中國空間站：多接口的“變形金剛”

思飛

郭沫若先生有一首非常富有想象力和意境的優(yōu)美詩篇——《天上的街市》。詩中描繪了神話傳說中的天上街市、神仙、宮殿。自從盤古破鴻蒙，天地遙遙，不知幾何。

神話只能把人們帶入奇妙的想象，而科學(xué)則能把人類帶入美妙的太空。100年前，俄羅斯火箭理論家、航天理論的奠基者齊奧爾科夫斯基首次提出了建立空間站的卓越設(shè)想。他認為，空間站實際上就是一個巨大的人造衛(wèi)星。它可以成為未來宇宙飛船的“啟航站”與“中轉(zhuǎn)站”。如今，齊奧爾科夫斯基的設(shè)想早已實現(xiàn)了：蘇聯(lián)發(fā)射的“禮炮號 ”和“和平號 ”空間站、美國的“天空實驗室”空間站、歐美和俄羅斯等國的國際空間站都實現(xiàn)了繞地球運轉(zhuǎn)，成為人類研究宇宙的基地。其中規(guī)模最大的國際空間站仍在近地軌道上運行著。

天舟一號

繼“天宮一號”和“神舟十號”載人飛行任務(wù)圓滿成功之后，我國又將于今年第三季度發(fā)射“天宮二號”空間實驗室?！疤鞂m二號”升空后，我國還計劃于今年第四季度發(fā)射 “神舟十一號”載人飛船，于2017年上半年發(fā)射新研制的“天舟一號”貨運飛船，并將“天宮二號”與兩者進行交會對接，檢驗“天舟一號” 貨運飛船的太空飛行技術(shù)性能?！疤熘垡惶枴必涍\飛船每次能運載6噸物資，包括火箭的推進劑、航天員的食物、科研儀器等。

此次對接還將為在2020年前后完成中國空間站的建造工作提供技術(shù)借鑒，突破和掌握航天員中期駐留、再生式生命保障以及貨運飛船補加等空間站關(guān)鍵技術(shù)，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題，并將開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和實驗研究。這些都將為我國進入建設(shè)空間站時代奠定基礎(chǔ)。

一流的太空實驗平臺

載人航天是舉世公認的高精尖技術(shù)。早在1992年，我國確定的三步走載人航天計劃（921工程）中，就明確表明最終目標是建立空間站?！笆濉睍r期已經(jīng)到了實施這一計劃的關(guān)鍵階段。

“神舟一號”發(fā)射升空圖

規(guī)劃于2020年建成的我國空間站將成為太空中的中國國家實驗室，支持我國科學(xué)家從事前沿科學(xué)探索、空間技術(shù)研究和空間資源的開發(fā)和利用，最終目標是為全人類造福?？臻g站資源十分寶貴，經(jīng)過科學(xué)、慎重地遴選，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、燃燒等十余類的科學(xué)研究實驗設(shè)施。這個一流的太空實驗平臺，將為科學(xué)家們?nèi)〉檬澜缂壍闹卮蠡驹硗黄铺峁l件保障。

目前，我國航天員都是從現(xiàn)役空軍飛行員中選拔的。為了能在空間站上開展太空科學(xué)實驗，未來需要從工程師和科學(xué)家中選拔航天員。航天員中要有能夠管理維護航天器的飛行工程師。如果設(shè)備出了故障能夠及時修復(fù)，新技術(shù)出來后還能給航天器升級。另一部分航天員則是能夠觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果、調(diào)整方案、設(shè)計新的實驗方案等的科學(xué)家。當然，根據(jù)空間站的實驗項目，選擇相關(guān)專業(yè)背景的科學(xué)家們進行訓(xùn)練，是未來航天員選拔一個主要方向。

神舟八號

我國未來還會單獨發(fā)射一個十幾噸重的光學(xué)艙，與空間站保持共軌飛行狀態(tài)，并計劃在光學(xué)艙里架設(shè)一套口徑兩米的巡天望遠鏡，分辨率與美國的哈勃太空望遠鏡相當，但視場角是哈勃的300多倍。這套望遠鏡的天區(qū)和波段覆蓋廣，像質(zhì)好，是中國人的“宇宙之眼”。如果在軌10年，可以對40%以上、約17500平方度的天區(qū)進行觀測，提供海量的科學(xué)數(shù)據(jù)資料，為科學(xué)家取得更多重大原創(chuàng)性成果提供有力的技術(shù)支持。

突破建站前的關(guān)鍵技術(shù)

在太空軌道上組裝空間站一定要突破4項關(guān)鍵技術(shù)。第一項是太空行走技術(shù)，這已由執(zhí)行“神舟七號”任務(wù)時的航天員翟志剛完成。第二項是空間交會對接技術(shù)，這已分別由執(zhí)行“神舟八號”、“神舟九號”、“神舟十號”三艘飛船任務(wù)的航天員們突破。第三項是補給技術(shù)，就是利用貨運飛船給空間實驗室進行推進劑等物資補加的技術(shù)，為此“天宮二號”將增加以前沒有過的推進劑補加系統(tǒng)。第四項是再生式生命保障技術(shù)。這項技術(shù)又可分為物理化學(xué)式再生環(huán)控生保技術(shù)和受控生態(tài)式再生生保技術(shù)。

神舟九號

物理化學(xué)式再生環(huán)控生保技術(shù)適合于中長期載人航天器的生命支持系統(tǒng)，是運用物理化學(xué)的方法，對航天員排放的二氧化碳、水蒸氣和尿液等廢棄物等進行回收利用，實現(xiàn)航天員氧氣、用水等物質(zhì)的供應(yīng)平衡。這項技術(shù)主要涉及電解水制氧、冷凝水和尿液的回收再利用、二氧化碳和微量有害氣體的去除等五個方面。將這項技術(shù)與非再生技術(shù)整合，就可以構(gòu)成能量流和物質(zhì)流互相匹配協(xié)調(diào)的完整系統(tǒng)。

受控生態(tài)式再生生保技術(shù)，指按照生態(tài)學(xué)原理建立起來的人工密閉生態(tài)系統(tǒng)。它能利用高等植物等生物部件生產(chǎn)食物、氧氣和水等生命必需物資，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的完全閉合循環(huán)和生保物資的持續(xù)再生。人們依靠這套系統(tǒng)，才能進行長期空間飛行和地外星球探測飛行。在“天宮二號“上進行物理化學(xué)式再生環(huán)控生保技術(shù)實驗的同時，還要進行從種子到植物全生育發(fā)展過程的受控生態(tài)式再生生保技術(shù)實驗。目前，我國正計劃種植水稻、擬南芥兩種植物，以考察其在長日照和短日照條件下的不同生長情況，既為以后的實驗積累經(jīng)驗，又為未來航天員長期駐留做準備。這無疑是”天宮二號“空間實驗室的一大亮點。

神舟十號

中國空間站的特色所在

由此可見，“天宮二號“空間實驗室的發(fā)射、運行和應(yīng)用，將為實施載人航天工程第三步的任務(wù)積累經(jīng)驗。只有全都掌握了這些技術(shù)，我們才能按計劃在2020年前后建成空間站，并向空間站運送人員和補充物資，航天員才能在空間站開展多種科學(xué)實驗，并在必要時出艙完成維修等任務(wù)，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

我國計劃在2020年前后建成的空間站軌道高度為400～450千米、傾角為42～43度，設(shè)計壽命為10年以上，可長期駐留3人，以進行較大規(guī)模的空間應(yīng)用。它是一座質(zhì)量超過90噸的軌道建筑，至少包括1個核心艙、2個科學(xué)實驗艙。每個艙都在20噸級以上，整體呈T字型，或呈現(xiàn)“兩室一廳”的結(jié)構(gòu)。核心艙的5個對接口可以對接1艘貨運飛船、2艘載人飛船，最后留2個對接口備用。另有一個出艙口即空間站上設(shè)裝的氣閘艙，用于航天員出艙進行太空行走。

天宮一號

此外，中國空間站還配置了兩類機械臂，長度累計為15米，可輔助航天員進行對接、補給、出艙和科學(xué)實驗。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動，還是航天員自身的移動，都可以通過機械臂來完成。航天員通過人機配合，可以在站內(nèi)進行空間站的建造與維修。

研發(fā)中的中國空間站是可以進一步擴展的，根據(jù)空間科學(xué)研究和應(yīng)用的需要，能夠?qū)痈嗟呐摱?，進行更多的實驗。這也要求站內(nèi)的動力裝置要足以維持空間站的軌道穩(wěn)定和姿態(tài)控制。此外，空間站將采用電推進技術(shù)作為軌道維持的動力裝置，顯著降低其運行期間的推進劑補給需求。

不難想象，像空間站如此龐大的太空運行系統(tǒng)，必然需要強有力的電力保障。為此，中國空間站將裝有兩對單翼翼展約30米的柔性太陽能電池板。它們與雙軸對日定向機構(gòu)、高效能鋰離子電池等一起，構(gòu)成空間站先進、強大的電源系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠為空間站不間斷地提供可靠、充足的電力。目前，地面上太陽能到電能的轉(zhuǎn)化率一般在百分之十幾。而將在空間站上使用的最新太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的這一轉(zhuǎn)化率可達30%以上。

近年來，信息技術(shù)、新能源、自動化和人工智能技術(shù)的新成果都將集成到中國空間站上，基于當代最新技術(shù)成果建造的中國空間站，信息化程度更高、能力更強，具有后發(fā)優(yōu)勢。其通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用等尤其先進。鑒于國際空間站延期使用的最后期限為2025年，而中國空間站將在軌運行至少10年以上，故國外媒體預(yù)言：“在國際空間站墜落后，中國或許是世界上唯一一個既有能力又有熱情去入駐太空的國家?！?p>

我國2020年前后建成空間站，其核心艙可對接“神舟”和“天舟”。

未來我國空間站建成之后，它在發(fā)揮重大科研價值的同時，也可能提供太空旅游。等到2020年，隨著小康社會的全面建成和空間站的升空運行，我國青少年的聰明才智，也將擁有更廣闊的發(fā)揮舞臺。

知識小講堂：

空間站是一種可供多名宇航員巡訪、長期工作和居住的載人航天器。在其運行期間，宇航員的替換和物資設(shè)備的補充分別由載人飛船、無人貨運飛船或航天飛機運送。空間站通常由軌道艙、生活艙、服務(wù)艙、對接艙、氣閘艙、專用設(shè)備艙和太陽能電池翼等部分組成。它的主要用途是進行天文觀測，勘測地球資源，開展醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究，發(fā)展新工藝和新技術(shù)，測量大地和偵察軍事動態(tài)，試驗和發(fā)射航天武器或航天器，為開發(fā)太空資源提供場所等。