中國(guó)空間站工程技術(shù)與管理創(chuàng)新

楊宏 張昊 周昊澄

摘 要：空間站是一個(gè)國(guó)家科技水平和制造能力綜合實(shí)力的體現(xiàn)，世界上只有前蘇聯(lián)的“和平號(hào)”空間站和正在軌運(yùn)行的以美國(guó)為主導(dǎo)、16國(guó)參與的國(guó)際空間站。面對(duì)國(guó)外技術(shù)封鎖，我們發(fā)揮我國(guó)新型舉國(guó)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新了一條適合我國(guó)國(guó)情的空間站建造方案，提出了“獨(dú)立自主、創(chuàng)新引領(lǐng)、體系保障、規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”的我國(guó)空間站研制管理模式，成功研制、發(fā)射和運(yùn)行空間站首個(gè)航天器“天和”核心艙。本文對(duì)我國(guó)空間站工程的總體方案、組裝建造方案和工程任務(wù)安排進(jìn)行了介紹，闡述了我國(guó)空間站工程的主要技術(shù)特點(diǎn)，并從技術(shù)體系、研制體系、發(fā)展體系和風(fēng)控體系等四個(gè)方面總結(jié)了我國(guó)空間站研制和運(yùn)行過程的工程管理創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：中國(guó)空間站;工程技術(shù)與管理;技術(shù)與管理創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：V57文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(guó)空間站是一個(gè)長(zhǎng)期在近地軌道運(yùn)行的載人空間站，命名為“天宮”，由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II三艙組成，提供三個(gè)對(duì)接口，支持載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他來訪飛行器的對(duì)接和?？?。圍繞建設(shè)具有中國(guó)特色和時(shí)代特征的空間站這一宏偉目標(biāo)，中國(guó)空間站工程方案堅(jiān)持以下基本原則：符合中國(guó)國(guó)情，有所為、有所不為;規(guī)模適度，留有發(fā)展空間;具有突出的中國(guó)元素和核心內(nèi)涵;體現(xiàn)國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展;追求技術(shù)進(jìn)步，充分采用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)建造和運(yùn)營(yíng)空間站，全面掌握大型空間設(shè)施的建造和操作技術(shù);注重應(yīng)用效益，在空間站應(yīng)用領(lǐng)域取得重大創(chuàng)新科技成果;追求運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性，走可持續(xù)發(fā)展的道路[1，2]。基于以上原則，我們提出了“獨(dú)立自主、創(chuàng)新引領(lǐng)、體系保障、規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”的空間站系統(tǒng)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(fā)射入軌正常運(yùn)行。

2 空間站工程概述

2.1 總體構(gòu)型

空間站的基本構(gòu)型是由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ三個(gè)艙段組成的T字構(gòu)型，其中核心艙居中，實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ永久停泊于核心艙節(jié)點(diǎn)艙的兩側(cè)，載人飛船和貨運(yùn)飛船分別對(duì)接于核心艙的前向和后向，如圖1所示。

空間站運(yùn)行軌道為傾角41°～43°、高度340km～450km的近圓軌道。三艙組合體質(zhì)量約68.5噸，額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達(dá)6人，具備不小于20噸載荷設(shè)備的安裝和支持能力。建造形成三艙組合體后在軌運(yùn)行壽命不小于10年，具有通過維護(hù)維修延長(zhǎng)使用壽命的能力，并具備一定擴(kuò)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(fù)責(zé)空間站組合體的統(tǒng)一管理和控制，可完成與實(shí)驗(yàn)艙、載人飛船、貨運(yùn)飛船等飛行器的交會(huì)對(duì)接和?？浚蛹{航天員長(zhǎng)期訪問和物資補(bǔ)給，配置機(jī)械臂支持航天員出艙活動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)艙I命名為“問天”，作為核心艙關(guān)鍵平臺(tái)功能的備份艙段，也具備空間站統(tǒng)一管理和控制能力;配備航天員出艙活動(dòng)專用氣閘艙，支持開展密封艙內(nèi)及艙外載荷實(shí)驗(yàn)，配置實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂對(duì)艙外載荷進(jìn)行操作。

實(shí)驗(yàn)艙II命名為“夢(mèng)天”，用于開展密封艙內(nèi)和艙外載荷實(shí)驗(yàn)，配置貨物氣閘艙用于載荷及設(shè)備進(jìn)出艙。

航天員天地往返運(yùn)輸由神舟載人飛船完成，在酒泉航天發(fā)射場(chǎng)由長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭發(fā)射，可支持3名航天員天地往返。貨物運(yùn)輸由天舟貨運(yùn)飛船完成，在海南航天發(fā)射場(chǎng)由長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射，可為空間站上行運(yùn)送航天員生活物資、推進(jìn)劑、消耗品、載荷設(shè)備等補(bǔ)給物資，下行銷毀廢棄物。

2.2 組裝建造

在沒有航天飛機(jī)規(guī)模的大型運(yùn)輸工具情況下，空間站三艙利用艙段交會(huì)對(duì)接和平面轉(zhuǎn)位方式完成積木加局部桁架混合構(gòu)型大型空間站的組裝建造。實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II依次對(duì)接于核心艙節(jié)點(diǎn)艙的軸向端口，然后通過艙段平面轉(zhuǎn)位操作，將其轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)艙的左右兩側(cè)，與節(jié)點(diǎn)艙剛性連接，構(gòu)成三艙基本構(gòu)型。組裝建造過程如圖3所示。

在貨運(yùn)飛船、航天員和機(jī)械臂支持下，可完成類似國(guó)際空間站的復(fù)雜艙外建造和操作活動(dòng)，是大型空間設(shè)施建設(shè)的更為經(jīng)濟(jì)、合理的建造方式。

2.3 工程任務(wù)安排

空間站任務(wù)分為空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段、組裝建造階段和應(yīng)用與發(fā)展階段。

在關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，發(fā)射試驗(yàn)核心艙、載人飛船和貨運(yùn)飛船，對(duì)推進(jìn)劑補(bǔ)加、物化再生生保、太陽翼和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)、大型組合體控制技術(shù)、空間站組裝建造技術(shù)、出艙活動(dòng)技術(shù)、在軌維修技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行飛行驗(yàn)證和評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)功能和長(zhǎng)期駐留功能進(jìn)行考核。

在組裝建造階段，分別發(fā)射實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II與之對(duì)接，完成空間站建造。其間將發(fā)射神舟載人飛船和貨運(yùn)飛船，支持完成建造任務(wù)，同步開展科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

在進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段后，航天員乘組將分批長(zhǎng)期駐站生活和工作，開展科學(xué)技術(shù)研究和探索活動(dòng)，擇機(jī)進(jìn)行空間站擴(kuò)展和應(yīng)用載荷的更換。

3 工程技術(shù)特點(diǎn)與創(chuàng)新

3.1 空間站電源系統(tǒng)

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(shí)的能源供應(yīng)，空間站采用了柔性太陽電池翼技術(shù)。核心艙通過2個(gè)柔性太陽翼單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向。單翼展開長(zhǎng)度超10m，供電能力不低于4kW。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙安裝了國(guó)內(nèi)最大的柔性太陽翼，分別通過雙自由度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)日定向，單翼展開長(zhǎng)度超過25m，陣面面積超過110m2，供電能力不低于7kW。采用轉(zhuǎn)換效率 30%以上的三結(jié)砷化鎵電池片及鋰蓄能電池。

空間站設(shè)置了并網(wǎng)系統(tǒng)，預(yù)留與天舟貨運(yùn)飛船、神舟載人飛船、巡天空間望遠(yuǎn)鏡的并網(wǎng)供電接口，支持為不同電壓體制的來訪飛行器進(jìn)行并網(wǎng)供電。空間站三艙采用100V全調(diào)節(jié)多母線體制，由核心艙統(tǒng)一能量管理，實(shí)現(xiàn)空間站各構(gòu)型下能量的統(tǒng)一管理，動(dòng)態(tài)調(diào)配，支持組合體中各艙段的載荷用電。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙之間可實(shí)現(xiàn)2kW的艙間能源動(dòng)態(tài)調(diào)配，為所需艙段的載荷用電提供支持。

3.2 空間站控制系統(tǒng)

空間站以天和核心艙控制系統(tǒng)為主、實(shí)驗(yàn)艙I控制系統(tǒng)為備份實(shí)現(xiàn)組合體的姿軌融合控制及太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)控制。各艙段控制計(jì)算機(jī)、姿態(tài)測(cè)量敏感器、交會(huì)對(duì)接敏感器、控制力矩陀螺、推進(jìn)控制驅(qū)動(dòng)器、太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制器等設(shè)備組成控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過1553B專用跨艙總線實(shí)現(xiàn)了艙間互連及空間站三艙50余臺(tái)敏感器、100余臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、20余臺(tái)測(cè)量與控制陀螺等設(shè)備的融合使用，并可通過總線調(diào)用貨運(yùn)飛船發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合體姿態(tài)軌道控制。

為了實(shí)現(xiàn)在軌長(zhǎng)期運(yùn)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(jìn)行姿態(tài)控制，減少推進(jìn)劑的消耗需求。同時(shí)配置了推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)[4]，可接受由天舟貨運(yùn)飛船進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加。補(bǔ)加系統(tǒng)采用基于膜盒貯箱和增壓氣體復(fù)用的推進(jìn)補(bǔ)加方案，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)氣體的重復(fù)利用。在核心艙前、后向?qū)訖C(jī)構(gòu)均配置了補(bǔ)加接口，既保證了補(bǔ)加功能的充分可靠，又實(shí)現(xiàn)了為巡天空間望遠(yuǎn)鏡及其他來訪飛行器提供跨艙補(bǔ)加的需求。

另外， 在核心艙配置了霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，作為化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。這是世界載人航天領(lǐng)域首次應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)，利用4臺(tái)80mN的霍爾推力器進(jìn)行組合體軌道維持，可有效抵消大氣阻力。在太陽活動(dòng)均年，電推進(jìn)系統(tǒng)可為空間站節(jié)省約不小于1200kg/年的化學(xué)推進(jìn)劑。

3.3 空間站信息系統(tǒng)

空間站采用當(dāng)代信息技術(shù)的最新成果，統(tǒng)一構(gòu)建空間站信息系統(tǒng)，各艙段均采用相同的體系架構(gòu)，設(shè)備、軟件、通信協(xié)議采用通用化設(shè)計(jì)。單艙飛行時(shí)各艙信息系統(tǒng)獨(dú)立工作，形成組合體后，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)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(guān)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，由天和核心艙實(shí)現(xiàn)組合體統(tǒng)一管理，問天實(shí)驗(yàn)艙作為系統(tǒng)功能備份，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙配合支持管理。信息傳輸與測(cè)控采用天地一體化設(shè)計(jì)、天基和地基相結(jié)合的測(cè)控通信體制。各艙段測(cè)控通信設(shè)備融合使用，保障各種飛行姿態(tài)下測(cè)控通信覆蓋率，提高天地間測(cè)控、通信和網(wǎng)絡(luò)交互能力和效率。

空間站提供了無線Wi-Fi通信功能。艙內(nèi)外區(qū)域均設(shè)置2.4G與5G Wi-Fi通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了航天員活動(dòng)范圍100%全覆蓋。通過引入地面智能家居、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，航天員可通過智能終端（手機(jī)、PAD、筆記本）實(shí)現(xiàn)智能家居管理、情景照明管理、智能視頻監(jiān)控、智能遙測(cè)報(bào)警管理、智能醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)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(duì)艙內(nèi)艙外狀態(tài)的感知能力。

3.4 空間站環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)

空間站采用物化再生生命保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源再生利用。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。核心艙和實(shí)驗(yàn)艙I均配置全套的再生生保系統(tǒng)。組合體期間，核心艙統(tǒng)一進(jìn)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(shí)使用[5]。再生生保技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)資源再生利用，綜合水回收率≥83%，大幅降低貨運(yùn)保障需求。運(yùn)營(yíng)期間，還將發(fā)展二氧化碳還原技術(shù)和生活垃圾處理和再利用技術(shù)，進(jìn)一步提高物資再生循環(huán)利用水平和效率。

3.5 出艙活動(dòng)和艙外操作

出艙活動(dòng)是保障空間站長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，完成艙外組裝建造和艙外作業(yè)，開展艙外載荷操作的必要手段。核心艙節(jié)點(diǎn)艙和實(shí)驗(yàn)艙I專用氣閘艙均支持航天員出艙活動(dòng)。核心艙單艙飛行期間利用節(jié)點(diǎn)艙出艙;實(shí)驗(yàn)艙I對(duì)接后，使用專用氣閘艙出艙，節(jié)點(diǎn)艙作為備份。空間站支持2名航天員同時(shí)出艙。航天員艙外活動(dòng)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(shù)據(jù)，Wi-Fi通信用于傳輸高清圖像。

圖4為航天員從核心艙節(jié)點(diǎn)艙執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù)艙外相機(jī)拍攝的照片。

核心艙配置大型機(jī)械臂 1 個(gè)，實(shí)驗(yàn)艙配置小型機(jī)械臂 1 個(gè)，大機(jī)械臂作業(yè)半徑不小于10m，負(fù)載能力25噸;小機(jī)械臂作業(yè)半徑不小于5m，負(fù)載能力3噸，大、小機(jī)械臂均具有7個(gè)自由度。兩個(gè)機(jī)械臂可獨(dú)立或協(xié)同工作，也可級(jí)聯(lián)組合為一個(gè)機(jī)械臂，擴(kuò)大作業(yè)范圍。大機(jī)械臂主要負(fù)責(zé)大負(fù)載大范圍轉(zhuǎn)移，小機(jī)械臂主要負(fù)責(zé)小負(fù)載精細(xì)化操作，組合臂主要執(zhí)行航天員或艙外載荷的大范圍操作任務(wù)。在航天員、機(jī)械臂、艙外服以及貨運(yùn)飛船支持下，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)[6]。

在實(shí)驗(yàn)艙II配置貨物氣閘艙，可將暴露載荷設(shè)施和艙外設(shè)備從艙內(nèi)自動(dòng)轉(zhuǎn)移至艙外，再由機(jī)械臂抓捕、轉(zhuǎn)移和安裝。貨物氣閘艙轉(zhuǎn)移設(shè)施或設(shè)備出艙過程如圖5所示。

3.6 空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)支持

天宮空間站建造完成后，支持開展多學(xué)科領(lǐng)域的空間科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)，以標(biāo)準(zhǔn)化資源為主、專用化資源為輔。其中標(biāo)準(zhǔn)化資源為應(yīng)用載荷提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)電熱接口，支持應(yīng)用載荷項(xiàng)目的輪換更替，適用于實(shí)驗(yàn)周期短的載荷項(xiàng)目;專用化資源為應(yīng)用載荷提供訂制的機(jī)電熱接口資源，能適應(yīng)載荷的特別需求，適用于有重大科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值的永久性載荷項(xiàng)目[7]。

安裝在空間站上的應(yīng)用載荷可分為三類：艙內(nèi)載荷、艙外標(biāo)準(zhǔn)載荷以及艙外專用載荷，如圖6所示。密封艙內(nèi)為載荷提供25個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜裝載空間，支持載荷通過整體機(jī)柜和載荷單元兩種裝載形式開展實(shí)驗(yàn)。載荷單元配置了標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)、電、信息和熱接口，支持載荷以抽屜形式滾動(dòng)輪替開展實(shí)驗(yàn)，方便航天員在軌安裝和更換。實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II艙外設(shè)置暴露平臺(tái)，共計(jì)提供67個(gè)通用載荷適配器的接口空間，為暴露載荷提供標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)、電、信息、熱接口。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙均為艙外載荷提供流體回路散熱支持。利用實(shí)驗(yàn)艙II配置的貨物氣閘艙，可與機(jī)械臂協(xié)同完成艙外載荷自動(dòng)進(jìn)出艙任務(wù)，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(shù)據(jù)下行能力[8，9]。

4 工程管理特點(diǎn)和創(chuàng)新

國(guó)際空間站由美俄為首、16個(gè)國(guó)家參與建造，然而研制技術(shù)體制不統(tǒng)一導(dǎo)致其整體優(yōu)化程度不高，許多系統(tǒng)間、艙段間存在不兼容問題。例如，推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)使用俄羅斯的推進(jìn)系統(tǒng)，歐洲ATV貨運(yùn)飛船需要在自身推進(jìn)系統(tǒng)之外再單獨(dú)配置俄羅斯燃料和推進(jìn)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)國(guó)際空間站的推進(jìn)劑補(bǔ)加;俄羅斯艙段和美國(guó)、歐洲艙段的控制、熱控、載人環(huán)境設(shè)備無法融合統(tǒng)一使用。我國(guó)空間站的建設(shè)充分發(fā)揮了我國(guó)獨(dú)立研制的特點(diǎn)，在技術(shù)體系、研制體系、發(fā)展體系和風(fēng)控體系等四個(gè)方面開展了工程管理創(chuàng)新與實(shí)踐。

4.1 整體最優(yōu)的技術(shù)體系

不同于以往在單個(gè)飛行器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行組合體設(shè)計(jì)的方式，我國(guó)空間站在設(shè)計(jì)之初就高度重視系統(tǒng)層面的一體化設(shè)計(jì)，構(gòu)型結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、環(huán)熱控系統(tǒng)等均統(tǒng)一設(shè)計(jì)，在形成組合體后三艙的各系統(tǒng)均能互聯(lián)互通，形成一個(gè)有機(jī)的整體。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足任務(wù)功能要求和可靠性安全性要求的基礎(chǔ)上，合理分配三艙的功能：由天和核心艙負(fù)責(zé)空間站功能的統(tǒng)一管理和控制，問天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)能源管理、信息管理、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境等關(guān)鍵功能進(jìn)行冗余備份，并開展艙內(nèi)外空間科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要開展艙內(nèi)外空間科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)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(yùn)飛船，使得載人飛船和貨運(yùn)飛船與空間站對(duì)接后也能構(gòu)成有機(jī)整體，空間站既可對(duì)載人飛船、貨運(yùn)飛船進(jìn)行并網(wǎng)供電，也可接受天舟貨運(yùn)飛船的反向供電支持，空間站還可控制貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合體軌道和姿態(tài)控制，也可通過貨運(yùn)飛船的中繼天線下行數(shù)據(jù)和上行指令。

雖然我國(guó)空間站在規(guī)模上不如國(guó)際空間站，但正是我國(guó)空間站從系統(tǒng)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，三艙功能合理分配，使得我國(guó)空間站三艙組合體在功能上可與國(guó)際空間站相媲美。我國(guó)空間站載荷重量占比超過30%，高于國(guó)際空間站的7.9%;載荷供電功率占比為44.4%，與國(guó)際空間站相當(dāng)，加上對(duì)載人飛船、貨運(yùn)飛船和光學(xué)艙供電并網(wǎng)功率輸出，空間站平臺(tái)對(duì)外提供功率占比為63%，而平臺(tái)自身用電僅占37%;功率/重量比為0.41kW/t，超過了國(guó)際空間站的0.26kW/t;空間站下行數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)1.2Gbps，遠(yuǎn)大于國(guó)際空間站100Mbps下行數(shù)據(jù)傳輸速率[10]。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的研制體系

空間站參研方涉及全國(guó)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(tǒng)內(nèi)單位，也有系統(tǒng)外單位，有長(zhǎng)期承研載人航天任務(wù)的單位，也有新承擔(dān)空間站階段研制任務(wù)的單位。因此，各單位在研制體系、生產(chǎn)規(guī)范和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等方面均有較大不同。

為避免參研單位多、研制體系和技術(shù)水平不統(tǒng)一的問題，確?？臻g站產(chǎn)品可靠，空間站在研制初期，根據(jù)以往研制經(jīng)驗(yàn)和空間站任務(wù)特點(diǎn)，制定了空間站系統(tǒng)16份設(shè)計(jì)與建造規(guī)范，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元器件和原材料選用、生產(chǎn)、試驗(yàn)、軟件等各環(huán)節(jié)，構(gòu)建起空間站研制標(biāo)準(zhǔn)化體系，實(shí)行“整體覆蓋、適度超前、逐級(jí)傳遞、監(jiān)督執(zhí)行”標(biāo)準(zhǔn)化管理，三艙統(tǒng)一采用相同的研制規(guī)范，保證各單位研制體系統(tǒng)一?？臻g站標(biāo)準(zhǔn)體系如圖7所示。

除此之外，空間站還構(gòu)建系統(tǒng)、航天器、專業(yè)三層次共用一套專業(yè)隊(duì)伍的組織架構(gòu)，如圖8所示，用一套專業(yè)分系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)統(tǒng)一研制空間站各艙，產(chǎn)品通用化率達(dá)80%，從而在重要功能上在艙段備份的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)備份，進(jìn)一步提高整站可靠性。

4.3 逐步遞進(jìn)的發(fā)展體系

我國(guó)是在經(jīng)過空間實(shí)驗(yàn)室階段任務(wù)，突破了交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)充分地面試驗(yàn)驗(yàn)證，引入新技術(shù)進(jìn)行天宮空間站的建造，走出了一條穩(wěn)健的跨越式發(fā)展道路。新技術(shù)比重大是天宮空間站的顯著特征，其采用的空間機(jī)械臂技術(shù)、物化式再生生保技術(shù)、大面積柔性太陽翼技術(shù)等均為我國(guó)首次在軌開展應(yīng)用的全新技術(shù)，應(yīng)用難度大、研制風(fēng)險(xiǎn)高。

在工程發(fā)展方面，空間站階段又分為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、組裝建造、應(yīng)用與擴(kuò)展三個(gè)任務(wù)階段。利用核心艙、載人飛船和貨運(yùn)飛船，對(duì)空間站建造及后續(xù)階段所需技術(shù)進(jìn)行在軌飛行驗(yàn)證。驗(yàn)證并評(píng)估技術(shù)性能滿足要求后，再進(jìn)行空間站三艙的組裝建造，繼而開展在軌應(yīng)用。整個(gè)過程逐步開展、穩(wěn)步推進(jìn)。

在運(yùn)行模式方面，空間站預(yù)留了擴(kuò)展接口，具有艙段擴(kuò)展、能源擴(kuò)展、艙外實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展能力?？臻g站最大可增加 3個(gè)艙、4 個(gè)大型艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并可在艙外外掛大型實(shí)驗(yàn)載荷。擴(kuò)展后的最大規(guī)?？蛇_(dá) 180噸。我國(guó)空間站的擴(kuò)展能力為運(yùn)營(yíng)階段空間科學(xué)和技術(shù)的新需求預(yù)留了發(fā)展空間，也為開展國(guó)際合作，進(jìn)一步提高空間站應(yīng)用效益提供了發(fā)展空間。

另外，空間站還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了共軌飛行航天器在軌服務(wù)模式，充分利用其長(zhǎng)期有人駐留、配置空間機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)來訪航天器提供在軌維修維護(hù)服務(wù)，并能將天舟貨運(yùn)飛船攜帶的推進(jìn)劑過路補(bǔ)加至來訪航天器。巡天空間望遠(yuǎn)鏡將作為第一個(gè)接受天宮空間站在軌服務(wù)的共軌飛行航天器，在天宮空間站建造完成后發(fā)射入軌，相較美國(guó)“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡每一次維修都需要發(fā)射航天飛機(jī)的情況，這種共軌飛行服務(wù)模式在經(jīng)濟(jì)性方面有著巨大優(yōu)勢(shì)[11，12]。

4.4 全面有效的風(fēng)控體系

為了確?？臻g站10年以上在軌飛行安全可靠，空間站從靜態(tài)功能分析和動(dòng)態(tài)任務(wù)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，構(gòu)建了多維度的風(fēng)險(xiǎn)管理體系。靜態(tài)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(duì)系統(tǒng)功能故障模式進(jìn)行分析，對(duì)重大故障模式作為系統(tǒng)級(jí)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制，加強(qiáng)可靠度設(shè)計(jì)，對(duì)故障所涉及的關(guān)鍵產(chǎn)品進(jìn)行過程控制，嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。動(dòng)態(tài)任務(wù)事件方面，以飛行事件為線索，識(shí)別影響任務(wù)成功的故障模式和風(fēng)險(xiǎn)，通過指令、測(cè)控站、硬件備份設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)事件可靠執(zhí)行。尤其對(duì)涉及分系統(tǒng)間、功能間的故障開展關(guān)聯(lián)性故障樹分析（CFTA），設(shè)計(jì)了能源、信息、熱管理和推進(jìn)等關(guān)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(guān)鍵核心元器件被國(guó)外封鎖禁運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，在空間站方案論證期間，就提前開展了核心元器件國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)，突破了550萬門FPGA、100VDC/DC電源轉(zhuǎn)換模塊等8類核心元器件的國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了空間站元器件100%的自主可控，有效規(guī)避了受國(guó)外“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)。

空間站還創(chuàng)建了在軌空間站、地面模擬空間站和數(shù)字空間站三站協(xié)同運(yùn)營(yíng)的模式。基于MBSE數(shù)字孿生技術(shù)建立的數(shù)字空間站，在飛行任務(wù)期間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)伴飛，預(yù)測(cè)空間站健康趨勢(shì)，保證安全可靠飛行。

5 結(jié)論與展望

我國(guó)空間站工程在控制、信息、電源、資源再生利用、物資補(bǔ)給需求、運(yùn)營(yíng)成本、應(yīng)用效益等方面均達(dá)到當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平，也創(chuàng)立了有自身特點(diǎn)的技術(shù)、研制、發(fā)展和風(fēng)控體系，為確?？臻g站高效研制、可靠飛行和有序發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我國(guó)空間站的建成將為我國(guó)和全球的科學(xué)家提供先進(jìn)的空間科學(xué)技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為空間科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域取得重大成果創(chuàng)造良好條件，成為國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，可望在物理學(xué)、天文學(xué)、材料、生物等科學(xué)領(lǐng)域，以及對(duì)地觀測(cè)、信息、航天等技術(shù)領(lǐng)域獲取具有重大科學(xué)價(jià)值的研究成果和重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。

參 考 文 獻(xiàn)：

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