中国空间站的优势与挑战同在

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黄志澄，远望智库高级研究员

6月17日9时22分，神舟十二号载人飞船在长征2F运载火箭的托举下，以一往无前之势冲入澄澈霄汉。随后，神舟十二号载人飞船成功进入预定轨道，并完成太阳翼展开，顺利完成入轨状态设置，于北京时间2021年6月17日15时54分，采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口，与此前已对接的天舟二号货运飞船一起构成三舱（船）组合体，整个交会对接过程历时约6.5小时。这是天和核心舱发射入轨后，首次与载人飞船进行的交会对接。




2021年4月29日，中国空间站核心舱“天和”号发射升空，并顺利入轨，中国空间站建设的大幕就此开启。5月29日，天舟二号货运飞船发射成功，30日5时完成快速对接，静等神舟十二号载人飞船的到来。


中国空间站的基本构型



我国航天进入“空间站时代”

   

  

中国载人航天基本上从1992年起步。1992年9月中央决策实施载人航天工程并确定了我国载人航天“三步走”的发展战略：
第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程并开展空间应用实验，这一步在“神舟”五号成功返回后已经顺利完成；
第二步，突破航天员出舱活动技术、载人航天器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的短期有人照料的空间应用问题，这一步在2019年7月“天宫”二号顺利完成任务后也已结束；
第三步，建造空间站，解决有较大规模的长期有人照料的空间应用问题。这次长征五号B运载火箭，将空间站核心舱“天和”号发射入轨，拉开了我国载人航天工程“第三步”任务的序幕。从此，我国航天进入了“空间站时代”。
空间站工程是迄今为止我国最复杂的航天系统工程。我国空间站的发展分成技术验证、组装和运行等三个阶段。根据任务安排，后续将实施一系列飞行任务，于2022年前后建成在轨稳定运行的空间站。中国载人航天工程总设计师周建平院士认为：“建造空间站最主要的目的是建成大型的空间设施，在轨开展大规模的空间科学空间应用和空间技术方面的验证和研究，以带动科学的进步和技术的发展。”“作为三舱组合体，中国空间站重量高达60多吨，在对接载人飞船和货运飞船时，重量最大可以达到90多吨。未来随着技术的发展，空间站规模会不断发生变化。与国外比，中国空间站起步较晚，但有后发技术优势。空间站立项后，中国载人航天工程组织了两年的技术方案设计和论证，目的就是全面掌握大型空间建造实施技术。我们为实现建造空间站的目标在构型布局上进行了精心设计，以保证空间站具备更强大的科学和应用能力。在舱段外安置了外置平台以确保空间站能够进一步扩大。可以说，中国的大型空间站建造能力处于国际前列。”


国际空间站的经验教训

   

  

1971年到1985年苏联建造了礼炮1号至礼炮7号共7个空间站。1973年美国发射了天空实验室。1986年苏联发射了和平号空间站，并在接下来的十年间陆续对接了5个模块，它被废弃后于2001年受控在再入大气层中烧毁。


和平号空间站

在这之后，由美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天局（RFSA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、加拿大太空局（CSA）和欧洲空间局（ESA）等共同建造国际空间站。
它在1998年开始建造，各功能模块在其后被陆续送入轨道装配，2011年2月国际空间站组装工作全部结束。“国际空间站”虽是人类航天事业国际合作的一个范例，但十分遗憾地仍将中国排斥在外。国际空间站由一个美国的主桁架、居住舱、实验舱和太阳能电池阵、日本的实验舱、欧空局的哥伦布轨道设施、加拿大的移动服务系统、俄罗斯的功能舱、服务舱、研究舱和太阳能电池阵等组成。时至今日，国际空间站已经成长为一个宽109米、长73米、高20米、重达419吨、内部容积916立方米的的空间巨型设施，自从2000年11月2日首次载人任务以来，它已经连续保持了21年载人飞行。


国际空间站

毫无疑问，耗资巨大的国际空间站的最大挑战将来自空间站的科学试验能否取得如期的效果。
美国为“国际空间站”的付出，已大大超过1000多亿美元，而使用“国际空间站”的1公斤的有效载荷的费用，也高达几万美元。加上建设周期太长，维修任务因部件老化而更加繁重，从而使其面临部件寿命已到的窘境。目前，国际空间站获得了丰富的成果，并为空间站发展提供了许多经验教训。首先，深化了对空间站任务的认识。国际空间站的科研活动涵盖许多科技领域，包括探索空间技术、物理学与生物学的微重力研究、人体生理学研究、地球科学与教育等。空间站上最重要的研究是测试恶劣的太空环境对人体和材料的影响，这对今后的载人深空探索将有重要价值，因此，国际空间站也是实现载人深空探索而必须的一个重要的实验基地。人去火星需要半年以上的时间，而国际空间站可以试验航天员在太空的长期的生活和工作能力。它也可以试验未来载人访问月球、火星与建设基地必须的技术，其中包括太空3D打印技术、天基太阳能技术、原位资源利用技术等。其次，发展重复使用的天地往返运输系统，成为降低空间站运行成本的关键。NASA在研制成功航天飞机之后，曾发展过空天飞机和单级入轨的火箭飞机，但均未成功。早在2008年NASA就启动了“商业轨道运输服务（COTS）”项目，这种模式又很快推进到载人运输领域。在这方面，SpaceX公司研制成功的可回收式中型运载火箭猎鹰9号，大大降低了发射费用。其近地轨道发射报价约为6000万美元，相当于每公斤载荷花费4600多美元。这家公司还研制成功了可复用的运货龙”飞船和“载人龙”飞船，从而大大降低了国际空间站的运行成本。最后，为了提高空间站的效费比，国际空间站必须逐步进行商业化。空间站商业化的首要途径是太空旅游，让游客能够到空间站去生活七天到十天，观光太空美景和体验失重环境，将具有良好的市场前景。其次就是部分在空间站上进行的科学试验项目，NASA要收费，这样做才能够让一些具有产业前景的计划，能在激烈的市场竞争中脱颖而出。在这种形势下，商用空间站将因运而生。


中国空间站的后发优势

   

  

迄今为止，空间站的构型分为三类：单舱构型、多舱积木式构型、桁架式构型。单舱构型的空间站一般是早期的实验性空间站，如前苏联的“礼炮号”系列空间站、美国的天空实验室等。其技术简单，建造容易，但其有效载荷少，可扩展程度低，可搭载航天员人数少，可居留时间短，寿命也较短。和平号空间站是多舱积木式构型，组装相对容易，但由于积木式结构本身的空间紧张，其扩展能力仍然受限。和平号在实践中也暴露许多缺陷，如太阳能电池板相互遮挡，在与飞船交会对接时，复杂的结构容易与飞船发生碰撞等。桁架式构型的空间站的主结构为贯穿首尾的桁架，所有的舱室、设备都连接在桁架上，这个桁架构型如PC机的主板一样，各种设备即插即拔。桁架结构的灵活性和可扩展性也较好，但其组装需要通过发射航天飞机和航天员出舱组装，其组装和运行的费用十分昂贵。


美国航天飞机组装国际空间站

由此可见，中国要发展自己的空间站，必须根据国情，在多舱积木式构型和桁架式构型中选择。显然，在我国决定发展载人航天选择飞船作为天地往返运输系统之后，就必定选择多舱积木式构型。由于中国空间站采用了一系当代的新技术，足于克服“和平号”空间站的种种问题，而其功能和国际空间站大体相当，而其组装和运行成本也将大大低于国际空间站。因此，中国空间站采用多舱积木式构型是符合国情的最佳选择。那么，中国空间站采用了哪些新技术呢？周建平总师指出：“首先，空间站建造的技术新。能源系统（光伏）有30%以上的光电转化效率，供电能力更强。电推进技术，又叫做离子推进，有不同的形式，中国空间站的电子推进，采用的是电推进系统。电推进系统是别国没有利用过的，其特点是比冲高，电推进的比冲是化学推进的五倍，可以少消耗推进剂。其次，空间建造的保障强。尽管核心舱任务是空间站建造期间的第一次任务，但保障技术完全靠自力更生研发而成，环控生保技术闭合度最高，包括对二氧化碳的充分利用等，切实让中国空间站的经济性特点更加突出。”实际上，中国空间站方案也有很好的可扩展性。未来的空间站将同一个光学舱段共轨飞行。该光学舱是一个十几吨的大型巡天望远镜，在很多指标上都接近甚至超过“哈勃”太空望远镜，如果望远镜出现类似哈勃曾经的质量问题时，也可由航天员去维护升级。

航天员出舱维修国际空间站同时，核心舱还设有备用对接口等，如有需要可以将天宫空间站进一步升级成更大版本。


中国的空间站的挑战

   

  

中国的空间站在大众的期望和欢呼中正在顺利的推进，但是我们应该清醒地认识到，中国空间站的建设也面临着许多挑战。首先，中国空间站工程在今明两年将接续实施11次飞行任务，包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船发射以及4次载人飞船发射，并依次围绕核心舱完成组装建造工作。因此，这种有进度要求的高密度发射，必须要求细致的组织协调工作和高可靠，高安全的各个分系统来保障。第二，空间站是一个复杂的大型系统工程，它的许多运行技术和管理技术，必须要通过长期实践来积累，美国要和俄罗斯合作，就是看重俄罗斯在空间站建设中长期积累的经验，我国空间站虽然有了空间实验室的经验，但仍嫌不足。第三，许多空间站的关键技术还要进一步验证。我国空间站在技术验证阶段，将验证再生生保技术、机械臂技术、能源技术和航天员出舱技术等一系列关键技术。相对于空间交会对接技术来说，航天员的出舱活动的验证就比较少，在神舟七号飞行任务中，航天员进行了出舱活动，但当时条件有限，主要验证了安全进出航天器的技术。后续，中国空间站将长期在轨运行，需要依靠航天员在舱外进行大量复杂活动，对航天员出舱能力要求更高，出舱活动能力将成为保障空间站顺利建成和运行的一个重要技术支撑。第四，虽然中国的空间站肯定比国际空间站有更高的效费比，但是国际空间站在近几年来大力推进运输系统的商业化，它的运行费用也正在逐步的降低，所以，未来中国空间站在提高效费比方面，也面临很大的压力。最后，国际空间站的商业化已经积积累了许多经验教训，但中国空间站在技术验证，组装和初步运行阶段，不可能进行商业化的实践，但在进入了比较成熟的运行阶段之后，空间站的商业化也必将提上日程。如何走出一条符合国情的空间站商业化之路，值得进一步探讨。

神舟载人飞船与空间站天和核心舱、天舟货运飞船组合体交会对接

无疑，中国空间站将为人类在太空中开拓出一块“应许之地”，虽然要付出许多艰辛，但其前程似锦，丰收在望，他的建成必将为建设人类命运共同体添砖加瓦。