中國空間站工程總體方案構想

□ 中國載人航天工程總設計師 周建平

根據中國載人航天工程總設計師周建平在《載人航天》雜志發表的論文，中國空間站包括核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，通過交會對接和艙體轉位組裝構成空間站基本構型。空間站采用高度為340千米～450千米的近圓軌道，軌道傾角42°～43°，設計壽命10 年，具有通過維護維修延長使用壽命的能力。

空間站由神舟載人飛船完成航天員乘組和部分物資的天地往返運輸，由貨運飛船運輸補給物資，下行銷毀廢棄物。載人飛船由長征二號F 運載火箭在酒泉航天發射場發射，貨運飛船由長征七號運載火箭在海南航天發射場發射。由陸海天基測控通信網完成空間站、載人飛船和貨運飛船以及相應運載火箭的測控通信。載人飛船仍返回至現有著陸場。

空間站額定乘員3 人，可以適應2人或無人值守飛行。建造期間，航天員乘組采用間斷方式訪問空間站；建造完成后，采用乘組輪換方式，實現航天員長期連續在軌生活和工作，輪換時最大可達6人。配置艙外機械臂等設備，協同航天員完成艙外建造、維護維修，以及艙外載荷操作任務。空間站核心艙和兩個實驗艙均由長征五號B 運載火箭在海南發射場發射。

空間站建造完成后，進入運營和管理階段。該階段的主要任務是：開展長期、持續的載人航天活動和空間科學研究、空間應用、技術試驗等活動，充分發揮空間站應用效益；根據空間科學研究、空間應用和國際合作的需要，進行空間站擴展和載荷更換；對空間站進行維護維修和評估，延長使用壽命。

基本方案

總體構型

空間站核心艙前端指向飛行方向。核心艙前端設置節點艙，節點艙對地方向和軸向前端各設置1 個對接口用于載人飛船與空間站對接和停靠。在核心艙后端軸向設置1 個對接口用于貨運飛船對接和停靠。節點艙左右方向各設置1個停泊口，分別用于實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ的長期停靠，對天方向設置供出艙活動用的出艙口。

以核心艙為主，統一控制和管理空間站組合體。核心艙的節點艙在空間站建造初期和技術驗證階段兼做氣閘艙，在空間站建造完成后，用做備份氣閘艙。以核心艙的密封艙為主配置航天員生活設施。核心艙還具有一定的有效載荷實驗能力。

實驗艙主要用于從事空間科學實驗、空間應用和空間技術實驗。

實驗艙I 由密封艙、氣閘艙和資源艙構成。密封艙除科學實驗外，還用于存放航天員消耗品和補給貨物，備份空間站核心艙部分平臺功能。

實驗艙II 由密封艙、多功能巡天光學設施非密封艙和資源艙構成。

空間站建造

空間站三艙基本構型采用對接和轉位的方式完成建造。首先，實驗艙對接于核心艙節點艙的軸向端口，然后通過艙段轉位操作，將其轉移到節點艙II、IV象限，與節點艙剛性連接，構成三艙基本構型。實驗艙I 和II 配置交會測量設備、主動式對接機構和轉位機構。核心艙節點艙配置被動式對接機構和供艙段轉位用的基座，轉位過程包括艙段分離、轉位、再對接三個過程。實驗艙轉位主要采用轉位機構實現，也可由機械臂操作完成。

在沒有類似航天飛機的大型運輸工具情況下，利用艙段交會對接和平面轉位方式完成積木加局部桁架混合構型大型空間站的組裝建造，在貨運飛船、航天員和機械臂支持下，可完成類似國際空間站的復雜艙外建造和操作活動。中國空間站總體構型和建造模式區別于和平號空間站和國際空間站，是一種創新的發展思路，是大型空間設施建設的更為經濟、合理的建造方式。

空間站環境控制和生命保障

空間站采用再生生命保障系統，實現資源再生利用。再生生命保障系統包括電解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害氣體再生式吸收、冷凝水收集與處理、尿液收集與處理等設備。統一由核心艙進行密封艙氣體成分、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。配置一定數量非再生生保物品，供應急情況下保障維修時使用。

再生生保技術將較好地實現資源再生利用，大幅降低貨運保障需求。中國空間站資源再生利用水平要達到與國際空間站相當的技術水平。空間站運營期間，還將發展二氧化碳還原技術和其它生活垃圾處理和再利用技術，進一步提高物資再生循環利用水平和效率。遠期還將研究受控生保技術，探索更先進的資源循環利用技術，為載人深空探測和建立月球和火星基地儲備技術。

空間站電源

空間站電源系統設計必須確保供電可靠、安全和長壽命，并為開展多領域科學技術實驗提供比較充足的供電支持，還具有一定的冗余能力。

空間站電源系統采用轉換效率30%以上的三結砷化鎵電池片以及先進的鋰蓄能電池。核心艙采用單自由度柔性太陽電池帆板，提供核心艙單艙飛行時的能源供應，實驗艙采用兩自由度柔性太陽電池帆板，通過驅動機構實現對日定向。太陽電池帆板可維修和更換。空間站各艙之間電源并網，統一供電，并向停靠的載人飛船和貨運飛船提供一定功率的電能。采用100V 全調節母線體制，具備獨立運行和組合體并網運行兩種工作模式。

電源系統設計難點在于需要綜合考慮發電效率、艙段構型、運輸條件、飛行姿態與控制、遮擋效應、維修更換、長壽命、高可靠等復雜因素，是空間站方案設計中的關鍵技術之一。充分利用系統設計方法和現代能源技術的最新成果，中國空間站電源系統的綜合性能和效率指標將超過其它空間站。

空間站動力與控制

采用控制力矩陀螺為主，噴氣控制為輔的控制方式進行空間站姿態控制，空間站姿態穩定度指標為0.005 ° /s。根據不同的構型，采用慣性飛行、力矩平衡飛行和對地定向飛行三種姿控方案，減少噴氣卸載導致的推進劑消耗。建造完成后的正常構型狀態下，姿態控制不消耗推進劑。空間站發動機統一配置設計，協同工作，綜合利用各艙段以及停靠貨運飛船的動力系統，提高動力系統冗余度、可靠性和壽命。

首次在空間站上采用電推進技術，補償大氣阻力的影響，大幅降低軌道維持的推進劑補給需求。采用先進的交會控制技術和實驗艙電源二次展開技術，解決安裝大面積太陽電池帆板的實驗艙近距離交會控制問題。

空間站信息系統

采用當代信息技術的最新成果，統一構建空間站信息系統。根據信息來源、種類分類管理。設置系統網、通信網和載荷網。空間站艙內、艙外均配置無線移動通信網絡和視頻監視系統，提高航天員生活、工作的通信保障支持能力和對艙內艙外狀態的感知能力。利用信息并網技術，進行空間站各艙段及來訪航天器的信息管理與共享，以及利用相關設備進行冗余重構。空間站信息傳輸與測控采用天地一體化設計，對地鏈路采用S 頻段統一載波（USB）測控體制。各艙段測控通信設備統一調度，在各種飛行姿態下，均可保障測控通信覆蓋率，提高天地通信和數據傳輸能力和效率，提高天地交互能力。設計自主健康管理系統，提高空間站健康管理水平，降低航天員站務管理和地面運營管理工作負荷。

空間站出艙活動和艙外操作

在神舟七號出艙服的基礎上，研制新一代“飛天”艙外航天服，提高環控、電源、通信保障能力、航天員操作作業工效和艙外持續工作時間，提高可靠性和安全性，以全面滿足空間站建造、維修維護的需求。

核心艙配置大型機械臂1 個，實驗艙配置小型機械臂1 個。兩個機械臂可獨立工作，可協同工作，也可組合為一個機械臂，擴大作業范圍。機械臂具備完成艙段捕獲、轉移、設備安裝、維修、更換、載荷操作、航天員輔助轉移及艙外狀態監視等任務的能力。此外，還配置有專門用于艙段轉位的轉位機構。

本文作者（正面右三）出席神舟十號返回艙開艙儀式

1:10的空間實驗室模型

首個長征七號運載火箭3.35米直徑貯箱

長征五號火箭整流罩成功進行分離試驗

航天員在艙外服、貨運飛船、氣閘艙、機械臂、艙外操作工具和出艙活動輔助設備等支持下，可達到與國際空間站相類似的復雜空間操作能力，完成如艙段捕獲轉移、帆板轉移安裝、艙外載荷和設備的維修安裝等復雜艙外建造任務。

航天員生活與工作保障

空間站是航天員在太空長期生活與工作的場所，也是研究保障人在太空長期健康生活和有效工作的最佳平臺。本著“以人為本”的理念，充分考慮聲、光、電、熱、輻射、氣體等空間環境，以及工效、心理、美學因素的影響，空間站要為航天員提供宜居的生活環境，配置豐富的鍛煉、娛樂設施和醫監醫保手段，提供全面的醫學監督和醫學保障，保障航天員長期健康生活和有效工作。

空間站配置3 名乘員長期生活設施，并提供輪換期3 名航天員臨時生活設施，包括飲水就餐、個人衛生、排泄物和生活垃圾收集處理等，航天員自由活動空間約90立方米。密封艙內氣體環境采用與地面相同的氧氮混合氣體和壓力體制，采用降噪與隔音設計降低艙內噪音，航天員工作和生活區的噪聲環境按優于和平號空間站和國際空間站噪聲環境設計和控制。

采用現代先進技術，空間站為航天員提供便利、可靠、自動化程度高的顯示、照明、報警和操作設施，配置各種工具、限位、定位裝置和天地交互手段，保障航天員高效工作，完成站務管理、建造、維護維修、物資轉移、艙外操作、科學技術實驗等操作任務。采用自動化和地面遙控為主管理平臺和載荷設備，顯著降低航天員日常管理負荷，更多地發揮人的創造性、自主性和應急處置能力，提高人在空間作業的效率和效能。

空間站擴展

空間站建造完成后，要運營10 年以上，應具備良好的艙段擴展、能源擴展和應用支持擴展能力，以適應可能產生的新的重大科學研究需求。擴展能力必須在方案設計階段統籌考慮。在現有三艙構型基礎上，預留機電熱等擴展接口，具有對接新艙段的能力。空間站可接納符合中國空間站標準的他國航天器訪問，也可在航天員和機械臂協同配合下，在空間站上安裝艙外實驗平臺或實驗設備。

艙段擴展，需要發射一個帶有節點艙的新艙段。例如，再對接一個核心艙形成四艙結構，既可以滿足擴展需求，又可以增強空間站關鍵系統的備份能力，同時不必專門研制新的艙段。在四艙擴展構型的基礎上，利用增加的對接口，可進行艙段擴展，增加新的艙段。

空間站能源擴展的一個優先方案是將核心艙太陽電池帆板轉移安裝在實驗艙I 和II 尾部桁架上，沿實驗艙軸向方向展開。該方案優點是可以將空間站資源有效重組利用，無其它形式能源擴展帶來的上行運輸需求。能源的進一步擴展應與艙段擴展統籌考慮，分步實施。

核心艙、實驗艙I 和II 預留艙外實驗平臺、載荷掛點及接口，用于運營階段擴展艙外實驗能力。利用上述3 種擴展方式，空間站最大可增加1個核心艙、2 個科學實驗艙、4 個大型艙外暴露實驗平臺，并可在艙外外掛大型實驗載荷。擴展后的最大規模可達180噸，長期乘員人數3人～6 人。

中國空間站采用模塊化擴展方式，預留擴展接口和擴展支持能力，為運營階段留下了靈活的發展空間。可以根據空間科學和技術發展的新需求，靈活選擇，適時進行。擴展能力也為開展國際合作，擴大空間站應用能力，進一步提高空間站應用效益提供了發展空間。

載人飛船和貨運飛船

載人天地往返運輸系統是航天員往返空間站的運輸工具，最重要的是確保可靠和安全。中國空間站由神舟載人飛船往返運送航天員乘組和少量物資，技術狀態不變。

航天員訪問空間站期間，載人飛船停靠空間站，供航天員正常和應急返回。正常情況下，載人飛船在入軌后2 天內與空間站對接，最長可停靠180 天，撤離后返回艙在1 天內返回現有著陸場。載人飛船對接端口為節點艙軸向和徑向端口，必要時，也可對接在核心艙后端口。

貨運飛船直徑為3.35米，上行貨物運輸能力6500千克，下行銷毀廢棄物能力6000千克。貨運載荷比達46%。國外相同規模貨運飛船載荷比分別為：歐空局A噸V 載荷比為36.58%，日本H噸V 載荷比為37.5%。

貨運飛船由貨物艙和推進艙組成。貨物艙用于裝載和存放乘員用品、實驗載荷等。考慮到空間站艙外建造需求，貨運飛船采用模塊化貨艙設計，與推進艙組合，適應補給物資、艙外大型載荷、實驗平臺等的運輸需求。貨物艙有全密封、半密封和全開放三種形式。貨運飛船還具有支持科學技術實驗的能力，從而可以利用保障貨物運輸以外的剩余上行運輸能力完成科學實驗任務，提高飛行試驗效益。貨運及暴露實驗平臺等大型艙外設施設備，必要時可以運輸小型艙段。強大的貨運能力可為空間站建造、運營和擴展提供有力支持，顯著提高空間站艙外建造和擴展能力。貨運飛船還具有組合體軌道控制能力。

貨運飛船載荷比高，采用創新的多模塊組合式貨運方案，為中國空間站實現復雜的艙外建造活動提供了有力支持和廣闊空間，將成為除已退役的美國航天飛機以外世界上功能最為完整、效益最高的貨運系統。

中國未來的空間站設想

2010年珠海航展上展出的中國空間站模型

運載火箭

采用長征二號F 載人運載火箭發射載人飛船，技術狀態不變，低軌運載能力約8.1噸。研制長征七號運載火箭用于發射貨運飛船。火箭芯一級直徑3.35米，捆綁4 個2.25米直徑助推器，分別安裝2臺和1臺120噸級液氧煤油發動機。芯二級直徑3.35米，安裝4臺18噸 級液氧煤油發動機。該火箭設計了貨運和載人兩種狀態，先期研制貨運型。貨運狀態火箭總長約53米，低軌運載能力約13.5噸。載人狀態火箭總長約59米，低軌運載能力約13噸以上。以其為基本型，可衍生出中國新一代中型運載火箭系列，成為未來中國運載的主力系列運載火箭。

在長征五號運載火箭基礎上，研制長征五號B運載火箭，用于發射空間站各艙段。火箭芯級直徑5米，捆綁4 個直徑3.35米助推器，芯級安裝2臺50噸級液氫液氧發動機，助推器各安裝2臺120噸 級液氧飛船。

具有密封、半密封和全開放三種貨艙構型的貨運飛船，能夠進行空間站各類補給品和設備的上行貨物運輸、推進劑補加，也可以運輸太陽電池帆板煤油發動機。全箭長約54米，整流罩直徑5.2米。長征五號B 運載火箭近地軌道運載能力25噸，與目前國際上主流大型運載火箭能力相當。目前國際上在役的大型運載火箭運載能力分別為：美國“宇宙神”5 火箭25噸，“德爾它”4 火箭23噸，歐洲“阿里安”5火箭21噸，俄羅斯“安加拉”火箭24.5噸，日本H-2A 火箭19.5噸。

長征五號B 運載火箭和長征七號運載火箭均按照“通用化、組合化、系列化”要求設計，采用性能先進的低溫發動機、無毒環保的推進劑，助推與芯級發動機聯合搖擺控制，火箭控制系統采用系統級冗余和總線技術。兩種新一代運載火箭的可靠性、運載能力、入軌精度等主要性能將大幅提高，并將使中國具有與世界航天大國相同的進入近地空間的運載能力。

地面支持系統

采用現代信息技術構建性能先進、以天基為主的陸海天基測控通信網，具備正常、應急和救援的測控通信支持能力和飛行控制能力，可滿足空間科學技術實驗的要求，具有高可靠、高安全、高覆蓋率的特點。

酒泉發射場和新建海南航天發射場負責完成空間站工程三種火箭、四類航天器的測試發射任務，技術勤務保障能力強大，滿足正常、應急、高密度和高可靠的發射需求。

著陸場系統在交會對接任務階段基礎上，著重提高在載人飛船執行航天員長期訪問空間站任務中正常和各種應急返回情況下的航天員搜救能力和搜救效率。

空間站工程的實施，將使中國航天發射和測控通信地面系統功能更加完整、性能更加先進，并為空間站可靠運行提供良好的保障條件，為中國航天技術持續發展奠定良好的基礎。

神舟飛船與天宮一號交會對接，為今后的空間站建設奠定了技術基礎

國際（區域）合作

從世界載人航天發展進程看，國際合作是必然的趨勢。美國通過與俄羅斯的合作，以較低的成本，迅速掌握了空間站建造、運營技術，為國際空間站的成功奠定了堅實的基礎。由于有俄羅斯飛船的支持，國際空間站在“哥倫比亞”號航天飛機失事后，能夠維持正常運行，保障了后續建造任務的順利完成。同時，美國通過空間站的國際合作，節省了大量資金，并在世界載人航天中進一步鞏固了領先地位；俄羅斯也通過與美國及其他國家的合作，維持了其航天研制生產能力，使其航天工業渡過了最困難的時期。未來的載人火星深空探測，由于其技術復雜性和巨大投入，任何一個國家都難以獨立承擔，國際合作方式可能是最好的選擇。

中國政府一貫主張和堅持和平開發和利用太空的基本原則。中國空間站工程將積極開展國際和區域合作，歡迎各國航天機構和科研機構參與中國空間站的研制、建設和科研活動。通過國際合作，為全球科學家提供一個共同開展科學研究和探索的高水平空間平臺，共同分享研究經驗和成果，增強互信，共同促進人類文明發展和進步。

通過吸納其它國家和地區參與中國空間站建造或應用，可以學習、借鑒國際載人航天領域成熟經驗和先進技術，提高研制起點，降低研制風險；提升空間站在空間科學研究與應用、航天醫學等方面的應用水平，促進科學技術發展，提高空間站綜合應用效益。

中國空間站預計于2020～2022年間建成，按照目前各國載人航天計劃，屆時，有可能成為國際上唯一在軌運行的空間站。空間站工程的國際合作可以采用艙段合作、接納他國飛船訪問、航天員聯合飛行、空間國際救援，以及合作開展空間科學和空間應用研究等方式。

艙段合作主要有兩種途徑，一是對接國外獨立研制的科學實驗艙，二是對接與其他國家合作研制的科學實驗艙。艙段合作是最具影響力的空間站國際合作形式。中國空間站在基本構型建造完成后，具備再擴展3個艙段的能力。

國外獨立研制艙段應具備自主交會對接能力，滿足中國空間站有關標準、規范和接口要求，可由其自行發射，也可由中國的運載火箭發射。不具備交會對接能力的小型艙段還可由中國貨運飛船上行運輸，并由機械臂和航天員將其組裝到空間站指定位置，此類艙段質量可達5000千克，包絡可達直徑3米、長4.5米。合作研制艙段由中國運載火箭在境內發射。

與具備豐富的載人航天飛行經驗國家合作，通過航天員聯合飛行，結合空間應用與航天醫學等項目的合作研究，共同開展對空間資源的開發與利用。此外，可以利用中國的航天員選拔訓練體系和基礎設施，為中國港澳臺地區和其它國家選拔訓練航天員，并提供飛行機會，共同推動載人航天發展。

空間國際救援是國際人道主義精神體現的新領域和新形式。空間國際救援主要考慮兩方面，一是中國飛船救援國際空間站，二是中國空間站接受他國飛船的救援。救援目的包括載人飛船對空間站駐站人員的緊急救援以及貨運飛船對空間站平臺的救援，包括提升軌道，緊急補給物資等。

目前國際空間救援的主要技術壁壘在于交會對接接口，需要相互適應的、統一的技術標準和規范，這在技術上是可以解決的。目前需要的是相互間強烈的合作愿望。

在空間站上，最廣泛的國際合作將體現在科學研究、空間應用和空間技術試驗項目方面的合作，以及搭載國外（區域）有效載荷。合作可以擴大中國空間站應用領域和范圍，提升中國空間站應用水平和應用能力，進一步發揮空間站綜合效能，擴展國家太空實驗室的作用，促進世界科技進步和人類文明發展，使中國在空間科學研究方面能逐漸形成引領作用。合作的方式包括共同研制有效載荷、搭載國外有效載荷、發布關系全球資源環境重要數據、共享應用成果等。空間站應用合作主要在空間站上實施，部分項目也可以利用貨運飛船進行。

同時，空間站工程充分重視中國港澳臺地區的空間科學研究和應用需求，積極支持其科研機構參與空間站科學研究與應用活動。

研制和飛行任務安排

中國空間站工程分為空間實驗室和空間站兩個階段實施。

空間實驗室階段研制并首先發射天宮二號空間實驗室，然后發射神舟十一號載人飛船和貨運飛船與其對接。在神舟十一號任務中，安排航天員進行中期訪問，開展維修試驗和多項微重力相關的科學實驗，并進行柔性太陽電池基板搭載試驗。首發貨運飛船將對天宮二號進行推進劑補加，并完成部分關鍵技術的飛行驗證。

空間站階段分為關鍵技術驗證階段、建造階段和運營階段。關鍵技術驗證階段發射試驗核心艙，并發射多艘載人飛船和貨運飛船訪問試驗核心艙，驗證航天員長期駐留、再生生保、柔性太陽電池翼和驅動機構、大型柔性組合體控制、空間站組裝建造、維修和艙外操作、空間應用等空間站建造核心關鍵技術。

空間站關鍵技術驗證任務完成后，對試驗核心艙進行評估。若滿足在軌建造空間站條件，則直接以其為空間站核心艙，進入建造階段。分別發射實驗艙I和實驗艙II 與之對接，完成空間站建造。其間將發射多艘神舟載人飛船和貨運飛船，支持完成建造任務，并同步開展科學技術實驗。若試驗核心艙不滿足在軌建造空間站條件，則在完成改進完善后，發射新的核心艙，進行空間站建造。

空間站建造任務完成后，進入長期運營和管理階段。航天員乘組將分批長期駐站生活和工作，開展科學技術研究和探索活動。該階段將根據新的需求，進行空間站擴展，以及空間站應用載荷的更換。

中國空間站工程采用了利用天宮二號空間實驗室和貨運飛船驗證推進劑補加技術，利用試驗核心艙驗證空間站組裝建造關鍵技術后，進入空間站建造階段的總體技術路線。這樣的安排充分考慮了中國航天技術的現有基礎能力，體現了研制、飛行驗證和建造任務循序漸進、穩妥可靠、積極跨越的發展戰略思想。

（原文刊自《載人航天》雜志2013年第2期，本刊進行了摘編）

空間實驗室示意圖

載人飛船每年執行1～2次的飛行任務

貨運飛船每年為空間站送去1～2次的必需品

核心艙

實驗艙Ⅰ

實驗艙Ⅱ