中國(guó)空間站：自主可控的“太空母港”

宗禾

長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭搭載中國(guó)空間站天和核心艙的發(fā)射升空，標(biāo)志著中國(guó)空間站建造進(jìn)入全面實(shí)施階段，“太空之家”的夢(mèng)想正在成為現(xiàn)實(shí)。

按照空間站建造任務(wù)規(guī)劃，2021和2022年我國(guó)將接續(xù)實(shí)施11次飛行任務(wù)，包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運(yùn)飛船以及4次載人飛船發(fā)射，于2022年完成空間站在軌建造，實(shí)現(xiàn)中國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略“第三步”的任務(wù)目標(biāo)。那么，中國(guó)空間站究竟長(zhǎng)什么樣，與國(guó)際空間站有何不同……追隨著天和核心艙的步伐，本文為你揭開(kāi)中國(guó)空間站的十個(gè)秘密。

一問(wèn)：中國(guó)空間站長(zhǎng)什么樣

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，中國(guó)空間站以天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙三艙為基本構(gòu)型。

核心艙顧名思義就是空間站的核心了。作為空間站組合體控制和管理主份艙段，“天和”具備交會(huì)對(duì)接、轉(zhuǎn)位與停泊、乘組長(zhǎng)期駐留、航天員出艙、保障空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”均作為支持大規(guī)模艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)載荷支持艙段。同時(shí)，“問(wèn)天”還作為組合體控制和管理備份艙段，具備出艙活動(dòng)能力，“夢(mèng)天”具備載荷自動(dòng)進(jìn)出艙能力。

中國(guó)空間站三艙飛行器依次發(fā)射成功后，將在軌通過(guò)交會(huì)對(duì)接和轉(zhuǎn)位，形成“T”形組合體，長(zhǎng)期在軌運(yùn)行。

二問(wèn)：中國(guó)空間站有什么用

空間站的主要定位就是國(guó)家未來(lái)的空間實(shí)驗(yàn)室，主要是為了解決人類長(zhǎng)期在空間飛行的關(guān)鍵技術(shù)。前期，利用天宮一號(hào)、二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)解決了航天員在太空的中短期駐留技術(shù)，但是長(zhǎng)期駐留的技術(shù)還有很多問(wèn)題需要解決。

同時(shí)，開(kāi)展空間站工程將從國(guó)家全產(chǎn)業(yè)鏈角度，極大地引領(lǐng)和帶動(dòng)包括空間科學(xué)、生命科學(xué)等多種前沿學(xué)科和原材料、元器件、智能制造等多領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)發(fā)展，前景不可限量。特別是，空間站作為長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的“太空母港”，其天然的高真空、微重力、超潔凈環(huán)境也可以充分用于開(kāi)展各類科學(xué)技術(shù)研究，推動(dòng)科技進(jìn)步。因此，空間站工程將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。

三問(wèn)：與國(guó)際空間站有何不同

國(guó)際空間站是目前在軌運(yùn)行最大的空間平臺(tái)，規(guī)模大約有423噸，由美國(guó)、俄羅斯、加拿大、日本等16國(guó)聯(lián)合，先后經(jīng)歷12年建造完成。

中國(guó)空間站由一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成，總體重量約70噸。不搞像國(guó)際空間站那么大規(guī)模的空間站，這樣的建設(shè)思路綜合考慮了我國(guó)當(dāng)前需求和耗費(fèi)等因素，符合中國(guó)國(guó)情?？梢哉f(shuō)，規(guī)模適度、留有發(fā)展空間的思路，既可以滿足重大科學(xué)研究項(xiàng)目的需要，又同時(shí)具備擴(kuò)展和支持來(lái)往飛行器對(duì)接的能力。如果需要，中國(guó)空間站未來(lái)可以擴(kuò)展到180噸級(jí)。

中國(guó)空間站由我國(guó)自主建造，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全部國(guó)產(chǎn)化，部組件全部國(guó)產(chǎn)化，原材料全部國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵核心元器件100%自主可控。

四問(wèn)：中國(guó)空間站建設(shè)分幾步

中國(guó)空間站任務(wù)分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、組裝建造和運(yùn)營(yíng)三個(gè)階段，目前正處于關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段。

在這個(gè)階段，將發(fā)射天和核心艙和2艘載人飛船、2艘貨運(yùn)飛船，在軌驗(yàn)證7大關(guān)鍵技術(shù)：空間站推進(jìn)劑補(bǔ)加、再生生命保障、柔性太陽(yáng)電池翼和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修，為實(shí)施空間站組裝建造和長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。后續(xù)，將通過(guò)發(fā)射2艘貨運(yùn)飛船、2艘載人飛船以及“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，實(shí)現(xiàn)空間站的組建和運(yùn)營(yíng)。

五問(wèn)：工程目標(biāo)主要是什么

建造并運(yùn)營(yíng)中國(guó)空間站，首要的是突破、掌握和發(fā)展大型復(fù)雜航天器的在軌組裝與建造、長(zhǎng)期安全可靠飛行、運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)技術(shù)，提升國(guó)家航天技術(shù)水平，帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)的科技進(jìn)步。

同時(shí)，要突破、掌握和發(fā)展近地空間長(zhǎng)期載人航天飛行技術(shù)，解決近地軌道長(zhǎng)期載人航天飛行的主要醫(yī)學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)航天員長(zhǎng)期在軌健康生活和有效工作。

此外，通過(guò)建成國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，發(fā)展具有國(guó)際先進(jìn)水平的空間科學(xué)與應(yīng)用能力，開(kāi)展多領(lǐng)域空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)、空間應(yīng)用，以及科普教育，獲取具有重大科學(xué)價(jià)值的研究成果和重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。

當(dāng)然，我們也要通過(guò)空間站建設(shè)為人類和平開(kāi)發(fā)和利用空間資源作出積極貢獻(xiàn)。

六問(wèn)：空間站壽命幾何

如同汽車，在使用一定年限和里程后要報(bào)廢一樣，空間站也沒(méi)有永久壽命。

中國(guó)空間站設(shè)計(jì)在軌飛行10年，具備延壽到15年的能力?？臻g站在太空中安家后，將面對(duì)來(lái)自宇宙的各種威脅和挑戰(zhàn)，比如，原子氧、紫外輻照、真空、溫度交變、空間碎片以及微重力等，這些危險(xiǎn)元素可能會(huì)造成空間站的材料性能衰退，或者誘發(fā)故障，從而制約艙外電纜、表面涂層、光學(xué)鏡頭等產(chǎn)品和設(shè)備的使用壽命。

為了保證空間站在軌不小于15年的長(zhǎng)壽命要求，相關(guān)人員從設(shè)計(jì)伊始，就開(kāi)展了長(zhǎng)壽命、可靠性、維修性、安全性一體化設(shè)計(jì)。具體來(lái)講，就是以系統(tǒng)和產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命和固有可靠性設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，配合開(kāi)展系統(tǒng)和產(chǎn)品在軌故障診斷、處置預(yù)案設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、可靠性的既定目標(biāo)。

七問(wèn)：空間站內(nèi)部環(huán)境如何

空間站建成后，將成為中國(guó)的太空家園，可支持3名航天員長(zhǎng)期駐留，6人短期駐留。滿足這樣的要求，首先空間要大，天和核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙完成拼接后，整體空間高達(dá)110立方米，設(shè)置了3個(gè)航天員睡眠區(qū)。而此前，天宮一號(hào)、二號(hào)的空間僅為15立方米，要想美美地睡一覺(jué)都是很奢侈的。

不僅空間大，空間站還具有“自我造血”能力。以前航天員生存所必需的水和氧氣由航天器直接送入太空，而空間站通過(guò)設(shè)計(jì)完整的可再生生命保障系統(tǒng)，航天員呼出的水蒸氣會(huì)通過(guò)冷凝水方式回收，排泄的尿液也會(huì)回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。同時(shí)，電解制氧時(shí)產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，將通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，航天員們可以放心大膽地大口呼吸。同時(shí)，在這里聲光風(fēng)暖隨心調(diào)，餐飲娛樂(lè)都不愁，要是悶了，還能隨時(shí)通過(guò)手機(jī)和家人聊聊天。

八問(wèn)：裝備哪些科學(xué)儀器

空間站既是航天員的“太空之家”，也是科學(xué)研究的“太空實(shí)驗(yàn)室”。一流的太空實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將為科學(xué)家們?nèi)〉檬澜缂?jí)的重大突破提供有力保障。

然而，空間站資源十分寶貴，經(jīng)過(guò)科學(xué)且慎重的遴選，空間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、流體等類別相關(guān)的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)設(shè)施。包括與空間站共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)，空間站規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的10多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，每一個(gè)都可看成是一個(gè)小型的太空實(shí)驗(yàn)室，支持一個(gè)或多個(gè)方向的空間科學(xué)與應(yīng)用研究。

九問(wèn)：空間站如何獲取能源

家的正常運(yùn)營(yíng)離不開(kāi)電，“太空家園”同樣需要“太空電站”。

太空中唯一的能量來(lái)源就是太陽(yáng)的能量。在天和核心艙上，配有兩對(duì)大面積的太陽(yáng)電池翼，單翼面積可達(dá)到67平方米。其在光照區(qū)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，供整艙應(yīng)用，同時(shí)為蓄電池儲(chǔ)存能量，備陰影區(qū)使用。這兩組太陽(yáng)電池翼在初期發(fā)電能力超過(guò)18000瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)內(nèi)之前任何一個(gè)航天器。

當(dāng)空間站運(yùn)行到太陽(yáng)無(wú)法照射的陰影區(qū)時(shí)，由鋰離子蓄電池為整個(gè)艙體供電?？臻g站核心艙共有6組鋰離子蓄電池，每組有66個(gè)單體電池。

十問(wèn)：一旦出現(xiàn)故障怎么辦

中國(guó)空間站要在軌運(yùn)行10多年，將在太空軌道上為航天員和科學(xué)家提供開(kāi)展太空科研的工作環(huán)境，同時(shí)承接載人飛船和貨運(yùn)飛船等多種空間飛行器的對(duì)接停靠任務(wù)。如同我們居住的房子，在外界物理、化學(xué)因素的作用下，會(huì)發(fā)生有形的磨損，家中的各種電子設(shè)備，也會(huì)隨著時(shí)間的流逝需要適時(shí)開(kāi)展維護(hù)與更換。

因此，空間站一旦出現(xiàn)故障，就要靠航天員在軌維修了。這又分為艙內(nèi)在軌維修與艙外在軌維修。艙內(nèi)在軌維修，需要航天員在飄浮的狀態(tài)下裸手對(duì)故障產(chǎn)品進(jìn)行更換操作，重點(diǎn)在于防止操作錯(cuò)誤和機(jī)械安全性。最難的是艙外維修，航天員需要走出空間站，漫步在太空中，身著特殊的航天服，就如傳染科的醫(yī)生穿著隔離服一樣。而航天服內(nèi)充滿著一定的壓力，該壓力在保證航天員的生命安全的同時(shí)，給操作的動(dòng)作帶來(lái)不小的難度。

航天員在艙外維修的任何動(dòng)作，從動(dòng)指尖到抬手臂，都需要在克服該內(nèi)壓的情況下完成，其難度類似于打著石膏的雙手戴上厚重的手套修理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。不過(guò)，可以放心的是，所有可能出現(xiàn)的故障，航天員們都已在平時(shí)的模擬環(huán)境中進(jìn)行過(guò)“實(shí)操”了。

（湘琦摘自《科學(xué)之友》2021年第6期）