)空間站三艙的模樣是怎么來(lái)的？

中國(guó)空間站以三艙段組合形成基本構(gòu)型。從各艙段到組合體，它們的“模樣”都是系統(tǒng)功能驅(qū)動(dòng)的結(jié)果：每個(gè)艙段構(gòu)型設(shè)計(jì)必須滿足發(fā)射和獨(dú)立在軌飛行的要求，組合體則要作為完整系統(tǒng)形成有利于在軌長(zhǎng)期工作的構(gòu)型，并要有可行的組裝手段。

先看看每個(gè)艙段的構(gòu)型。中國(guó)空間站三艙的模樣是怎么來(lái)的？

核心艙

天宮一號(hào)和貨運(yùn)飛船都采用了大尺寸密封艙加小直徑資源艙的構(gòu)型，資源艙外側(cè)安裝帆板和天線等需占據(jù)包絡(luò)空間的艙外設(shè)備。然而，中國(guó)空間站核心艙并沒(méi)有沿用這一思路，因?yàn)樗幸粋€(gè)最重要的功能和約束條件——前后都得接納飛船和其他來(lái)訪飛行器對(duì)接。

前端是節(jié)點(diǎn)艙，后端也要有對(duì)接口和人員通道，因此只能將資源艙設(shè)計(jì)為直徑達(dá)到包絡(luò)上限的環(huán)形，“套”在密封通道之外。而對(duì)于密封艙部分，設(shè)計(jì)師將其分為大小直徑兩個(gè)柱段，帆板、中繼天線、機(jī)械臂等大尺寸艙外設(shè)備都布置在小柱段，從而使其加上了各種“外掛”后的外包絡(luò)仍在火箭整流罩允許范圍內(nèi)。小柱段內(nèi)部則不能布置大尺寸設(shè)備，用于航天員生活休息。

就這樣，核心艙演化出了大小尺寸密封艙加大直徑資源艙的模樣，同時(shí)各部分沿軸向形成節(jié)點(diǎn)艙-小柱段-大柱段-資源艙的順序。基于這樣的排列順序及設(shè)備布局，發(fā)射時(shí)重量較輕的小柱段在上，有利于整體基頻和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)重量;入軌后，航天員生活區(qū)能夠與工作區(qū)分開，相對(duì)安靜、私密并且離節(jié)點(diǎn)艙近，應(yīng)急情況便于撤離。

實(shí)驗(yàn)艙

實(shí)驗(yàn)艙沒(méi)有前后對(duì)接的需求，只在一端對(duì)接即可。因此，實(shí)驗(yàn)艙的資源艙采用了傳統(tǒng)的小尺寸“實(shí)心”布局，外部布置帆板、天線。

此外，兼顧到組合體構(gòu)型，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙不僅尺寸、質(zhì)量特性大體一致，從而獲得整體構(gòu)型下較好的動(dòng)力學(xué)特性，而且從布局上都采用了工作艙-氣閘艙-資源艙的順序。對(duì)接之后，氣閘艙成為所有密封艙組合的“端部”，發(fā)生意外時(shí)可以隔離而不影響其他艙段。

T字構(gòu)型的安全、效率與未來(lái)拓展

各艙段的構(gòu)型有理有據(jù)，艙段組合同樣不是隨意的。

由于中國(guó)空間站采用運(yùn)載火箭發(fā)射各艙段入軌、上天后交會(huì)對(duì)接的建設(shè)方式，整體構(gòu)型仍然得在“以節(jié)點(diǎn)艙為球心的輻射狀”構(gòu)型上做文章。但我們沒(méi)有走和平號(hào)的老路，而是設(shè)計(jì)了中國(guó)特色的T 字構(gòu)型。

三艙布于同一平面，形成T 字;兩個(gè)尺寸、質(zhì)量特性大體一致的實(shí)驗(yàn)艙對(duì)向布置，形成T 字的一橫;利用每個(gè)實(shí)驗(yàn)艙自身近20米長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合各自資源艙末端配置的雙自由度太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩對(duì)大型太陽(yáng)翼成為T 字一橫遠(yuǎn)端的兩個(gè)“大風(fēng)車”，不管空間站以何種姿勢(shì)飛行，都能照上太陽(yáng)從而獲得高效的發(fā)電效果;兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙分別位于T 字一橫的端頭，正常工作泄壓或異常隔離時(shí)均不影響其他密封艙段構(gòu)成連貫空間，保證了安全性。

作為T字那一豎的核心艙，在這個(gè)對(duì)稱關(guān)系中仍然保持著前、后、下三向?qū)拥哪芰Α：笙驅(qū)迂涍\(yùn)飛船，使得組合體可以直接利用貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng);前向、徑向兩個(gè)對(duì)接口不僅可以接納兩艘載人飛船實(shí)現(xiàn)輪換，而且保持正常三軸穩(wěn)定對(duì)地姿態(tài)時(shí)兩對(duì)接口都在軌道平面內(nèi)，即可讓載人飛船在軌道面內(nèi)沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對(duì)接，無(wú)須對(duì)接后再轉(zhuǎn)換對(duì)接口。對(duì)于航天任務(wù)流程而言，簡(jiǎn)潔不僅美，更是安全。

動(dòng)態(tài)的構(gòu)型與設(shè)計(jì)的智慧

“設(shè)計(jì)不僅僅是外觀和感覺(jué)，設(shè)計(jì)就是其工作原理（Designis not just what it looks like and feels like. Design is how itworks）?！泵绹?guó)蘋果公司聯(lián)合創(chuàng)始人史蒂夫·喬布斯的這句話，筆者非常贊成。

像所有航天器，以及在地球上工作的設(shè)備和系統(tǒng)一樣，中國(guó)空間站的構(gòu)型是設(shè)計(jì)出來(lái)的。設(shè)計(jì)，意味著它承載了特定的功能和使命，意味著它是在特定的眾多約束條件下取得的優(yōu)化解，意味著它凝聚了航天設(shè)計(jì)師在現(xiàn)有條件下創(chuàng)造最大價(jià)值的智慧。

當(dāng)然，空間站的構(gòu)型并非一成不變，而是在空間、時(shí)間兩個(gè)維度上動(dòng)態(tài)發(fā)展：

實(shí)驗(yàn)艙I對(duì)接上核心艙之初，兩艙空間站將呈大一字構(gòu)型;實(shí)驗(yàn)艙I 轉(zhuǎn)位而實(shí)驗(yàn)艙II 尚未對(duì)接時(shí)，兩艙空間站為L(zhǎng) 構(gòu)型;實(shí)驗(yàn)艙II剛對(duì)接上未轉(zhuǎn)位時(shí)，三艙空間站是橫向且不對(duì)稱的T 字構(gòu)型……除去這些在建設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)的臨時(shí)構(gòu)型，中國(guó)空間站未來(lái)還可能在機(jī)械臂的輔助下進(jìn)行擴(kuò)展艙段的組裝，進(jìn)而形成十字、干字等擴(kuò)展構(gòu)型。

看上去，它像變形金剛一樣不斷改換構(gòu)型。然而，變化的過(guò)程和結(jié)果都來(lái)自設(shè)計(jì)，萬(wàn)變而不離其宗。

人類空間站發(fā)展已歷4代。什么才是更好、更強(qiáng)大的空間站？簡(jiǎn)單比較沒(méi)有意義，也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案?；诋?dāng)代的科學(xué)技術(shù)，滿足自身需求、契合自身能力，夠用、好用、安全、高效的空間站，就是我們中國(guó)人自主設(shè)計(jì)、正在建設(shè)的空間站。