中國空間站工程技術與管理創新

楊宏 張昊 周昊澄

摘 要：空間站是一個國家科技水平和制造能力綜合實力的體現，世界上只有前蘇聯的“和平號”空間站和正在軌運行的以美國為主導、16國參與的國際空間站。面對國外技術封鎖，我們發揮我國新型舉國優勢，創新了一條適合我國國情的空間站建造方案，提出了“獨立自主、創新引領、體系保障、規模適度、留有發展空間”的我國空間站研制管理模式，成功研制、發射和運行空間站首個航天器“天和”核心艙。本文對我國空間站工程的總體方案、組裝建造方案和工程任務安排進行了介紹，闡述了我國空間站工程的主要技術特點，并從技術體系、研制體系、發展體系和風控體系等四個方面總結了我國空間站研制和運行過程的工程管理創新。

關鍵詞：中國空間站;工程技術與管理;技術與管理創新

中圖分類號：V57文獻標識碼：A文章編號：2097-0145（2022）03-0001-06doi：10.11847/fj.41.3.1

Engineering Technology and Management Innovation of China Space Station

YANG Hong， ZHANG Hao， ZHOU Hao-cheng

（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China）

Abstract：The space station is the embodiment of the comprehensive strength of a country’s technological level and manufacturing capability. Currently， there are only the former Soviet Union’s MIR space station and the on-orbit International Space Station led by the United States and participated by 16 countries. However， due to the blockade of foreign technology， China needs to give full play to our country’s new national advantages and innovates a space station construction plan which is suitable for Chinese situations. Therefore， we put forward a development and management model for our country’s space named “independence， innovation leadership， system guarantee， appropriate scale， and room for development”. Based on this model， the first spacecraft “Tianhe” core module of China Space Station has been successfully developed， launched and operated. This paper introduces the overall scheme， assembly and construction scheme and engineering task arrangement of China Space Station project， expounds the main technical characteristics of China Space Station project， and summarizes the engineering management innovation in the development and operation process of China Space Station from four aspects： technical system， management system， development system and risk control system.

Key words：China Space Station; engineering technology and management; technology and management innovation

1 引言

中國空間站是一個長期在近地軌道運行的載人空間站，命名為“天宮”，由核心艙、實驗艙I和實驗艙II三艙組成，提供三個對接口，支持載人飛船、貨運飛船及其他來訪飛行器的對接和停靠。圍繞建設具有中國特色和時代特征的空間站這一宏偉目標，中國空間站工程方案堅持以下基本原則：符合中國國情，有所為、有所不為;規模適度，留有發展空間;具有突出的中國元素和核心內涵;體現國家發展的戰略目標，創新驅動發展;追求技術進步，充分采用當代先進技術建造和運營空間站，全面掌握大型空間設施的建造和操作技術;注重應用效益，在空間站應用領域取得重大創新科技成果;追求運營經濟性，走可持續發展的道路[1，2]。基于以上原則，我們提出了“獨立自主、創新引領、體系保障、規模適度、留有發展空間”的空間站系統研制管理模式，并按此模式完成了空間站核心艙的研制，成功發射入軌正常運行。

2 空間站工程概述

2.1 總體構型

空間站的基本構型是由核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ三個艙段組成的T字構型，其中核心艙居中，實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ永久停泊于核心艙節點艙的兩側，載人飛船和貨運飛船分別對接于核心艙的前向和后向，如圖1所示。

空間站運行軌道為傾角41°～43°、高度340km～450km的近圓軌道。三艙組合體質量約68.5噸，額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達6人，具備不小于20噸載荷設備的安裝和支持能力。建造形成三艙組合體后在軌運行壽命不小于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[3]。

核心艙命名為“天和”，如圖2所示，是空間站的管理和控制中心，負責空間站組合體的統一管理和控制，可完成與實驗艙、載人飛船、貨運飛船等飛行器的交會對接和停靠，接納航天員長期訪問和物資補給，配置機械臂支持航天員出艙活動。

實驗艙I命名為“問天”，作為核心艙關鍵平臺功能的備份艙段，也具備空間站統一管理和控制能力;配備航天員出艙活動專用氣閘艙，支持開展密封艙內及艙外載荷實驗，配置實驗艙機械臂對艙外載荷進行操作。

實驗艙II命名為“夢天”，用于開展密封艙內和艙外載荷實驗，配置貨物氣閘艙用于載荷及設備進出艙。

航天員天地往返運輸由神舟載人飛船完成，在酒泉航天發射場由長征二號F運載火箭發射，可支持3名航天員天地往返。貨物運輸由天舟貨運飛船完成，在海南航天發射場由長征七號運載火箭發射，可為空間站上行運送航天員生活物資、推進劑、消耗品、載荷設備等補給物資，下行銷毀廢棄物。

2.2 組裝建造

在沒有航天飛機規模的大型運輸工具情況下，空間站三艙利用艙段交會對接和平面轉位方式完成積木加局部桁架混合構型大型空間站的組裝建造。實驗艙I和實驗艙II依次對接于核心艙節點艙的軸向端口，然后通過艙段平面轉位操作，將其轉移到節點艙的左右兩側，與節點艙剛性連接，構成三艙基本構型。組裝建造過程如圖3所示。

在貨運飛船、航天員和機械臂支持下，可完成類似國際空間站的復雜艙外建造和操作活動，是大型空間設施建設的更為經濟、合理的建造方式。

2.3 工程任務安排

空間站任務分為空間站關鍵技術驗證階段、組裝建造階段和應用與發展階段。

在關鍵技術驗證階段，發射試驗核心艙、載人飛船和貨運飛船，對推進劑補加、物化再生生保、太陽翼和驅動機構技術、大型組合體控制技術、空間站組裝建造技術、出艙活動技術、在軌維修技術等關鍵技術進行飛行驗證和評估，對系統平臺功能和長期駐留功能進行考核。

在組裝建造階段，分別發射實驗艙I和實驗艙II與之對接，完成空間站建造。其間將發射神舟載人飛船和貨運飛船，支持完成建造任務，同步開展科學技術實驗。

在進入應用與發展階段后，航天員乘組將分批長期駐站生活和工作，開展科學技術研究和探索活動，擇機進行空間站擴展和應用載荷的更換。

3 工程技術特點與創新

3.1 空間站電源系統

核心艙采用單自由度柔性太陽電池翼，提供核心艙單艙飛行時的能源供應，空間站采用了柔性太陽電池翼技術。核心艙通過2個柔性太陽翼單自由度轉動實現對日定向。單翼展開長度超10m，供電能力不低于4kW。兩個實驗艙安裝了國內最大的柔性太陽翼，分別通過雙自由度驅動機構實現對日定向，單翼展開長度超過25m，陣面面積超過110m2，供電能力不低于7kW。采用轉換效率 30%以上的三結砷化鎵電池片及鋰蓄能電池。

空間站設置了并網系統，預留與天舟貨運飛船、神舟載人飛船、巡天空間望遠鏡的并網供電接口，支持為不同電壓體制的來訪飛行器進行并網供電。空間站三艙采用100V全調節多母線體制，由核心艙統一能量管理，實現空間站各構型下能量的統一管理，動態調配，支持組合體中各艙段的載荷用電。兩個實驗艙之間可實現2kW的艙間能源動態調配，為所需艙段的載荷用電提供支持。

3.2 空間站控制系統

空間站以天和核心艙控制系統為主、實驗艙I控制系統為備份實現組合體的姿軌融合控制及太陽翼轉動控制。各艙段控制計算機、姿態測量敏感器、交會對接敏感器、控制力矩陀螺、推進控制驅動器、太陽翼驅動機構控制器等設備組成控制系統網絡，通過1553B專用跨艙總線實現了艙間互連及空間站三艙50余臺敏感器、100余臺發動機、20余臺測量與控制陀螺等設備的融合使用，并可通過總線調用貨運飛船發動機進行組合體姿態軌道控制。

為了實現在軌長期運行，空間站采用控制力矩陀螺為主、噴氣控制為輔的控制方式進行姿態控制，減少推進劑的消耗需求。同時配置了推進劑補加系統[4]，可接受由天舟貨運飛船進行推進劑補加。補加系統采用基于膜盒貯箱和增壓氣體復用的推進補加方案，實現了推進氣體的重復利用。在核心艙前、后向對接機構均配置了補加接口，既保證了補加功能的充分可靠，又實現了為巡天空間望遠鏡及其他來訪飛行器提供跨艙補加的需求。

另外， 在核心艙配置了霍爾電推進系統，作為化學推進系統的有效補充。這是世界載人航天領域首次應用電推進系統，利用4臺80mN的霍爾推力器進行組合體軌道維持，可有效抵消大氣阻力。在太陽活動均年，電推進系統可為空間站節省約不小于1200kg/年的化學推進劑。

3.3 空間站信息系統

空間站采用當代信息技術的最新成果，統一構建空間站信息系統，各艙段均采用相同的體系架構，設備、軟件、通信協議采用通用化設計。單艙飛行時各艙信息系統獨立工作，形成組合體后，基于網絡技術，進行空間站各艙段及來訪航天器的信息管理與共享，以及利用相關設備進行系統重構，由天和核心艙實現組合體統一管理，問天實驗艙作為系統功能備份，夢天實驗艙配合支持管理。信息傳輸與測控采用天地一體化設計、天基和地基相結合的測控通信體制。各艙段測控通信設備融合使用，保障各種飛行姿態下測控通信覆蓋率，提高天地間測控、通信和網絡交互能力和效率。

空間站提供了無線Wi-Fi通信功能。艙內外區域均設置2.4G與5G Wi-Fi通信網絡，實現了航天員活動范圍100%全覆蓋。通過引入地面智能家居、物聯網技術，航天員可通過智能終端（手機、PAD、筆記本）實現智能家居管理、情景照明管理、智能視頻監控、智能遙測報警管理、智能醫學監測以及智能物資管理，提高航天員生活、工作的通信保障支持能力和對艙內艙外狀態的感知能力。

3.4 空間站環境控制和生命保障系統

空間站采用物化再生生命保障系統，實現資源再生利用。再生生命保障系統包括電解制氧、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備。核心艙和實驗艙I均配置全套的再生生保系統。組合體期間，核心艙統一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。配置一定數量非再生生保物品，供應急情況下保障維修時使用[5]。再生生保技術可以較好地實現資源再生利用，綜合水回收率≥83%，大幅降低貨運保障需求。運營期間，還將發展二氧化碳還原技術和生活垃圾處理和再利用技術，進一步提高物資再生循環利用水平和效率。

3.5 出艙活動和艙外操作

出艙活動是保障空間站長期可靠運行，完成艙外組裝建造和艙外作業，開展艙外載荷操作的必要手段。核心艙節點艙和實驗艙I專用氣閘艙均支持航天員出艙活動。核心艙單艙飛行期間利用節點艙出艙;實驗艙I對接后，使用專用氣閘艙出艙，節點艙作為備份。空間站支持2名航天員同時出艙。航天員艙外活動期間，采用無線通信模式，UHF通信用于傳輸話音及航天員生理數據，Wi-Fi通信用于傳輸高清圖像。

圖4為航天員從核心艙節點艙執行出艙活動任務艙外相機拍攝的照片。

核心艙配置大型機械臂 1 個，實驗艙配置小型機械臂 1 個，大機械臂作業半徑不小于10m，負載能力25噸;小機械臂作業半徑不小于5m，負載能力3噸，大、小機械臂均具有7個自由度。兩個機械臂可獨立或協同工作，也可級聯組合為一個機械臂，擴大作業范圍。大機械臂主要負責大負載大范圍轉移，小機械臂主要負責小負載精細化操作，組合臂主要執行航天員或艙外載荷的大范圍操作任務。在航天員、機械臂、艙外服以及貨運飛船支持下，可具備大型空間設施的操作能力，完成復雜的艙外建造任務[6]。

在實驗艙II配置貨物氣閘艙，可將暴露載荷設施和艙外設備從艙內自動轉移至艙外，再由機械臂抓捕、轉移和安裝。貨物氣閘艙轉移設施或設備出艙過程如圖5所示。

3.6 空間應用實驗支持

天宮空間站建造完成后，支持開展多學科領域的空間科學與技術實驗，以標準化資源為主、專用化資源為輔。其中標準化資源為應用載荷提供統一標準的機電熱接口，支持應用載荷項目的輪換更替，適用于實驗周期短的載荷項目;專用化資源為應用載荷提供訂制的機電熱接口資源，能適應載荷的特別需求，適用于有重大科學和應用價值的永久性載荷項目[7]。

安裝在空間站上的應用載荷可分為三類：艙內載荷、艙外標準載荷以及艙外專用載荷，如圖6所示。密封艙內為載荷提供25個實驗機柜裝載空間，支持載荷通過整體機柜和載荷單元兩種裝載形式開展實驗。載荷單元配置了標準的機、電、信息和熱接口，支持載荷以抽屜形式滾動輪替開展實驗，方便航天員在軌安裝和更換。實驗艙I和實驗艙II艙外設置暴露平臺，共計提供67個通用載荷適配器的接口空間，為暴露載荷提供標準的機、電、信息、熱接口。兩個實驗艙均為艙外載荷提供流體回路散熱支持。利用實驗艙II配置的貨物氣閘艙，可與機械臂協同完成艙外載荷自動進出艙任務，極大地提高了艙外載荷的操作效率。天宮空間站為載荷提供不小于12kW的供電支持，以及提供不小于1.1Gbps的數據下行能力[8，9]。

4 工程管理特點和創新

國際空間站由美俄為首、16個國家參與建造，然而研制技術體制不統一導致其整體優化程度不高，許多系統間、艙段間存在不兼容問題。例如，推進劑補加系統使用俄羅斯的推進系統，歐洲ATV貨運飛船需要在自身推進系統之外再單獨配置俄羅斯燃料和推進系統，才能實現國際空間站的推進劑補加;俄羅斯艙段和美國、歐洲艙段的控制、熱控、載人環境設備無法融合統一使用。我國空間站的建設充分發揮了我國獨立研制的特點，在技術體系、研制體系、發展體系和風控體系等四個方面開展了工程管理創新與實踐。

4.1 整體最優的技術體系

不同于以往在單個飛行器設計基礎上進行組合體設計的方式，我國空間站在設計之初就高度重視系統層面的一體化設計，構型結構、能源系統、信息系統、環熱控系統等均統一設計，在形成組合體后三艙的各系統均能互聯互通，形成一個有機的整體。在系統設計滿足任務功能要求和可靠性安全性要求的基礎上，合理分配三艙的功能：由天和核心艙負責空間站功能的統一管理和控制，問天實驗艙對能源管理、信息管理、控制系統和載人環境等關鍵功能進行冗余備份，并開展艙內外空間科學與技術實驗，夢天實驗艙主要開展艙內外空間科學與技術實驗。

我國空間站在供電體制和信息體制上也兼顧神舟載人飛船、天舟貨運飛船，使得載人飛船和貨運飛船與空間站對接后也能構成有機整體，空間站既可對載人飛船、貨運飛船進行并網供電，也可接受天舟貨運飛船的反向供電支持，空間站還可控制貨運飛船的發動機進行組合體軌道和姿態控制，也可通過貨運飛船的中繼天線下行數據和上行指令。

雖然我國空間站在規模上不如國際空間站，但正是我國空間站從系統統籌設計，三艙功能合理分配，使得我國空間站三艙組合體在功能上可與國際空間站相媲美。我國空間站載荷重量占比超過30%，高于國際空間站的7.9%;載荷供電功率占比為44.4%，與國際空間站相當，加上對載人飛船、貨運飛船和光學艙供電并網功率輸出，空間站平臺對外提供功率占比為63%，而平臺自身用電僅占37%;功率/重量比為0.41kW/t，超過了國際空間站的0.26kW/t;空間站下行數據傳輸速率達1.2Gbps，遠大于國際空間站100Mbps下行數據傳輸速率[10]。

4.2 標準統一的研制體系

空間站參研方涉及全國軍工、地方、高校和科研院所等超過3000家單位，其中既有航天系統內單位，也有系統外單位，有長期承研載人航天任務的單位，也有新承擔空間站階段研制任務的單位。因此，各單位在研制體系、生產規范和試驗標準等方面均有較大不同。

為避免參研單位多、研制體系和技術水平不統一的問題，確保空間站產品可靠，空間站在研制初期，根據以往研制經驗和空間站任務特點，制定了空間站系統16份設計與建造規范，涉及產品設計、元器件和原材料選用、生產、試驗、軟件等各環節，構建起空間站研制標準化體系，實行“整體覆蓋、適度超前、逐級傳遞、監督執行”標準化管理，三艙統一采用相同的研制規范，保證各單位研制體系統一。空間站標準體系如圖7所示。

除此之外，空間站還構建系統、航天器、專業三層次共用一套專業隊伍的組織架構，如圖8所示，用一套專業分系統團隊統一研制空間站各艙，產品通用化率達80%，從而在重要功能上在艙段備份的基礎上實現設備級備份，進一步提高整站可靠性。

4.3 逐步遞進的發展體系

我國是在經過空間實驗室階段任務，突破了交會對接等關鍵技術的基礎上，經充分地面試驗驗證，引入新技術進行天宮空間站的建造，走出了一條穩健的跨越式發展道路。新技術比重大是天宮空間站的顯著特征，其采用的空間機械臂技術、物化式再生生保技術、大面積柔性太陽翼技術等均為我國首次在軌開展應用的全新技術，應用難度大、研制風險高。

在工程發展方面，空間站階段又分為關鍵技術驗證、組裝建造、應用與擴展三個任務階段。利用核心艙、載人飛船和貨運飛船，對空間站建造及后續階段所需技術進行在軌飛行驗證。驗證并評估技術性能滿足要求后，再進行空間站三艙的組裝建造，繼而開展在軌應用。整個過程逐步開展、穩步推進。

在運行模式方面，空間站預留了擴展接口，具有艙段擴展、能源擴展、艙外實驗擴展能力。空間站最大可增加 3個艙、4 個大型艙外暴露實驗平臺，并可在艙外外掛大型實驗載荷。擴展后的最大規模可達 180噸。我國空間站的擴展能力為運營階段空間科學和技術的新需求預留了發展空間，也為開展國際合作，進一步提高空間站應用效益提供了發展空間。

另外，空間站還創新設計了共軌飛行航天器在軌服務模式，充分利用其長期有人駐留、配置空間機械臂的優勢，為后續來訪航天器提供在軌維修維護服務，并能將天舟貨運飛船攜帶的推進劑過路補加至來訪航天器。巡天空間望遠鏡將作為第一個接受天宮空間站在軌服務的共軌飛行航天器，在天宮空間站建造完成后發射入軌，相較美國“哈勃”空間望遠鏡每一次維修都需要發射航天飛機的情況，這種共軌飛行服務模式在經濟性方面有著巨大優勢[11，12]。

4.4 全面有效的風控體系

為了確保空間站10年以上在軌飛行安全可靠，空間站從靜態功能分析和動態任務事件進行風險分析，構建了多維度的風險管理體系。靜態功能方面，采用故障模式影響分析（FMEA）和故障樹分析（FTA），分別從底向上和從頂向下，對系統功能故障模式進行分析，對重大故障模式作為系統級風險進行控制，加強可靠度設計，對故障所涉及的關鍵產品進行過程控制，嚴把產品質量關。動態任務事件方面，以飛行事件為線索，識別影響任務成功的故障模式和風險，通過指令、測控站、硬件備份設計、裕度設計和設計確認，實現事件可靠執行。尤其對涉及分系統間、功能間的故障開展關聯性故障樹分析（CFTA），設計了能源、信息、熱管理和推進等關鍵功能的自主安全模式，確保一次故障下空間站仍可正常飛行，二次故障下可保證空間站和航天員安全。

此外，為了避免空間站關鍵核心元器件被國外封鎖禁運的風險，在空間站方案論證期間，就提前開展了核心元器件國產化攻關，突破了550萬門FPGA、100VDC/DC電源轉換模塊等8類核心元器件的國產化，實現了空間站元器件100%的自主可控，有效規避了受國外“卡脖子”的風險。

空間站還創建了在軌空間站、地面模擬空間站和數字空間站三站協同運營的模式。基于MBSE數字孿生技術建立的數字空間站，在飛行任務期間實時數據驅動伴飛，預測空間站健康趨勢，保證安全可靠飛行。

5 結論與展望

我國空間站工程在控制、信息、電源、資源再生利用、物資補給需求、運營成本、應用效益等方面均達到當代國際先進水平，也創立了有自身特點的技術、研制、發展和風控體系，為確保空間站高效研制、可靠飛行和有序發展奠定了堅實基礎。我國空間站的建成將為我國和全球的科學家提供先進的空間科學技術研究和實驗平臺，為空間科學和應用領域取得重大成果創造良好條件，成為國家太空實驗室，可望在物理學、天文學、材料、生物等科學領域，以及對地觀測、信息、航天等技術領域獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰略意義的應用成果。

參 考 文 獻：

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