太空“豪宅”！揭秘中国空间站的非凡性能

　　庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家

　　我国的空间站自2022年底完成在轨建造以来，已经成为了一座国家太空实验室，也成为中国航天史上目前规模最大、长期有人照料的空间实验平台。随着神舟十九号飞船航天员乘组进入太空，我国空间站应用与发展阶段的第四次载人航天任务也正式开始。

　　我国的空间站有什么技术特点？未来还将发挥怎样的作用呢？ 下面将为大家详细解答。

　　神舟十六号乘组拍摄的中国空间站

　　1总体概览

　　为了使我国成为世界极少数能独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术试验和综合开发利用太空资源能力，2010年9月25日，国家批准研制由13个系统组成的中国首座近地轨道载人空间站。经过12年的奋斗，我国终于在2022年底实现了这个目标。

　　我国第一座空间站的建造没有走美国和苏联先建造单舱式，再建造多舱式空间站的老路，而是直接建造达到世界第三代空间站水平以上的多舱式空间站，还实现了产品、原材料全部国产化，关键核心元器件100%自主可控。

　　这座空间科技大厦以“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱三舱对接为基本构型。每个舱的质量都为20吨级，它们依次发射后，通过在轨交会对接和转位，形成了水平对称的T字构型，即“天和”核心舱居中，“问天”舱和“梦天”舱对接于两侧。

　　中国空间站具有鲜明的中国特色和时代特征，采用转位机构和机械臂结合，进行舱段转移、对接，在航天员和机械臂的协同下，可以完成复杂舱外建造和操作活动。

　　为了完成空间站的建造，在2021年，我国先后发射了“天和”核心舱和“天舟”货运飞船、“神舟”载人飞船各两艘，进行了为期一年的关键技术验证。随后，在2022年我国开始了空间站在轨建造阶段，先后发射了“问天”和“梦天”实验舱以及“天舟”货运飞船、“神舟”载人飞船各两艘，使航天员的活动空间达到110立方米。

　　随着空间站在轨建造阶段的完成，从2023年起，我国空间站进入应用与发展阶段，航天员采用乘组轮换方式，连续不间断访问、照料空间站，开展为期至少10年的空间科学研究、航天技术试验等空间站应用活动。

　　本次进行的神舟十九号太空飞行任务就是我国空间站进入应用与发展阶段的第四次载人飞行任务。他们与神舟十八号乘组进行在轨轮换，并将在轨驻留约6个月。

　　目前，我国空间站可长期载3人，半年轮换一次。在航天员轮换的6~10天内，空间站最多有6个人。每个航天员乘组由1名上过天的航天驾驶员担任指令长，其余人员构成根据任务需要，由航天驾驶员、航天飞行工程师以及载荷专家组成。

　　总体上，我国空间站既不贪大求全，但又规模适度， 属于经济适用型。其特点是起点高，效益高，技术新，保障强。与国外最先进的第四代空间站——国际空间站相比，我国空间站虽然规模相对较小，但应用效益比国际空间站高。例如，我国空间站上的科研设备重量在整站重量中的占比比国际空间站高；我国空间站用于科研设备的供电支持率也比国际空间站的高。

　　10月30日12时51分，神舟十九号与神舟十八号航天员乘组在空间站会师（中国载人官网图片）

　　2“天和”核心舱

　　核心舱，顾名思义，是空间站最核心、最重要的组件。2021年4月29日发射升空的“天和”核心舱可为航天员提供50立方米的活动空间。该舱段用于统一管理和控制空间站组合体；支持实验舱、载人飞船和货运飞船等飞行器与其交会对接和在轨组装；提供3名航天员长期生活和工作的场所，同时支持部分学科的舱内外空间科学实验和技术试验；配置了大型机械臂和备份气闸舱。它可安装4台科学实验柜（发射时带上去了3台），并已取得科研成就。

　　“天和”核心舱由节点舱、生活控制舱、后端通道和资源舱组成。其最大直径4.2米（大柱段），最小直径2.65米（小柱段）。

　　天和核心舱

　　节点舱有3个对接口和2个停泊口。其中，前向接口与生活控制舱相连，左右两个方向专门用于“问天”和“梦天”实验舱的停泊，轴向和对地向对接口用于载人飞船的对接，此次神舟十九号飞船就是对接在轴向接口上，这一细节也体现在本次飞行任务的标志中。节点舱还有一个对天向对接口用于航天员早期出舱，是备用气闸舱出舱口。

　　生活控制舱由小柱段和大柱段组成。小柱段有3个卧室和1个卫生间，大柱段是乘组工作、控制、锻炼和休闲的地方。舱内有空间站统一控制系统、科学仪器、通信设备、计算机系统、消防系统和空气处理系统等。在密封的生活控制舱内，配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区6个区域。 

　　资源舱是非密封舱，为空间站提供电力、推进燃料等必需资源。末端对接口用于对接“天舟”货运飞船，接收来自地面的物资。

　　“天和”核心舱的姿态控制采用先进的6个力矩陀螺方式，即通过改变角动量方向来产生控制力矩，其优点是精度和可靠性很高。

　　神舟十九号载人飞行任务标识（中国载人航天工程官网图片）

　　“问天”实验舱示意图

　　3“问天”实验舱

　　“问天”实验舱于2022年7月24日升空，是我国空间站的首个实验舱，由工作舱、气闸舱及资源舱3部分组成。工作舱内设有3个卧室、1个卫生间，可安装8台科学实验柜（发射时带上去了4台）；气闸舱用于航天员出舱；资源舱装有大量燃料、姿轨控动力系统和大型柔性太阳翼。

　　我国之所以先发射“问天”实验舱，再发射“梦天”实验舱与“天和”核心舱对接，是因为“问天”实验舱是一个“多面手”。

　　一是“问天”实验舱也像“天和”核心舱一样具有空间站组合体统一管理和控制能力。所以，万一核心舱发生故障，可用“问天”实验舱控制整个空间站组合体，从而提高空间站整个设计的可靠性。

　　二是“问天”实验舱像“天和”核心舱一样有3个卧室，它与核心舱对接后，空间站就可满足两个航天员乘组共6人短期同时在轨生活、工作和交接班的需求。

　　三是“问天”实验舱有更宽敞、更舒适、更安全的专用人员气闸舱，可支持航天员更方便地出舱活动，保证他们的安全。从神舟十四号乘组起，航天员都是从这个主份气闸舱出舱。该气闸舱外方内圆，目的是在其看上去像方形的外壳上安装舱外暴露实验平台，配置22个标准载荷接口。

　　四是“问天”实验舱的气闸舱外配置了1个承载力为3吨的5米长小型机械臂，它可爬到无机械臂的“梦天”实验舱上工作，还能与大型机械臂组合成15米长的更大机械臂。其位置精度优于大型机械臂的5倍，姿态精度优于大型机械臂的2倍，适用于完成精度要求更高的各类载荷和平台设备的舱外安装、维护和照料等。

　　4“梦天”实验舱

　　2022年10月31日升空的“梦天”实验舱由工作舱、货物气闸舱、载荷舱、资源舱4个舱段组成，是空间科研与应用的“梦工场”。

　　“梦天”实验舱的工作舱是航天员工作与锻炼的地方，装有较多科学实验柜和锻炼设备，但没有卧室和卫生间等。

　　“梦天”实验舱结构图

　　其载荷舱与货物气闸舱则是以类似套娃的“双舱嵌套”形式与工作舱相连，即在载荷舱内部隐藏1个货物气闸舱，以减少气体泄露。其中，载荷舱配置两2个展开式暴露实验平台和1个固定式舱外暴露实验平台，可提供24个舱外标准载荷工位。货物气闸舱是货物出舱的专用通道，是迄今世界最大的货物气闸舱。

　　资源舱配置有大型柔性太阳翼和双自由度对日定向装置，它可根据空间站在轨运动姿态和太阳的角度，让太阳翼绕着实验舱轴和太阳电池翼轴进行转动。

　　“梦天”实验舱可装13个实验柜，发射时已装了9个。其特点如下：

　　一是“梦天”实验舱是航天员开展科研工作的地方，所以没有配置卧室、卫生间，以便多装科学实验柜。

　　二是“梦天”实验舱主要面向微重力科学研究，而“问天”实验舱主要用于开展空间生命科学研究。

　　三是“梦天”实验舱最大的特点是有一个货物气闸舱，其内部有一台载荷转移机构，用于使货物能自动出舱。

　　四是“梦天”实验舱专门还配置了微小飞行器在轨释放机构，它在载荷转移机构与机械臂的配合下，能够满足百千克级微小飞行器或者多个规格立方星的在轨释放需求。

　　5先进的技术

　　利用后发优势，我国空间站采用了不少新技术。例如：

　　“天和”核心舱配置有一部承载力达25吨的10米长“七自由度大型空间机械臂”。它达到世界第三代空间机械臂水平，可在舱体表面的爬行移动。无论是舱段转位、大设备的移动，还是航天员自身移动，都可用该机械臂完成。在航天员的协同下，也能完成复杂的舱外作业活动。

　　为了降低载人航天的成本，“天和”核心舱和“问天”实验舱都采用了再生式生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收，排泄的尿液也回收净化，重新作为饮用水和生活用水使用。通过再生处理，94%以上的航天员生活污水和空气冷凝水可再次供航天员日常使用和电解制氧。后续，还将把电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳通过化学反应生成氧气，并采用生活垃圾处理与再利用技术，进一步提高物资再生循环利用水平，从而最大限度地减少上行补给量，降低空间站的运营成本。

　　核心舱首次采用了一对大面积可展收柔性太阳翼。其单翼展开长度达12.6米，双翼展开面积可达134平方米。与传统刚性、半刚性的太阳翼相比，柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高，其全部收拢后仅为刚性太阳翼体积的1/15。其它两个实验舱上的太阳翼更大，能获取更多的电能，满足空间站的供电需求。

　　其次，核心舱除了配备常规的化学能轨控发动机和姿态控制发动机外，还额外配置了4台大功率霍尔电推进发动机，其效率比化学能发动机高几倍，因而可有效节省核心舱自带推进剂的消耗，减少用货运飞船为空间站补给燃料的压力，使我国空间站目前2年发射3艘“天舟”货运飞船即可，这也与“天舟”货运飞船运货能力很大有关。

　　6未来的展望

　　目前，我国正利用空间站支持能力、微重力和辐射环境、航天员较长在轨驻留和天地往返等有利条件，开展科学前沿的创新性实验和应用研究，力争在科学和技术上取得重大突破。

　　此次神舟十九号乘组将重点围绕规划中的“太空格物”主题，覆盖空间生命科学、微重力基础物理、空间材料科学、航天医学、航天新技术等领域，开展微重力条件下生长蛋白晶体的结构解析、软物质非平衡动力学等86项空间科学研究与技术试验，预计在基础理论前沿研究、新材料制备、空间辐射与失重生理效应机制、亚磁生物效应及分子机制等方面取得一批科学成果。

　　“巡天”光学望远镜

　　未来，我国空间站系统还有望成为世界第一个航天器“母港”，可以在轨维修共轨飞行的其它航天器。例如，今后，我国还将发射与“天宫”空间站共轨飞行的“巡天”空间望远镜，其长时间运行后，可根据需要飞往空间站，与“天宫”交会对接，由航天员对其开展推进剂补加、设备维护和载荷设备升级等活动，然后分离，飞回原来的运行轨道继续工作。

　　根据需要，我国空间站也可以进一步扩展， 由“T”字构型扩展成“十”字构型甚至“干”字构型，从而增加空间站的活动空间。

　　总之，中国空间站不仅仅是中国的空间站，也是促进人类航天技术发展、造福全人类的空间站。未来，它有望取得有重大科学价值的研究成果和有重大战略意义的应用成果。