中國空間站“問”與“答”

文/ 楊詩瑞

2021年最令人矚目的中國航天大事件莫過于天宮空間站建設。1992年中國載人航天工程立項伊始，我國確立了“三步走”的發展戰略，第一步發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；第二步突破航天員出艙活動技術、空間飛行器的交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題；第三步建造空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

隨著4月29日“天和號”核心艙的發射，中國空間站建設正式拉開帷幕。未來的中國空間站將會是什么樣子，發揮什么作用？讓我們通過幾個大家關心的問題一起來了解下吧。

▲ 天和核心艙效果圖

問：空間站什么時候建成？建成后是什么樣子？

答：我國首先在今年上半年發射空間站核心艙“天和號”，2年內依次發射“問天號”實驗艙和“夢天號”實驗艙，同時陸續發射神舟載人飛船和天舟貨運飛船，將物資和航天員送上太空。2年總計完成11次飛行任務，預計2022年前后完成天宮空間站建設并開始運營。

核心艙和兩個實驗艙發射后，實驗艙依次對接于核心艙節點艙的軸向端口，然后通過艙段轉位操作，轉移到節點艙的左右兩側，與節點艙剛性連接，構成T字形的三艙基本構型。貨運飛船以及載人飛船分別對接在核心艙前后兩端。這是天宮空間站的基本構型，可以容納2～3名航天員長期駐留工作。

在基本構型基礎上，“天宮”為未來空間科學和技術的新需求預留發展空間，可以根據需求繼續擴展艙段、擴展能源和擴展艙外實驗室。通過發射帶有節點艙的新艙段，二期擴展型天宮空間站對接口數量將增加到4個，能夠同時對接三艘神舟載人飛船與一艘天舟貨運飛船，空間站額定載員人數增至6人，輪換期間最大載員人數可達9人。

▲ “天舟一號”在廠房 高劍攝

問：空間站由哪些部分組成？各有什么功能？

答：天宮空間站由天和號核心艙、問天號實驗艙、夢天號實驗艙、神舟載人飛船和天舟貨運飛船組成。

▲ 長征五號B運載火箭 宿東攝

天和號核心艙是空間站的管理和控制中心，以及航天員的居住生活區，負責空間站的統一管理和控制，配置機械臂，用于實驗艙、載人飛船、貨運飛船等飛行器與其交會對接和停靠，接納航天員長期訪問和物資補給。核心艙配備霍爾電推力器，用于調整軌道高度，這是人類首次將電推動力用于載人航天器。

核心艙單艙飛行期間，它的功用是節點艙兼作氣閘艙，作為航天員進入太空的出口。在與“問天號”對接后，航天員將使用問天號專用氣閘艙，核心艙節點艙作為備份。

“問天號”是控制與實驗應用艙，備份核心艙部分關鍵平臺功能，并用于開展密封艙內及艙外載荷實驗，配置了小型機械臂，用于操作艙外載荷。“夢天號”是專用應用艙，用于開展密封艙內和艙外載荷實驗，配置貨物氣閘艙，用于載荷和設備進出空間站。

神舟載人飛船用于航天員運送和應急返回。天舟號貨運飛船承擔空間站補給以及廢物排除等任務。

我國正在研制“巡天號光學艙”，將在2024年發射。它是一個重達十幾噸的大型巡天望遠鏡，將與天宮空間站共軌飛行。光學艙配置有2米口徑離軸三反望遠鏡，覆蓋紫外-近紅外波段，分辨率媲美哈勃望遠鏡，視場超過“哈勃”300倍，在軌期間可以對40%以上的天區進行觀測，將促進對宇宙起源、宜居行星等問題的探索，幫助人類獲取新的發現和認識。

問：哪些火箭將參與空間站任務？

答：長征五號B、長征二號F和長征七號三型運載火箭將共同參與到空間站建設與載人航天任務中。

“長征五號B”將在海南文昌發射場執行空間站核心艙和實驗艙的發射任務。它是專門為載人航天工程打造的一款全新構型火箭，代表了我國運載火箭技術的最高水平，是空間站建設的骨干力量。

“長征二號F”將在酒泉發射中心執行載人飛船發射任務。“長二F”有著“神箭”的美譽，它見證了載人航天工程的每一步，在過去20年間以13次完美飛行、100%發射成功率，將5艘無人飛船、6艘載人飛船、2個空間實驗室送入太空，是我國可靠性和安全性最好的運載火箭。

“長征七號”將在文昌發射中心執行貨運飛船發射任務。“長征七號”將為空間站運輸各類物資，其中既包括航天員的生活物資，如飲用水、太空食品、艙外航天服等；也包括空間站運行維護所需物資，比如太陽能電池翼、設備備件等；還可以向空間站實施推進劑在軌補加，為空間站補充推進劑，是空間站的“貨運專列”。

空間站建設非常復雜，包括多次交會對接任務，要求火箭必須完成“零窗口”發射，在預先計算好的時間內、分秒不差地將火箭點火升空。“長五B”、“長二F”和“長七”火箭強強聯合，共同構筑起我國載人航天的廣闊舞臺。

問：天宮空間站的性能如何？

答：天宮空間站運行在軌道傾角42°～43°、340～450千米高度的近圓軌道。三艙組合體質量約66噸，其中載荷設備質量超過10噸，額定乘員3人，在輪換期可保障6名航天員工作生活。設計壽命不小于10年，具有通過維護維修延長使用壽命的能力，并具備一定擴展能力。

“天宮”雖然比國際空間站的規模小很多，但天宮空間站采用了諸多新技術、新工藝、新材料，很多關鍵能力指標并不遜色，有的還要超出。“天宮”的載荷重量占比17.7%，高于國際空間站的7.9%；柔性太陽能電池帆板和先進砷化鎵電池技術提供了100千瓦供電功率，超過國際空間站的90千瓦。天宮空間站可對載人飛船、貨運飛船和光學艙供電輸出，對外供電功率占比高達63%，自身用電僅占37%，高過國際空間站。

“天宮”為科學實驗設備提供萬兆級艙段間網絡傳輸，下行速率每秒1.2千兆比特，能夠以較小的規模實現科學實驗支持能力的最大化；采用先進信息技術，可實現艙段間、航天器間系統重構，大幅提升空間站在軌的可靠性和安全性；采用智能控制技術，設計自主健康管理系統，降低了航天員空間站維護和地面運控的負擔；采用物化再生生保技術，較好地實現資源再生利用，大幅降低貨運保障需求和運營成本。

▲ “長七”轉運 宿東攝

“天宮”還具有“太空母港”飛行模式，巡天望遠鏡與空間站共軌飛行，在需要補給、維護和維修時，可直接對接到空間站，方便航天員維修。未來我國還將研制多種用途航天器與空間站共軌飛行，形成獨具特色的在軌編隊飛行模式，將引領空間在軌服務技術的未來發展方向。

總而言之，“天宮”將在控制、信息、物資補給、運營、應用效益等多個方面達到當代國際先進水平并有所超越，而且在建造和運營上更為經濟合理。

問：天宮空間站的實驗條件怎么樣？

答：空間站非常重要的一項工作是開展科學實驗。“天宮”本身提供了微重力實驗環境，可以通過天地往返將實驗樣品帶回地面。

“天宮”規劃了23個密封艙內的空間實驗柜，同時艙外暴露實驗平臺、艙外機械臂、專用貨物氣閘艙、航天員出艙行走氣閘艙等設施一應俱全，支持在軌實施空間天文、空間生命科學與生物技術、微重力基礎物理、空間材料科學等學科領域的科學研究與應用項目。

▲ 中國空間站核心艙

▲ 砷化鎵柔性太陽能電池帆板

在基礎物理方面，“天宮”配備有超冷原子實驗柜，用于研究溫度接近絕對零度的超冷原子氣體物理規律；配備了由3個鐘組成的原子鐘組，30億年的誤差小于1秒，可以為導航系統等提供基準頻率和時間信息。

另一方面，“天宮”艙外配備有標準載荷的適配器，還提供大型載荷掛點，在艙外可以進行天文觀測、地球觀測，空間物理等方面的研究。根據任務需要，航天員會對實驗條件進行升級或者更換，從而支持更多領域的實驗。

2019年以來，我國面向國內征集空間科學實驗和技術試驗項目活動，同時面向聯合國所有成員國開放空間站實驗環境。當前已有來自17個國家的9個科研項目成功入選首批合作清單，除了共享空間實驗室，我國還將免費提供合作項目的運輸服務。

問：空間站中航天員都是從哪里選拔？

答：天宮空間站常駐3名航天員在空間站中生活，最長可達一年。

我國已經選拔出第三批航天員。不同于前兩批航天員參與空間站建造任務，都是從飛行員中選取，這一批航天員主要是為空間站運營階段的飛行而準備，包括了航天駕駛員、航天飛行工程師和載荷專家3個類別。

其中，航天駕駛員和航天飛行工程師負責直接操縱、管理航天器，以及開展相關技術試驗，載荷專家主要負責空間科學實驗載荷的在軌操作。航天駕駛員在空軍現役飛行員中選拔，航天飛行工程師在從事航空航天工程及相關領域專業的工程技術人員中選拔，載荷專家在載人航天工程空間科學研究及應用領域的科研人員中選拔。

目前，第三批航天員共有18人，包括7名航天駕駛員、7名航天飛行工程師和4名載荷專家，其中還有1名女航天員。他們在經過3到4年的周期性訓練后，將參加空間站運營階段各次飛行任務。

隨著我國載人航天事業不斷發展，后續還將開展預備航天員選拔工作。未來將有更多人參與到建設航天強國、接續飛天夢想的征程。

問：空間站為航天員提供了哪些生活和工作保障？

答：空間站配置了3名乘員長期生活設施，并為輪換期中6名航天員提供臨時生活設施，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110立方米。

為了保障航天員在太空中生存，“天宮”的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。

為了提供良好的生活和工作環境，“天宮”艙內維護著與地球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，并為航天員提供便利、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、限位裝置和天地交互手段，保障航天員高效工作，完成維護維修、物資轉移、艙外操作和科學技術實驗等操作任務。

“天宮”可支持2名航天員同時出艙活動。核心艙配置的大型機械臂和實驗艙配置的小型機械臂可以獨立或協同工作，完成艙段捕獲和轉移、航天員輔助轉移、設備維修、載荷操作和艙外狀態監視等任務。在航天員、艙外航天服以及貨運飛船支持下，空間站可具備大型空間設施的操作能力，完成復雜的艙外建造任務。

▲ 中國航天員在“神七”飛行任務中出艙

▲ 天宮空間站科研機柜

空間站在科學研究和經濟建設方面都有重大價值。它將用于天文觀測、地球資源勘測、醫學和生物學研究、新工藝開發、大地測量和技術試驗等。空間站還可以作為人類造訪火星等其他行星的跳板，并試驗載人行星際探索技術。

“天宮”建成后，將為我國和全球的科學家提供先進的空間科學技術研究和實驗平臺，支持開展大量科學實驗，大幅提升我國空間科學領域的研究水平，并為人類走出地球、進入太空做出技術積累。