中國(guó)空間站為什么要這樣設(shè)計(jì)？

+毛新愿

人類(lèi)目前共出現(xiàn)了四代空間站，中國(guó)建設(shè)的天宮空間站是一個(gè)相當(dāng)于第三代水平的空間站，總大小在80-100噸級(jí)，有潛力擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)艙成為100+噸級(jí)，預(yù)計(jì)在2022年完成，壽命十年，亦可通過(guò)維護(hù)延期。

相較而言，它比起目前420噸級(jí)的第四代空間站——國(guó)際空間站的確要小一圈，但天宮空間站對(duì)于我國(guó)而言已經(jīng)是最佳方案了。

我們先來(lái)看看前三代空間站的歷史和特點(diǎn)。

1.基本背景

上世紀(jì)60年代末，蘇聯(lián)在登月項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)中落敗于美國(guó)后，便掀起了新一波的競(jìng)爭(zhēng)：空間站建設(shè)。長(zhǎng)期以來(lái)的載人航天實(shí)驗(yàn)、尤其是阿波羅登月的成功，驗(yàn)證了人類(lèi)可長(zhǎng)時(shí)間在太空中生存的可能性。在設(shè)想中，通過(guò)建立長(zhǎng)期駐人的空間站，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的軍事偵察甚至潛在的作戰(zhàn)目的。蘇聯(lián)于是將航天發(fā)展重心押在長(zhǎng)期可駐人空間站上，與此同時(shí)可發(fā)射大型任務(wù)的質(zhì)子系列火箭也完全成熟。

2.第一代和第二代空間站

早在美國(guó)還在進(jìn)行阿波羅登月的1971年，蘇聯(lián)便把絕密的禮炮一號(hào)（Salyut）送入太空，并在后續(xù)項(xiàng)目中嘗試裝載武器。

圖1 我國(guó)“天宮”空間站

禮炮號(hào)空間站簡(jiǎn)要信息

圖2 蘇聯(lián)禮炮7號(hào)空間站

在1971-1982年間，蘇聯(lián)共計(jì)發(fā)射了9個(gè)重達(dá)18-20噸的空間站，其中7個(gè)取得成功，技術(shù)上分為兩代。

第一代為實(shí)驗(yàn)飛行器性質(zhì)，僅有一個(gè)對(duì)接口，意味著一次僅能對(duì)接一艘飛船，我國(guó)的天宮一號(hào)和二號(hào)也是類(lèi)似功能。它們主要用來(lái)驗(yàn)證交會(huì)對(duì)接、出艙行走、長(zhǎng)期在軌駐留等實(shí)驗(yàn)，用完就沒(méi)有太大意義了。

第二代為長(zhǎng)期駐留空間站，此時(shí)已經(jīng)帶有兩個(gè)對(duì)接口，可一次對(duì)接兩艘飛船。其中，三個(gè)軍用的禮炮空間站還進(jìn)行了秘密的武器試驗(yàn)，例如在禮炮三號(hào)上安裝了圖-22轟炸機(jī)自衛(wèi)航炮作為攻擊武器，無(wú)奈由于無(wú)法解決武器發(fā)射時(shí)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題被迫放棄。

蘇聯(lián)的第二代空間站已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，禮炮6和7號(hào)都獲得了巨大成功。

在蘇聯(lián)的壓力下，美國(guó)方面也毅然轉(zhuǎn)向空間站建設(shè)。由于龐大登月火箭土星五號(hào)的存在，他們只需將其中一級(jí)（Saturn IV-B）改裝成空間站結(jié)構(gòu)，即可一次性發(fā)射超大空間站進(jìn)入太空，比起蘇聯(lián)的單模塊空間站擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。

1973年5月14日，美國(guó)用一枚土星五號(hào)運(yùn)載火箭，將巨大的天空實(shí)驗(yàn)室空間站送入太空。它重約80噸，內(nèi)部體積達(dá)到了368立方米，大約相當(dāng)于一棟120平方米的房子飛在空中，前后接待了三批宇航員，載人任務(wù)于1974年2月8日結(jié)束，任務(wù)非常短暫，隨后天空實(shí)驗(yàn)室被封閉，于1979年7月11日返回地球大氣層燒毀。

從性質(zhì)來(lái)講，天空實(shí)驗(yàn)室僅有一個(gè)對(duì)接口，也屬于第一代空間站。這也符合它的定位，很大程度上是為了應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)壓力而趕鴨子上架的。無(wú)論是火箭還是空間站都極其昂貴，載人飛船還是阿波羅登月飛船，太貴了，即便是財(cái)大氣粗的美國(guó)也無(wú)力以該火箭維持空間站的運(yùn)行。

3.第三代空間站

但蘇聯(lián)方面則繼續(xù)發(fā)展第三代空間站作為載人航天的延續(xù)。

天空實(shí)驗(yàn)室任務(wù)周期內(nèi)，蘇聯(lián)恰好處在禮炮2號(hào)無(wú)法使用、宇宙-557空間站剛剛失敗、禮炮3號(hào)尚未發(fā)射的階段。在政治和軍事壓力下，蘇聯(lián)官方提出了更新一代大型空間站的任務(wù)，第三代空間站于1976年開(kāi)始論證，正是和平號(hào)空間站的前身。

和平號(hào)空間站的最大特點(diǎn)是模塊化組裝，這意味著空間站建設(shè)需要通過(guò)近地軌道集合的方式完成，降低了每次航天發(fā)射的載重需求，每一個(gè)模塊也可以在保證接口一致的情況下具有完全不同的獨(dú)立功能。計(jì)劃中的和平號(hào)核心艙，也由禮炮7號(hào)升級(jí)而來(lái)，更新了太陽(yáng)能陣列（從硅材料到鎵）、新型計(jì)算設(shè)備、增加接駁塢站到6個(gè)等，總重升級(jí)到20.4噸，宇航員活動(dòng)的加壓空間達(dá)到90立方米，火箭可以滿足需求。在隨后10年內(nèi)，通過(guò)一系列重要任務(wù)，和平號(hào)逐漸完成了主體的搭建，期間蘇聯(lián)解體，新成立的俄羅斯重新恢復(fù)了與美國(guó)的航天合作，和平號(hào)也因?yàn)楹兔绹?guó)航天飛機(jī)計(jì)劃合作而修改了一定建設(shè)方案（原計(jì)劃對(duì)接蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)），新增了光譜號(hào)、對(duì)接艙和自然號(hào)三個(gè)艙段，全貌如圖4。

建成后的和平號(hào)成為了一個(gè)圍繞核心艙建設(shè)、總重129.7噸、350立方米內(nèi)部加壓空間的龐然大物，運(yùn)轉(zhuǎn)在距離地球上空400千米的高處。由于對(duì)接艙的存在，和平號(hào)能夠直接與美國(guó)的五架航天飛機(jī)對(duì)接（實(shí)際上是亞特蘭蒂斯號(hào)7次，發(fā)現(xiàn)號(hào)1次，奮進(jìn)號(hào)1次），如果考慮到航天飛機(jī)自身重量，整個(gè)空間站的最大重量可以高達(dá)249噸。期間，先后有31艘聯(lián)盟載人飛船（其中1次為新型聯(lián)盟TM飛船無(wú)人測(cè)試）和62艘進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船對(duì)接和平號(hào)，取得了巨大成就。

和平號(hào)空間站是禮炮號(hào)系列空間站的技術(shù)結(jié)晶，作為國(guó)際空間站發(fā)射前全球最重要的空間站，也是唯一的第三代空間站，它奠定了多艙模塊化組裝、積木式結(jié)構(gòu)方式搭建長(zhǎng)期可駐留空間站技術(shù)的發(fā)展，將主體結(jié)構(gòu)、能源控制系統(tǒng)、軌道和姿態(tài)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境與生命維持系統(tǒng)、宇航員生活與工作區(qū)域、載人和貨運(yùn)駁接、出艙行走和氣閘艙、科學(xué)研究等模塊優(yōu)化布局糅合或分列在不同艙段內(nèi)，效率大大提升。

圖3 美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室空間站

圖4 和平號(hào)空間站的結(jié)構(gòu)圖

和平號(hào)實(shí)現(xiàn)了83.2%生命周期內(nèi)駐人（4592/5519天），共計(jì)接納了來(lái)自12個(gè)國(guó)家的135名宇航員在此工作與生活，他們完成了78次出艙行走并完成海量實(shí)驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)指標(biāo)都遠(yuǎn)超此前所有載人航天任務(wù)的總和。于此同時(shí)和平號(hào)上的宇航員也成為研究人體航天醫(yī)學(xué)的最佳數(shù)據(jù)來(lái)源，在任務(wù)周期內(nèi)，和平號(hào)有多人創(chuàng)造了單次滯空記錄，人類(lèi)歷史上三次達(dá)到或超過(guò)一年的記錄均來(lái)自和平號(hào)空間站宇航員：Valeri Polyakov滯空438天，Sergei Avdeyev實(shí)現(xiàn)380天，Vladimir Titov和Musa Manarov實(shí)現(xiàn)365天。

這說(shuō)明第三代空間站已經(jīng)足夠強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)空間科學(xué)研究和應(yīng)用功能，我國(guó)的天宮也是這個(gè)思路。

4.第四代空間站

90年代初，隨著蘇聯(lián)解體、俄羅斯獨(dú)立，和平號(hào)成為了兩個(gè)超級(jí)大國(guó)航天和平合作的契機(jī)。在蘇聯(lián)計(jì)劃發(fā)展下一個(gè)和平號(hào)空間站時(shí)，美國(guó)也在計(jì)劃發(fā)展自家的自由號(hào)空間站（Freedom）。俄羅斯獨(dú)立后，二者的空間站方案一拍即和，決定共建一個(gè)空間站，同時(shí)接受世界上主要國(guó)家加入的申請(qǐng)，這個(gè)方案便是自1998年運(yùn)行到今天的國(guó)際空間站，它已經(jīng)是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的第四代空間站。相比第三代空間站，桁架結(jié)構(gòu)的使用使得整個(gè)空間站結(jié)構(gòu)更大、功能更加復(fù)雜。隨著和平號(hào)的隕落，國(guó)際空間站成為整個(gè)人類(lèi)載人航天的寵兒。

國(guó)際空間站的建設(shè)比起和平號(hào)復(fù)雜許多，它需要的組合部分更多，功能要求更強(qiáng)?？梢詮慕ㄔO(shè)過(guò)程明顯看出，桁架質(zhì)量甚至超過(guò)了普通艙段。自從1998年11月20日俄羅斯發(fā)射第一個(gè)主要艙段曙光號(hào)起，一直到今天仍在進(jìn)行建設(shè)過(guò)程，主要建設(shè)過(guò)程由美國(guó)的航天飛機(jī)計(jì)劃完成。由于大型結(jié)構(gòu)的使用，它絕大部分建設(shè)甚至只能由航天飛機(jī)完成，然而航天飛機(jī)極其昂貴，平均每15億美元一次任務(wù)！

圖5 國(guó)際空間站

時(shí)至今日，國(guó)際空間站已經(jīng)成長(zhǎng)為一個(gè)寬109米、長(zhǎng)73米、高20米、重達(dá)419噸、內(nèi)部容積916立方米的空間巨無(wú)霸，相當(dāng)于一棟七層樓高的小型體育場(chǎng)。自從2000年11月2日首次載人任務(wù)以來(lái)，它已經(jīng)連續(xù)保持了19年載人飛行，駐扎國(guó)際空間站的宇航員被叫作遠(yuǎn)征隊(duì)（Expedition）成員，每批保持在6位。目前國(guó)際空間站還有每年8次左右貨運(yùn)對(duì)接和4次左右載人對(duì)接，一個(gè)批次的宇航員停留時(shí)間大概半年左右。

20年來(lái)的運(yùn)轉(zhuǎn)，國(guó)際空間站完成了數(shù)不清的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為人類(lèi)科技進(jìn)步和航天技術(shù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。它是人類(lèi)載人航天的最高技術(shù)體現(xiàn)，也孕育了各個(gè)國(guó)家的各種載人航天相關(guān)器具，例如美國(guó)的航天飛機(jī)（載人/貨運(yùn)）、龍飛船（貨運(yùn)）、龍-2飛船（載人）、天鵝座（貨運(yùn)），俄羅斯的進(jìn)步號(hào)（貨運(yùn)）和聯(lián)盟號(hào)（載人），歐盟的ATV（貨運(yùn)），日本的HTV（貨運(yùn)）。它的特殊環(huán)境也促使了國(guó)際上關(guān)于天文觀測(cè)、對(duì)地遙感、航天醫(yī)學(xué)、植物育種等多方面技術(shù)的快速進(jìn)步，成為一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的科研平臺(tái)。目前它依然處在很好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，服役時(shí)間在逐漸延期。

國(guó)際空間站主要艙段建設(shè)時(shí)間表

人類(lèi)航天四代載人空間站技術(shù)特點(diǎn)

5.我國(guó)天宮和國(guó)際空間站為什么設(shè)計(jì)方案不同？

可以從前文明顯感覺(jué)到空間站的發(fā)展歷程有以下特點(diǎn)：

a.相對(duì)于第一和二代空間站，第三代空間站已經(jīng)是一個(gè)非常大、全方位的跨越。第四代空間站的確可以依賴(lài)桁架式結(jié)構(gòu)做到更大更強(qiáng)，但并沒(méi)有巨大的優(yōu)勢(shì)。具體的區(qū)別前文已經(jīng)介紹過(guò)了。

b.大型空間站往往需要更加強(qiáng)力的運(yùn)載器具，國(guó)際空間站離了極其昂貴的航天飛機(jī)是根本不可能建成的，但這也導(dǎo)致它的建造費(fèi)用爆增，20年來(lái)總費(fèi)用超過(guò)了2000億美元！我國(guó)目前最強(qiáng)的長(zhǎng)征-5與俄羅斯質(zhì)子K是同一級(jí)別火箭，不足以建設(shè)大型桁架式的結(jié)構(gòu)（體積問(wèn)題），或者強(qiáng)行改第四代空間站方案建造費(fèi)用將是個(gè)天文數(shù)字；

c.國(guó)際空間站的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用已經(jīng)極高，例如國(guó)際空間站常年保持6人在軌生存，半年左右進(jìn)行輪換。目前俄羅斯聯(lián)盟號(hào)載人飛船是唯一運(yùn)載工具，一張船票就需要8100萬(wàn)美元，太貴了！而維持運(yùn)行也需要大量貨運(yùn)飛船前往，費(fèi)用極其高昂。每年單美國(guó)就需要花費(fèi)15億美元預(yù)算在國(guó)際空間站，這個(gè)價(jià)格基本足夠中國(guó)完成嫦娥探月工程。

因而，對(duì)于我國(guó)而言，選擇建立一個(gè)第三代空間站已經(jīng)足夠完成絕大部分任務(wù)目標(biāo)。長(zhǎng)期保持3人在軌運(yùn)行，用現(xiàn)有的長(zhǎng)征-5（重型建設(shè)工作）、長(zhǎng)征-7（天舟貨運(yùn)飛船）和長(zhǎng)征-2F（神舟載人飛船）火箭即可支撐，性?xún)r(jià)比顯然要高很多。如果順利，2020年開(kāi)建，2022年就可建成并投入至少10年的運(yùn)營(yíng)。

實(shí)際上，天宮空間站方案也很靈活。在運(yùn)行中，天宮空間站將同一個(gè)光學(xué)艙段共軌飛行。該光學(xué)艙是一個(gè)十幾噸的大型巡天望遠(yuǎn)鏡，在很多指標(biāo)上都接近甚至超過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，視場(chǎng)角是哈勃的300多倍。這種方案減少了對(duì)望遠(yuǎn)鏡的干擾，同時(shí)如果望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)類(lèi)似哈勃曾經(jīng)遭遇的質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，也方便維護(hù)升級(jí)。

同時(shí)，核心艙還保有備用對(duì)接口等，如有需要可以將天宮空間站進(jìn)一步升級(jí)成更大版本。這些設(shè)計(jì)理念是非常先進(jìn)實(shí)用的。

我國(guó)航天依然處在追趕階段，有太多地方需要花錢(qián)，即便再怎么多快好省也要避免航天人“巧婦難為無(wú)米之炊”的窘境，天宮空間站保持一個(gè)超高性?xún)r(jià)比建設(shè)和運(yùn)營(yíng)方案，對(duì)于我國(guó)是最優(yōu)解。