中國空間站“問”與“答”

文/ 楊詩瑞

2021年最令人矚目的中國航天大事件莫過于天宮空間站建設(shè)。1992年中國載人航天工程立項伊始，我國確立了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，第一步發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗；第二步突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器的交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題；第三步建造空間站，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4月29日“天和號”核心艙的發(fā)射，中國空間站建設(shè)正式拉開帷幕。未來的中國空間站將會是什么樣子，發(fā)揮什么作用？讓我們通過幾個大家關(guān)心的問題一起來了解下吧。

▲ 天和核心艙效果圖

問：空間站什么時候建成？建成后是什么樣子？

答：我國首先在今年上半年發(fā)射空間站核心艙“天和號”，2年內(nèi)依次發(fā)射“問天號”實驗艙和“夢天號”實驗艙，同時陸續(xù)發(fā)射神舟載人飛船和天舟貨運飛船，將物資和航天員送上太空。2年總計完成11次飛行任務(wù)，預(yù)計2022年前后完成天宮空間站建設(shè)并開始運營。

核心艙和兩個實驗艙發(fā)射后，實驗艙依次對接于核心艙節(jié)點艙的軸向端口，然后通過艙段轉(zhuǎn)位操作，轉(zhuǎn)移到節(jié)點艙的左右兩側(cè)，與節(jié)點艙剛性連接，構(gòu)成T字形的三艙基本構(gòu)型。貨運飛船以及載人飛船分別對接在核心艙前后兩端。這是天宮空間站的基本構(gòu)型，可以容納2～3名航天員長期駐留工作。

在基本構(gòu)型基礎(chǔ)上，“天宮”為未來空間科學(xué)和技術(shù)的新需求預(yù)留發(fā)展空間，可以根據(jù)需求繼續(xù)擴展艙段、擴展能源和擴展艙外實驗室。通過發(fā)射帶有節(jié)點艙的新艙段，二期擴展型天宮空間站對接口數(shù)量將增加到4個，能夠同時對接三艘神舟載人飛船與一艘天舟貨運飛船，空間站額定載員人數(shù)增至6人，輪換期間最大載員人數(shù)可達9人。

▲ “天舟一號”在廠房 高劍攝

問：空間站由哪些部分組成？各有什么功能？

答：天宮空間站由天和號核心艙、問天號實驗艙、夢天號實驗艙、神舟載人飛船和天舟貨運飛船組成。

▲ 長征五號B運載火箭 宿東攝

天和號核心艙是空間站的管理和控制中心，以及航天員的居住生活區(qū)，負責(zé)空間站的統(tǒng)一管理和控制，配置機械臂，用于實驗艙、載人飛船、貨運飛船等飛行器與其交會對接和停靠，接納航天員長期訪問和物資補給。核心艙配備霍爾電推力器，用于調(diào)整軌道高度，這是人類首次將電推動力用于載人航天器。

核心艙單艙飛行期間，它的功用是節(jié)點艙兼作氣閘艙，作為航天員進入太空的出口。在與“問天號”對接后，航天員將使用問天號專用氣閘艙，核心艙節(jié)點艙作為備份。

“問天號”是控制與實驗應(yīng)用艙，備份核心艙部分關(guān)鍵平臺功能，并用于開展密封艙內(nèi)及艙外載荷實驗，配置了小型機械臂，用于操作艙外載荷。“夢天號”是專用應(yīng)用艙，用于開展密封艙內(nèi)和艙外載荷實驗，配置貨物氣閘艙，用于載荷和設(shè)備進出空間站。

神舟載人飛船用于航天員運送和應(yīng)急返回。天舟號貨運飛船承擔(dān)空間站補給以及廢物排除等任務(wù)。

我國正在研制“巡天號光學(xué)艙”，將在2024年發(fā)射。它是一個重達十幾噸的大型巡天望遠鏡，將與天宮空間站共軌飛行。光學(xué)艙配置有2米口徑離軸三反望遠鏡，覆蓋紫外-近紅外波段，分辨率媲美哈勃望遠鏡，視場超過“哈勃”300倍，在軌期間可以對40%以上的天區(qū)進行觀測，將促進對宇宙起源、宜居行星等問題的探索，幫助人類獲取新的發(fā)現(xiàn)和認識。

問：哪些火箭將參與空間站任務(wù)？

答：長征五號B、長征二號F和長征七號三型運載火箭將共同參與到空間站建設(shè)與載人航天任務(wù)中。

“長征五號B”將在海南文昌發(fā)射場執(zhí)行空間站核心艙和實驗艙的發(fā)射任務(wù)。它是專門為載人航天工程打造的一款全新構(gòu)型火箭，代表了我國運載火箭技術(shù)的最高水平，是空間站建設(shè)的骨干力量。

“長征二號F”將在酒泉發(fā)射中心執(zhí)行載人飛船發(fā)射任務(wù)。“長二F”有著“神箭”的美譽，它見證了載人航天工程的每一步，在過去20年間以13次完美飛行、100%發(fā)射成功率，將5艘無人飛船、6艘載人飛船、2個空間實驗室送入太空，是我國可靠性和安全性最好的運載火箭。

“長征七號”將在文昌發(fā)射中心執(zhí)行貨運飛船發(fā)射任務(wù)。“長征七號”將為空間站運輸各類物資，其中既包括航天員的生活物資，如飲用水、太空食品、艙外航天服等；也包括空間站運行維護所需物資，比如太陽能電池翼、設(shè)備備件等；還可以向空間站實施推進劑在軌補加，為空間站補充推進劑，是空間站的“貨運專列”。

空間站建設(shè)非常復(fù)雜，包括多次交會對接任務(wù)，要求火箭必須完成“零窗口”發(fā)射，在預(yù)先計算好的時間內(nèi)、分秒不差地將火箭點火升空。“長五B”、“長二F”和“長七”火箭強強聯(lián)合，共同構(gòu)筑起我國載人航天的廣闊舞臺。

問：天宮空間站的性能如何？

答：天宮空間站運行在軌道傾角42°～43°、340～450千米高度的近圓軌道。三艙組合體質(zhì)量約66噸，其中載荷設(shè)備質(zhì)量超過10噸，額定乘員3人，在輪換期可保障6名航天員工作生活。設(shè)計壽命不小于10年，具有通過維護維修延長使用壽命的能力，并具備一定擴展能力。

“天宮”雖然比國際空間站的規(guī)模小很多，但天宮空間站采用了諸多新技術(shù)、新工藝、新材料，很多關(guān)鍵能力指標并不遜色，有的還要超出。“天宮”的載荷重量占比17.7%，高于國際空間站的7.9%；柔性太陽能電池帆板和先進砷化鎵電池技術(shù)提供了100千瓦供電功率，超過國際空間站的90千瓦。天宮空間站可對載人飛船、貨運飛船和光學(xué)艙供電輸出，對外供電功率占比高達63%，自身用電僅占37%，高過國際空間站。

“天宮”為科學(xué)實驗設(shè)備提供萬兆級艙段間網(wǎng)絡(luò)傳輸，下行速率每秒1.2千兆比特，能夠以較小的規(guī)模實現(xiàn)科學(xué)實驗支持能力的最大化；采用先進信息技術(shù)，可實現(xiàn)艙段間、航天器間系統(tǒng)重構(gòu)，大幅提升空間站在軌的可靠性和安全性；采用智能控制技術(shù)，設(shè)計自主健康管理系統(tǒng)，降低了航天員空間站維護和地面運控的負擔(dān)；采用物化再生生保技術(shù)，較好地實現(xiàn)資源再生利用，大幅降低貨運保障需求和運營成本。

▲ “長七”轉(zhuǎn)運 宿東攝

“天宮”還具有“太空母港”飛行模式，巡天望遠鏡與空間站共軌飛行，在需要補給、維護和維修時，可直接對接到空間站，方便航天員維修。未來我國還將研制多種用途航天器與空間站共軌飛行，形成獨具特色的在軌編隊飛行模式，將引領(lǐng)空間在軌服務(wù)技術(shù)的未來發(fā)展方向。

總而言之，“天宮”將在控制、信息、物資補給、運營、應(yīng)用效益等多個方面達到當(dāng)代國際先進水平并有所超越，而且在建造和運營上更為經(jīng)濟合理。

問：天宮空間站的實驗條件怎么樣？

答：空間站非常重要的一項工作是開展科學(xué)實驗。“天宮”本身提供了微重力實驗環(huán)境，可以通過天地往返將實驗樣品帶回地面。

“天宮”規(guī)劃了23個密封艙內(nèi)的空間實驗柜，同時艙外暴露實驗平臺、艙外機械臂、專用貨物氣閘艙、航天員出艙行走氣閘艙等設(shè)施一應(yīng)俱全，支持在軌實施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)研究與應(yīng)用項目。

▲ 中國空間站核心艙

▲ 砷化鎵柔性太陽能電池帆板

在基礎(chǔ)物理方面，“天宮”配備有超冷原子實驗柜，用于研究溫度接近絕對零度的超冷原子氣體物理規(guī)律；配備了由3個鐘組成的原子鐘組，30億年的誤差小于1秒，可以為導(dǎo)航系統(tǒng)等提供基準頻率和時間信息。

另一方面，“天宮”艙外配備有標準載荷的適配器，還提供大型載荷掛點，在艙外可以進行天文觀測、地球觀測，空間物理等方面的研究。根據(jù)任務(wù)需要，航天員會對實驗條件進行升級或者更換，從而支持更多領(lǐng)域的實驗。

2019年以來，我國面向國內(nèi)征集空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗項目活動，同時面向聯(lián)合國所有成員國開放空間站實驗環(huán)境。當(dāng)前已有來自17個國家的9個科研項目成功入選首批合作清單，除了共享空間實驗室，我國還將免費提供合作項目的運輸服務(wù)。

問：空間站中航天員都是從哪里選拔？

答：天宮空間站常駐3名航天員在空間站中生活，最長可達一年。

我國已經(jīng)選拔出第三批航天員。不同于前兩批航天員參與空間站建造任務(wù)，都是從飛行員中選取，這一批航天員主要是為空間站運營階段的飛行而準備，包括了航天駕駛員、航天飛行工程師和載荷專家3個類別。

其中，航天駕駛員和航天飛行工程師負責(zé)直接操縱、管理航天器，以及開展相關(guān)技術(shù)試驗，載荷專家主要負責(zé)空間科學(xué)實驗載荷的在軌操作。航天駕駛員在空軍現(xiàn)役飛行員中選拔，航天飛行工程師在從事航空航天工程及相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)的工程技術(shù)人員中選拔，載荷專家在載人航天工程空間科學(xué)研究及應(yīng)用領(lǐng)域的科研人員中選拔。

目前，第三批航天員共有18人，包括7名航天駕駛員、7名航天飛行工程師和4名載荷專家，其中還有1名女航天員。他們在經(jīng)過3到4年的周期性訓(xùn)練后，將參加空間站運營階段各次飛行任務(wù)。

隨著我國載人航天事業(yè)不斷發(fā)展，后續(xù)還將開展預(yù)備航天員選拔工作。未來將有更多人參與到建設(shè)航天強國、接續(xù)飛天夢想的征程。

問：空間站為航天員提供了哪些生活和工作保障？

答：空間站配置了3名乘員長期生活設(shè)施，并為輪換期中6名航天員提供臨時生活設(shè)施，包括飲水就餐、個人衛(wèi)生、排泄物和生活垃圾收集處理等，航天員自由活動空間約110立方米。

為了保障航天員在太空中生存，“天宮”的再生生命保障系統(tǒng)包括電解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害氣體吸收、冷凝水收集與處理、尿液收集與處理等設(shè)備。統(tǒng)一由核心艙進行密封艙氣體成分、壓力、溫濕度控制，以及水回收管理、微生物控制和廢棄物管理。配置一定數(shù)量非再生生保物品，供應(yīng)急情況下保障維修時使用。

為了提供良好的生活和工作環(huán)境，“天宮”艙內(nèi)維護著與地球相同的氧氮混合氣體和壓力體制，采用降噪與隔音設(shè)計降低艙內(nèi)噪音，并為航天員提供便利、可靠、自動化程度高的顯示、照明、報警和操作設(shè)施，配置各種工具、限位裝置和天地交互手段，保障航天員高效工作，完成維護維修、物資轉(zhuǎn)移、艙外操作和科學(xué)技術(shù)實驗等操作任務(wù)。

“天宮”可支持2名航天員同時出艙活動。核心艙配置的大型機械臂和實驗艙配置的小型機械臂可以獨立或協(xié)同工作，完成艙段捕獲和轉(zhuǎn)移、航天員輔助轉(zhuǎn)移、設(shè)備維修、載荷操作和艙外狀態(tài)監(jiān)視等任務(wù)。在航天員、艙外航天服以及貨運飛船支持下，空間站可具備大型空間設(shè)施的操作能力，完成復(fù)雜的艙外建造任務(wù)。

▲ 中國航天員在“神七”飛行任務(wù)中出艙

▲ 天宮空間站科研機柜

空間站在科學(xué)研究和經(jīng)濟建設(shè)方面都有重大價值。它將用于天文觀測、地球資源勘測、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究、新工藝開發(fā)、大地測量和技術(shù)試驗等。空間站還可以作為人類造訪火星等其他行星的跳板，并試驗載人行星際探索技術(shù)。

“天宮”建成后，將為我國和全球的科學(xué)家提供先進的空間科學(xué)技術(shù)研究和實驗平臺，支持開展大量科學(xué)實驗，大幅提升我國空間科學(xué)領(lǐng)域的研究水平，并為人類走出地球、進入太空做出技術(shù)積累。