航天史番外:筑梦“天宫”,中国空间站与美苏空间站区别在哪,哪些技术领先?

jctc2011

前几天，也就是4月29号，我国从海南岛的文昌发射场用一枚长征5B运载火箭把天宫空间站的核心舱天和号送上了环绕地球的轨道。央视做了转播，从火箭升空到空间站核心舱入轨，仅仅花了8分多钟。这是一件大事儿，今天我们来开个番外篇，好好讲讲有关天宫空间站的那些事儿。
空间站的发展经历了好几代，第一代是苏联的礼炮1号空间站。我们以前讲到过，美国和苏联最开始想搞的是载人侦察卫星，因为当时的电子技术和自动化水平不高，最好是放个大活人在间谍卫星里进行操作。


礼炮1号
在这种竞争的环境下，双方都在酝酿空间站计划。但是美国主要精力花在了登月上，苏联因为登月用的N1火箭连续爆炸，他们知道自己无论如何无法打败美国人了，所以干脆另辟蹊径，把空间站的建设提上了议事日程。最早的礼炮号空间站只有一个对接口，舱室也很狭小。宇航员乘坐联盟飞船对接空间站以后，坚守的时间很有限。因为粮食和给养就那么多，用不了多长时间就没了。仅有的一个对接口被联盟飞船占用了，即便是想用进步号货运飞船送物资，也没有对接口了。所以，第二代空间站礼炮6号和7号就解决了这个问题，对接口前边一个后边一个。一个用来运人，一个用来运货。所以，礼炮6号和7号被算作是第二代空间站。


礼炮7号
当时的美国人发现苏联人在空间站方面领先了，他们也是吓了一跳，赶快要追上苏联人的进度，最简单的方法就是用土星5号火箭的第三级改造成空间站，用阿波罗飞船来运送人员。这就是天空实验室空间站。这个空间站的最大特点就是宽敞，苏联人的空间站太憋屈了。天空实验室相比来讲，空间比较充裕。美国人实际上是硬着头皮上，阿波罗计划停了，还剩下几艘阿波罗飞船和土星5号运载火箭。改造成空间站也是蛮划算的事情。但是飞船可没有几艘了，不可能经常来来往往。所以，当时美国人在轨时间相对来讲都比较长。后来嘛，碰上太阳发威，高层大气体积膨胀，天空实验室所在的轨道上空气阻力大大增加，结果，天空实验室提前坠落。这个空间站太庞大了，在大气层里并没有烧光，不少碎片掉在了澳大利亚。澳大利亚还给NASA开了一张400美元的单，理由是乱扔垃圾，当然，NASA也没搭理这一茬。


天空实验室
天空实验室别看那么宽敞，其实也属于第一代空间站，因为只有一个对接口，无法同时接待货运飞船，美国人当时也没有货运飞船。但是美国人对这种宽敞的居住环境念念不忘，后来还开了不少的脑洞。这是后话了。苏联还是一如既往地稳扎稳打，受限于质子号的运送能力，空间站的舱段直径也就只有4米多。内部结构也并不那么优化，显得有点乱。他们开始建造下一代和平号空间站，这是一个多舱段的空间站，显然性能要比前几代好得多，所以，和平号这种多舱室的空间站被划分为第三代空间站。


天和号核心舱
我们开始搭建的这个天宫空间站的核心舱天和号与和平号的核心舱多少还有点像，这是因为技术路径殊途同归。核心舱的外形多少有点像啤酒瓶子，明显分为两段，一段粗一点，一段细一点。没办法，太阳能电池板发射的时候要折叠起来放在火箭整流罩里，核心舱的直径上必须细一截才能流出放太阳能电池板的地方。俄罗斯人是这么处理的，我们也是这么处理的。我们来看看和平号空间站的结构，中间是核心舱，核心舱顶端有个节点舱，节点舱带着5个对接口，上下左右和前方，前方留着和飞船对接，剩下4个对接口各接了一个科研舱。分别是自然号、晶体号、量子2号和光谱号，俄国人喜欢用科学术语起名字，这倒也比较应景。核心舱的屁股上接了一个小实验舱叫量子1号。量子1号舱可以对接进步号货运飞船。


晶体号另外一头有个节点舱，前面多加了一个对接舱。因为美国的航天飞机要来和和平号对接，两家的接口不通用，没办法，不得不多一个转换插头，平时就挂在晶体舱上。和平号是逐渐拼接搭建起来的，就像是乐高玩具搭积木一样。有很多国家的宇航员都在和平号上工作过。和平号内部空间比过去的礼炮7号大多了，但是也有缺点。那就是太阳能电池板太多，而且还互有重叠，效率不高。而且飞船对接也很麻烦。周围枝枝叉叉的东西太多了，不方便。


美国人并不想走这条路，他们满脑子想的都是永久性的空间站。也就是说舱室必须随时能替换。如果到寿命了，那就换一个。如果是像和平号那样的结构，空间站再想造大一点是不可能的，而且哪个舱坏了，或者老化了，也无法更换。那怎么办呢？用一系列的桁架组成个日字形，然后把各个舱室都挂在桁架上，要更换舱室也和别的舱室无关。而且太阳能电池板可以沿着桁架一字排开，没有相互遮挡的问题了。


可是桁架式结构运输和搭建都有问题。首先是桁架的体积并不小，而且完全无动力，你用火箭把一大捆脚手架发射到太空，那有什么用？完全就是废物垃圾。这东西需要有人进行安装，好在美国人研发了航天飞机。这东西就是个客货混装的大卡车。拉上钢筋和建材送到国际空间站，然后依靠宇航员太空行走来搭建。但是NASA内部也是有人反对的。因为他们觉得，这种构型还是太憋屈了。他们要大，要宽敞。航天飞机的橙色燃料箱的大家看到过吗？他们对那玩意儿感兴趣。如果把这种燃料箱改一改当做空间站舱段，那不是爽死啊，8.8米的直径哦，可能家里的客厅也没这么宽吧。


橙罐真是招人喜欢，直径大嘛！
那么好了，按照这帮激进分子的计划，航天飞机每次发射，本来燃料箱是要扔的，这回先不扔，带到空间站当建筑材料。最后，这个计划也就没有下文了，因为NASA虽然鼓励开脑洞，但是脑洞里不能有水。你这哪儿是脑子进水啊，这是脑子进柴油了吧？
折腾了一大圈，最后，NASA的自由号空间站计划搁置了，缩小版的弗雷德保留下来了。还是有一根桁架，不再是日字形了。这跟桁架其实起不到骨架的作用，但是可以当做一根扁担，把很多大型仪器和太阳能电池板一字铺开，不再会互相遮挡。空间站的舱室还是用类似于和平号的方式来搭积木，和桁架构成了一横一竖的结构。


弗雷德项目还是命运多舛，尽管已经缩减了预算，但是在国会那里还是反反复复的被砍，或者被恢复。这个计划提出的时间是在苏联解体之后，那时候美俄关系不错，所以这个弗雷德项目也就逐渐的转化成了国际空间站项目。所以，有人说和平号是第三代空间站，国际空间站是第四代，因为国际空间站是桁架结构，和第三代不一样，其实这话说得不对。国际空间站基本上就是十字形构架，一横是桁架，一竖是大大小小的舱室接在一起。


大致上讲，这一边的舱室都是俄罗斯的。中间这个是曙光号功能货舱，这是国际空间站最早发射的一个舱体。前边接的是美国人的团结舱，这个团结舱带两个接口是一个重要的十字路口，好几个舱室都靠它来连接。另外一边的就是俄罗斯的星辰舱。星尘舱是有太阳能电池板的，可以给俄国部分供电，尽管说国际空间站，很多东西还是各搞各的。俄国部分的核心节点就是星辰舱，从2019年开始，星辰舱有轻微的漏气现象，大家怎么都找不到是哪里漏了。折腾了快一年，最后想出一个办法，弄一点碎茶叶，飘在空气中。反正空间站是失重的。然后人都走开，关死了门，通过监控看看茶叶往哪里飘，跟着茶叶飘去的地方，果然找到了漏气的地方。星尘舱和曙光舱之间有个节点舱，其实是可以和飞船对接的。但是这个对接口从来没用过。万一这个地方出了毛病，星辰舱里的人怎么办？他们只能被困在原地，想去其他舱室都不行，干脆就不用吧。上下各放了一个过渡舱，本来相当于是码头，可以接驳联盟号，现在这两个过渡舱成了小实验室，别提多憋屈了。国际空间站上这种类似情况不少，曙光舱和团结舱之间也有个对接节点，这个舱室也没多大用处，也是浪费的。


团结号节点舱两侧是寻求号气闸舱和宁静号节点舱，国际空间站节点舱特别多。宁静号上接着一个列奥纳多号货舱，这是意大利造的嘛，列奥纳多是达芬奇的名字。让我们换个角度，这下看清了，这边的舱室全是美国的了。中间这个是命运号，是美国的核心业务舱。桁架上的那些大号太阳能板也是接到命运号上的。命运号前边就是协和号节点舱，这个节点舱分两岔，一边是欧洲的哥伦布舱，另一边是日本的希望号，希望号还带个外挂的杂物间。希望号还带有暴露平台，也就是舱盖是开的。可以做需要暴露在太空里的实验。


不论是欧洲的哥伦布舱还是日本的希望号科学舱，美国人都占了不小的地盘。正前方的那个接口是和航天飞机对接的，现在航天飞机退役了，这个管子里被堆满了杂物。马斯克的龙飞船就是从这个口上对接的。
大家大致了解了国际空间站的构造。你会发现，俄罗斯这边关起门来也能过。联盟号和进步号都可以对接在俄罗斯的几个舱室上。美国那边带着欧洲日本，关起门来也能过。目前看来，国际空间站有很多设计不合理的地方，美国和俄国两国的标准有很多地方是不统一的导致现在有人多的冗余和浪费。比如说，用于舱段对接的宁静号节点舱规模就有19吨，这些重量没有用到科学研究上。国际空间站十几个舱段之中真正用于科研实验的舱段也只有3个，也就是命运舱、哥伦布舱、希望号实验舱，这些舱段加起来并不大。美国和欧洲日本能安装的机柜也就是23个左右。俄国这边就更少了，只有8个。

相比之下，我们的设计就合理多了，我们的舱室比国际空间站少了很多，但是我们的空间站的舱室比较胖，空间利用率更高一些。所以，我们的空间站能装的机柜达到23个，比国际空间站少不了多少。我们现在有了天和核心舱，两边的是梦天和问天两个实验舱。后边是天舟货运飞船，前边是神舟飞船。其实神州飞船可以接两艘，这样可以交接班。中间这个节点舱还可以建档气闸舱用，这样的话，利用率比国际空间站高多了。我们现在用的太阳能电池也比国际空间站的效率高。天宫两部大型太阳能柔性电池翼应用了“三结砷化镓电池”，可以达到30%的转化率，两部电池翼加上核心舱电池翼发电功率可达100千瓦以上。国际空间站的太阳能电池板效率只有15%，这么多年也有老化，那就相差更多了。我们的空间站基本上属于第三代，但是我们也有桁架结构，太阳能电池板日后会装到空间站两端的桁架上，反正都是柔性的，张开太阳能板就像是船上挂缆升帆一样。我们发现，国际空间站与不少巨大的散热片，因为太空里没有空气帮助散热，散热反而成了难题，只能靠热辐射散发出去。我们的空间站并不需要专门的散热装置，可见对能源的管理已经是超过了国际空间站，毕竟我们是有后发优势的。

原本我们是打算在空间站上安装一台巡天望远镜的，但是后来发现，空间站产生的振动对望远镜拍摄照片有干扰，那么干脆就把这台望远镜做成了一台独立的光学舱，平时和空间站是脱离的，可以拉开一段距离共轨飞行，如果需要检修一下，那就可以靠过来，和空间站对接，这样宇航员们可以进去维修。这个设计还是挺巧妙的。国际空间站就快要到寿命了，NASA打算给国际空间站延寿，多撑几年，但是这是要花钱的，国会批不批还不一定呢。未来，很可能天宫空间站会成为唯一的空间站，我们的空间站也会对全世界的各个国家开放，到那时候，各国的宇航员们首先要学习汉语。我相信，他们已经开始这么做了。