空間站:開(kāi)發(fā)太空的理想平臺(tái)

2014年1月10日，我國(guó)“載人航天空間交會(huì)對(duì)接工程”被授予國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。在此前的2013年10月30日，中國(guó)載人航天工程辦公室對(duì)外正式發(fā)布了中國(guó)載人航天工程標(biāo)識(shí)及中國(guó)載人空間站、貨運(yùn)飛船名稱(chēng)。新發(fā)布的中國(guó)載人航天工程標(biāo)識(shí)主造型既像一個(gè)漢語(yǔ)書(shū)法的“中”字，又類(lèi)似空間站的基本形態(tài)，尾部的書(shū)法筆觸似騰空而起的火箭，充滿中國(guó)元素和航天特色，結(jié)構(gòu)優(yōu)美、寓意深刻。中國(guó)載人空間站及各艙段和貨運(yùn)飛船共5個(gè)名稱(chēng)，具體如下：載人空間站命名為“天宮”，代號(hào)“TG”；核心艙命名為“天和”，代號(hào)“TH”；實(shí)驗(yàn)艙-1命名為“問(wèn)天”，代號(hào)“WT”；實(shí)驗(yàn)艙-2命名為“巡天”，代號(hào)“XT”；貨運(yùn)飛船命名為“天舟”，代號(hào)“TZ”。這5個(gè)名稱(chēng)既注重了單個(gè)名稱(chēng)的內(nèi)涵，又強(qiáng)調(diào)了保持全套名稱(chēng)的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和互補(bǔ)性。自發(fā)布之日起，中國(guó)載人航天工程啟用新的標(biāo)識(shí)，載人空間站及貨運(yùn)飛船有關(guān)文件及宣傳文稿一律使用新的規(guī)范名稱(chēng)和代號(hào)。

中國(guó)載人航天工程標(biāo)識(shí)（中國(guó)載人航天工程網(wǎng) 提供）

1 宏偉的空間大廈

2013年，我國(guó)天宮－1與神舟－10載人飛行任務(wù)獲得圓滿成功，這標(biāo)志著我國(guó)載人航天工程將全面進(jìn)入載人空間站工程建設(shè)階段。我國(guó)下一步將研制和發(fā)射天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船，最終將在2020年左右建成我國(guó)第一座空間站。

猶如空間大廈的空間站也可稱(chēng)為航天母艦、宇宙城堡，是一種可供多名航天員巡訪、長(zhǎng)期居住和工作的大型航天器，于20世紀(jì)70年代問(wèn)世。其主要特點(diǎn)是體積大、壽命長(zhǎng)、功能強(qiáng)，可長(zhǎng)期有人照料，大規(guī)模開(kāi)發(fā)太空資源；但它不能天地往返，需用宇宙飛船或航天飛機(jī)等天地往返運(yùn)輸器把人和貨物送上去或接回。

空間站具有自主補(bǔ)給消耗品、檢修和更換設(shè)備的能力，以及變更和擴(kuò)大其功能的性質(zhì)。其先入軌后上人的特征，既提高了安全保障，又簡(jiǎn)化了研制過(guò)程，前景十分廣闊。由于可在軌補(bǔ)給，因此空間站工作壽命很長(zhǎng)，通常為5～15年，甚至更長(zhǎng)?？臻g站在軌長(zhǎng)期飛行期間，站內(nèi)儀器和設(shè)備可根據(jù)任務(wù)需要由航天員隨時(shí)更換。儀器出現(xiàn)故障時(shí)航天員也能就地維修。站內(nèi)航天員一般每隔90天輪換一次，由載人飛船或航天飛機(jī)接送，大型實(shí)驗(yàn)或空間裝配任務(wù)可由幾批航天員陸續(xù)完成。

1971年4月19日，蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界第一座空間站禮炮－1。此舉對(duì)美國(guó)是一個(gè)極大的刺激，于是它馬上用“阿波羅”工程的剩余材料研制了一個(gè)名叫“天空實(shí)驗(yàn)室”的空間站，并于1973年5月14日升空，還創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)連續(xù)載人84天的世界記錄。后來(lái)，美國(guó)又覺(jué)得空間站不是什么新“玩藝兒”，只需“廢物利用”便可造出來(lái)，于是便“喜新厭舊”，傾財(cái)力、物力和人力去研究航天飛機(jī)了。然而，蘇聯(lián)對(duì)空間站一直格外青睞，采取了積極、穩(wěn)妥和循序漸進(jìn)的發(fā)展戰(zhàn)略，先后發(fā)射了8座空間站，在空間站領(lǐng)域領(lǐng)先一步。目前，在太空運(yùn)行的空間站是美俄等16個(gè)國(guó)家聯(lián)合建造的“國(guó)際空間站”，它擬工作到2020年。

從總體結(jié)構(gòu)上講，已發(fā)射的空間站可分為以下2種共4代：

第1種空間站是單艙式或稱(chēng)單一式空間站。這種空間站用運(yùn)載火箭一次就能送上太空。其優(yōu)點(diǎn)是所用硬件少、成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單，不需要航天員出艙等，因而早期的空間站都采用這類(lèi)構(gòu)型；它的缺點(diǎn)是容積小、太死板、工效低，影響了許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的進(jìn)行，并且很難長(zhǎng)期載人。這種空間站先后發(fā)展了2代，即第1、2代空間站。

第2種空間站是多艙式或叫組合式空間站。這種空間站是由陸續(xù)發(fā)射的多個(gè)艙段在軌道上組裝而成的。其優(yōu)點(diǎn)是航天員的生活和工作空間大，靈活性強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，投資和風(fēng)險(xiǎn)大。多艙式空間站也先后發(fā)展了兩代，即第3、4代空間站。

蘇聯(lián)禮炮-1試驗(yàn)性空間站示意圖

2 “禮炮”之后有“和平”

20世紀(jì)70年代上天的蘇聯(lián)禮炮－1～5、美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”以及隨美國(guó)航天飛機(jī)進(jìn)行了22次短期飛行的歐洲航天局“空間實(shí)驗(yàn)室”是第1代空間站。由于它們具有試驗(yàn)性質(zhì)，所以也叫試驗(yàn)性空間站。其主要特征是站上均只有1個(gè)對(duì)接口，因而只能接納1艘客貨兩用飛船（運(yùn)送往返人員和少量物品），其科研儀器和主要物品均是發(fā)射前就裝入了空間站內(nèi)，無(wú)法及時(shí)補(bǔ)給許多重要物資，這就限制了載人的時(shí)間和空間站在軌運(yùn)行壽命。不過(guò)，這一代空間站解決了許多有關(guān)的重大科技問(wèn)題。例如，證實(shí)了在太空也和地面一樣，有必要把臥房、工作間等按各自的特點(diǎn)分別建造，以免相互束縛和影響；人在太空呆上若干天，可用輪換航天員的辦法，使空間站利用率大為提高；空間站即使是短暫性的，它也比其他載人航天器有較大的進(jìn)步。

蘇聯(lián)的禮炮－6、7是第2代空間站，它們分別于1977年9月29日、1982年4月19日入軌，是實(shí)用性空間站。其主要特點(diǎn)是均有2個(gè)對(duì)接口，即可同時(shí)接納兩艘飛船，從而能把載人與運(yùn)貨分開(kāi)，延長(zhǎng)了空間站壽命和航天員在軌駐留時(shí)間。在第1代空間站中，壽命最長(zhǎng)的禮炮－4工作了2年多，而第2代空間站中的禮炮－6、7分別運(yùn)行了5年、9年。

美國(guó)獨(dú)自建造的唯--座空間站“天空實(shí)驗(yàn)室”

第3代空間站和平號(hào)于1986年2月20日開(kāi)始在太空建造，它采用積木式（或稱(chēng)艙體式構(gòu)型），運(yùn)行了15年，所以也叫長(zhǎng)久性空間站。其率先升空的核心艙不僅能用于航天員生活居住，控制整個(gè)空間站正常運(yùn)行，其上還有6個(gè)對(duì)接口，它先后像搭積木一樣對(duì)接了5個(gè)專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)艙（量子－1、量子－2、“晶體”、“光譜”和“自然”）及“聯(lián)盟”系列載人飛船、“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船，形成了龐大的空間復(fù)合體，總質(zhì)量達(dá)100多噸。其中的“晶體”艙還對(duì)接過(guò)美國(guó)航天飛機(jī)，使其總質(zhì)量達(dá)200多噸。和平號(hào)是世界第1個(gè)多艙式空間站，大大擴(kuò)展了航天員的活動(dòng)空間，具有功能強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、使用范圍廣、工作效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。但它也存在一些先天不足：其供電嚴(yán)重不足是和平號(hào)不能充分取得應(yīng)用效益的重要原因；天地往返運(yùn)輸能力低是和平號(hào)存在的另一個(gè)致命弱點(diǎn)；其姿控系統(tǒng)設(shè)計(jì)也存在問(wèn)題。2001年3月23日，“百病纏身”的和平號(hào)由地面控制成功墜落在南太平洋預(yù)定海域。

蘇聯(lián)禮炮－7實(shí)用性空間站與聯(lián)盟－T5飛船軌道復(fù)合體

俄羅斯和平號(hào)長(zhǎng)久性空間站全貌

3 天上有個(gè)“聯(lián)合國(guó)”

第4代空間站由16個(gè)國(guó)家聯(lián)合建造，所以稱(chēng)作“國(guó)際空間站”。它采用桁架掛艙式構(gòu)型，即以長(zhǎng)達(dá)幾十米或上百米的組裝式或展開(kāi)式桁架為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，然后將多個(gè)艙段和設(shè)備安裝在桁架上。其中的桁架就像“空中閣樓”的大梁一樣是“主心骨”。由于這種空間站有望運(yùn)行20年以上，所以也叫永久性空間站。

“國(guó)際空間站”于1998年開(kāi)始建造，2011年建成，建成后的容積約1000m3，質(zhì)量大于400t，有13個(gè)增壓艙，其中6個(gè)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，3個(gè)供航天員居住，1個(gè)為多功能貨艙，3個(gè)為對(duì)接用的節(jié)點(diǎn)艙。這些艙體和其他設(shè)備由航天飛機(jī)和一次性運(yùn)載火箭分多次運(yùn)往軌道，然后由站上的遙控機(jī)械臂系統(tǒng)和航天員艙外活動(dòng)進(jìn)行組裝，逐步建成了這座規(guī)模龐大、功能廣泛的永久性空間站。在空間站運(yùn)行期間，航天員的替換和物資補(bǔ)給由宇宙飛船提供。

“國(guó)際空間站”的優(yōu)點(diǎn)是靈活性更強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際需要組成各種不同的形狀；安裝在桁架上的各個(gè)艙段、設(shè)備，太陽(yáng)電池翼的拆卸、修理和更換都很方便；采用集中式供電和使用統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，可大大提高空間站的工作效率；其結(jié)構(gòu)不像艙段式那樣緊湊，有效載荷安裝和使用都很方便，桁架間的寬闊空間使多種觀測(cè)儀器的安裝和太陽(yáng)電池板的增設(shè)變得容易得多。這種空間站的缺點(diǎn)是規(guī)模大、費(fèi)用高、技術(shù)復(fù)雜，尤其是需要航天員多次出艙完成組裝工作，因此在建造過(guò)程中有較大風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)已竣工的“國(guó)際空間站”實(shí)質(zhì)上是一個(gè)集積木式和桁架掛艙式構(gòu)型于一體的“混血兒”，所以也叫混合式空間站，目的是為了充分利用和平號(hào)空間站的成熟技術(shù)，減少建造難度、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。

從總體上看，“國(guó)際空間站”由兩大部分立體交叉組合而成：一部分是以俄制多功能貨艙為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)接艙段及節(jié)點(diǎn)艙，與俄羅斯服務(wù)艙、研究艙、生命保障艙，以及美國(guó)、日本和歐洲航天局的實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接形成空間站的核心部分；另一部分是在美國(guó)的桁架結(jié)構(gòu)上安裝加拿大的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)、艙外儀器設(shè)備(包括中國(guó)參與研制的阿爾法磁譜儀－2)和4對(duì)大型太陽(yáng)電池翼。這兩大部分垂直交叉構(gòu)成“龍骨架”，增強(qiáng)了空間站的剛度，且有利于各分系統(tǒng)和科研設(shè)備工作性能的正常發(fā)揮，航天員出艙裝配與維修也很方便，也使空間站的微重力環(huán)境與控制精度達(dá)到最佳。2014年初，美國(guó)已批準(zhǔn)延長(zhǎng)“國(guó)際空間站”工作年限至2024年。

2011年5月建成的長(zhǎng)久性“國(guó)際空間站”

4 未來(lái)前景美如畫(huà)

經(jīng)過(guò)30多年的空間站研究和實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到空間站有極其廣泛的用途，主要包括10個(gè)領(lǐng)域：材料加工與生產(chǎn)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)地觀測(cè)，通信與導(dǎo)航，發(fā)展空間技術(shù)，空間組裝、發(fā)射和回收各類(lèi)航天器，空間保養(yǎng)、維修、校正、支援與改進(jìn)各類(lèi)航天器，登月基地、星際航行補(bǔ)給站和中間站，空間交通樞紐中心和軍事應(yīng)用。人類(lèi)現(xiàn)在已經(jīng)完成了試驗(yàn)性、實(shí)用性、長(zhǎng)久性空間站的發(fā)展階段，“國(guó)際空間站”的建造完畢，標(biāo)志著永久性空間站的應(yīng)用階段已經(jīng)開(kāi)始，它將使載人航天的意義更加明朗化。

從目前來(lái)講，空間大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的空間站是最適合長(zhǎng)期載人、開(kāi)發(fā)太空資源的理想基地，是航天發(fā)展過(guò)程中合乎邏輯的一步。它不僅能進(jìn)行各種科研、試驗(yàn)、軍事和生產(chǎn)活動(dòng)，還可以作為服務(wù)中心，為其他航天器提供組裝、維修等服務(wù)，也能作為宇宙旅館或載人登火星的中轉(zhuǎn)站。換句話說(shuō)：利用空間站能長(zhǎng)期載人的優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步研究地球環(huán)境和宇宙空間，并開(kāi)發(fā)太陽(yáng)系；實(shí)現(xiàn)空間工業(yè)化生產(chǎn)，進(jìn)行微重力科研及材料、生物制品等產(chǎn)品的空間加工和生產(chǎn)；充分發(fā)揮航天員在觀察、判斷、觸覺(jué)及處理意外情況等方面高超的主觀能動(dòng)性，在站上組裝和維修各類(lèi)航天器；建立空間補(bǔ)給維修基地；以空間站為中轉(zhuǎn)站，把航天員送到其他星球上。

今后，空間站的一個(gè)重要用途就是作為太空旅館，接待來(lái)太空的觀光者。這不是夢(mèng)想，因?yàn)橐讯嗝慰偷健皣?guó)際空間站”遨游過(guò)了。美俄的兩個(gè)專(zhuān)用太空旅館有望在2020年前建成。為了解決地球上自然界生態(tài)失衡、環(huán)境惡化、資源短缺、人口泛濫等問(wèn)題，同時(shí)又能使各個(gè)國(guó)家都能按照自己的意愿發(fā)展生產(chǎn)和技術(shù)，未來(lái)還有可能在太空中建造可產(chǎn)生人造重力的太空城。

俄羅斯軌道科技公司的太空旅館剖視圖

5 中國(guó)空間站概貌

物能力6t。俄羅斯的“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船上行貨物運(yùn)輸能力只有2.4t。另外，我國(guó)貨運(yùn)飛船貨運(yùn)載荷比也將達(dá)世界先進(jìn)水平，比歐洲、日本的貨運(yùn)飛船都高，達(dá)46%。我國(guó)貨運(yùn)飛船將用運(yùn)載能力較大的長(zhǎng)征－7火箭發(fā)射，它是新一代中型運(yùn)載火箭，全面推行數(shù)字化設(shè)計(jì)，被稱(chēng)為“數(shù)字火箭”，采用綠色環(huán)保推進(jìn)劑，近地軌道運(yùn)載能力為13.5t。

我國(guó)空間站基本構(gòu)型為T(mén)字形，由三個(gè)20噸級(jí)艙段組成，核心艙居中，實(shí)驗(yàn)艙－1、2分別連接于兩側(cè)。其中核心艙主要配置航天員生活措施，并有一定有效載荷實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ€裝有1個(gè)大型機(jī)械臂；兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙主要用于空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間應(yīng)用、空間技術(shù)試驗(yàn)，配置1個(gè)小型機(jī)械臂?？臻g站按長(zhǎng)期載3人狀態(tài)設(shè)計(jì)，每半年由載人飛船實(shí)施人員輪換，由貨運(yùn)飛船進(jìn)行推進(jìn)劑和物資補(bǔ)給，并進(jìn)行維修維護(hù)設(shè)備的上行運(yùn)輸。它將在軌運(yùn)營(yíng)10年以上，成為我國(guó)空間科學(xué)和新技術(shù)研究試驗(yàn)的重要基地。我國(guó)空間站艙段將用長(zhǎng)征－5B新型大推力運(yùn)載火箭發(fā)射，該火箭近地軌道運(yùn)載能力可達(dá)25t。

可見(jiàn)，我國(guó)的空間站將達(dá)到世界第三代空間站的水平，由多個(gè)艙段組成，采用積木式構(gòu)型。其特點(diǎn)有兩個(gè)：一是起點(diǎn)高；二是效益高。

值得一提的是，自2011年4月起，中國(guó)載人航天工程面辦公室開(kāi)始向社會(huì)公眾廣泛征集載人空間站整體名稱(chēng)及各艙段和貨運(yùn)飛船活動(dòng)，共收到名稱(chēng)作品10萬(wàn)余件、標(biāo)識(shí)作品9000余件。在通過(guò)廣泛征求意見(jiàn)、建議并反復(fù)研究后，最終形成本文開(kāi)頭介紹的最新發(fā)布的命名方案并獲中央政府批準(zhǔn)。

按目前計(jì)劃，“國(guó)際空間站”將在2024年退役，我國(guó)空間站將在2020年建成，設(shè)計(jì)壽命10年，所以2024年以后，我國(guó)空間站有可能是世界上唯一在軌運(yùn)行的空間站，這將有利于開(kāi)展國(guó)際合作，共享太空資源。

正是由于空間站有上述優(yōu)越性，所以我國(guó)將建可長(zhǎng)期載人的大型空間站。我國(guó)載人航天工程采用“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略：

第一步是解決載人航天的天地往返，這一步通過(guò)神舟－5、6載人飛船圓滿完成。

第二步是突破和掌握航天員空間出艙活動(dòng)、空間交會(huì)對(duì)接兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，然后發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室和貨運(yùn)飛船，這一步通過(guò)發(fā)射神舟－7、8、9、10飛船與天宮-1目標(biāo)飛行器完成了前半部分。中國(guó)載人航天工程辦公室主任王兆耀說(shuō)，計(jì)劃在2015年前后發(fā)射天宮－2空間實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)載人航天工程總師周建平透露，貨運(yùn)飛船將在天宮－2上天半年后發(fā)射。“天宮”與國(guó)外第一代空間站的功能相似，但“天宮”的質(zhì)量較小，所以叫空間實(shí)驗(yàn)室，相當(dāng)于空間站的雛形或叫簡(jiǎn)易空間站。我國(guó)的空間實(shí)驗(yàn)室比歐洲的機(jī)載“空間實(shí)驗(yàn)室”壽命長(zhǎng)得多。

第三步是建造長(zhǎng)期有人照料的大型空間站。據(jù)載人航天辦公室主任王兆耀透露，我國(guó)計(jì)劃在2018年前后發(fā)射空間站核心艙，2020－2022年完成中國(guó)載人空間站的建造。在此期間，根據(jù)需要發(fā)射一系列的貨運(yùn)飛船和載人飛船，向空間站提供物資的補(bǔ)給和成員的往返。

據(jù)權(quán)威專(zhuān)家公開(kāi)介紹，天宮－2原是天宮－1的備份，但由于天宮－1表現(xiàn)很好，所以現(xiàn)正在對(duì)天宮－2進(jìn)行適應(yīng)性改裝，讓它執(zhí)行空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)。與天宮－1相比，天宮－2功能更強(qiáng)，主要是驗(yàn)證空間站的部分新技術(shù)，進(jìn)行一定規(guī)模的空間應(yīng)用。比如，將通過(guò)貨運(yùn)飛船給天宮－2自動(dòng)補(bǔ)加推進(jìn)劑；完成驗(yàn)證再生生保關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)；開(kāi)展更多的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。天宮－2的任務(wù)和最終要建立起來(lái)的空間站結(jié)合得更緊密，科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目也更多。

我國(guó)目前正在研制的貨運(yùn)飛船由貨物艙和推進(jìn)艙組成，其上行貨物運(yùn)輸能力為6.5t,下行銷(xiāo)毀廢棄