總設(shè)計師詳解中國空間站天和核心艙

文/ 黃希

4月29日，由中國航天科技集團有限公司所屬中國空間技術(shù)研究院抓總研制的中國空間站核心艙——“天和”，在太空中順利定位，包含11次飛行任務(wù)的中國空間站在軌建造任務(wù)由此開啟。

核心艙命名為“天和”，全長16.6米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，是我國目前研制的最大航天器。它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活和工作的主要場所，還能支持開展一定規(guī)模的空間科學實驗和技術(shù)試驗。

如何建設(shè)中國空間站？中國空間站有哪些特色？如何讓中國的“太空實驗室”發(fā)揮出巨大的科學價值？對于這些問題，中國空間站系統(tǒng)總設(shè)計師楊宏一一作答。

是“超級工程”，更是“連環(huán)工程”

15年前，楊宏作為我國首個空間實驗室——“天宮一號”的總設(shè)計師，參與了“天宮一號”全流程的設(shè)計工作。

2011年，結(jié)束“天宮一號”的工作后，他被任命為中國空間站總設(shè)計師，迅速參與到中國空間站的方案設(shè)計中。

如何實現(xiàn)從“空間實驗室”到長期在近地軌道運行的“載人空間站”的迭代和升級，成為楊宏和他的團隊重點思考的問題。

據(jù)中國載人航天工程總設(shè)計師周建平介紹，空間站基本構(gòu)型有3個艙段——1個核心艙，2個實驗艙。每個艙都是20噸級，三艙組合體質(zhì)量約66噸。空間站整體呈T字構(gòu)型，核心艙居中，實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接于兩側(cè)。其中，核心艙用來控制整個空間站組合體，兩個實驗艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎(chǔ)物理等多方面的科學實驗。

核心艙是空間站的主控艙段，相當于是整個空間站的中樞系統(tǒng)，主要對整個空間站的飛行姿態(tài)、動力性能、載人環(huán)境進行控制。核心艙的大柱段直徑4.2米，小柱段直徑2.8米。大柱段部位主要是航天員開展工作和實驗的地方，小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)，保障航天員的生活和居住。

實驗艙Ⅰ名為“問天”，主要任務(wù)是開展艙內(nèi)和艙外空間科學實驗和技術(shù)試驗，也是航天員的工作生活場所和應急避難場所。實驗艙Ⅰ配備了航天員出艙活動專用氣閘艙，支持航天員出艙活動，配置了小型機械臂，可進行艙外載荷自動安裝操作。該艙有著核心艙部分關(guān)鍵平臺功能，這意味著在需要的時候，它可以執(zhí)行對整個空間站的管理和控制。

實驗艙Ⅱ名為“夢天”，具備和實驗艙Ⅰ類似的功能。該艙配置有貨物專用氣閘艙，在航天員和機械臂的輔助下，支持貨物、載荷自動進出艙。

空間站工程還包括天地往返運輸系統(tǒng)和貨物運輸系統(tǒng)。天地往返運輸系統(tǒng)由神舟載人飛船和長征二號F運載火箭組成，貨物運輸系統(tǒng)主要由天舟貨運飛船和長征七號運載火箭組成，用于航天員和部分物資往返空間站。神舟載人飛船可支持3名航天員實現(xiàn)天地往返，在空間站停靠期間也作為救生船，用于航天員應急救生和返回。

在中國空間站里，航天員的活動空間將得到極大拓展。

有人統(tǒng)計過，神舟七號載人飛船航天員的活動空間大概是7立方米；“天宮一號”航天員有效活動空間約為15立方米，大概相當于一個7平方米房間大小。而在中國空間站里，航天員活動空間擴展到了110立方米。

如果把神舟飛船比作一輛轎車，那么“天宮一號”和“天宮二號”就相當于一室一廳，空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間。

但是，空間站不是“天宮一號”簡單的放大樣。要保證空間站長期安全穩(wěn)定運行、保障航天員長期在軌健康生活和高效率工作，科研人員還需要開展大量的科學技術(shù)試驗。與此同時，有些關(guān)鍵技術(shù)在地面受重力影響，也需要在天上繼續(xù)進行關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證。

中國空間站工程在今明兩年將接續(xù)實施11次飛行任務(wù)，包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運飛船發(fā)射以及4次載人飛船發(fā)射，并依次圍繞核心艙完成組裝建造工作。難怪中國空間技術(shù)研究院的設(shè)計師說空間站的建造就像是“在太空中搭積木”。

這樣高密度任務(wù)在我國載人航天工程中從未有過。11次任務(wù)環(huán)環(huán)相扣，一系列關(guān)鍵技術(shù)需要在天上驗證，并進行分段評估，才能進行下一階段建造工作，進而決定“下一步走向”，可謂是“步步驚心”。

舉例來說，天和核心艙上天后，需要根據(jù)自身表現(xiàn)，在48小時內(nèi)評估在軌狀態(tài)，進而為下一個任務(wù)——“天舟二號”發(fā)出指令，讓其進入“發(fā)射倒計時”準備階段。兵馬未動，糧草先行。天舟二號貨運飛船上天后，根據(jù)對接狀態(tài)，給下一個任務(wù)——神舟十二號載人飛船相應的指令。確認一切正常后，載人飛船才能進入發(fā)射準備階段。隨后的每一次飛行，都是建立在之前任務(wù)狀態(tài)正常的基礎(chǔ)上，才能實施后續(xù)任務(wù)。任務(wù)之間耦合度極高，不允許有任何閃失。

據(jù)介紹，中國空間站提供3個對接口，支持載人飛船、貨運飛船及其他來訪飛行器的對接和停靠。額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達6人，具備十幾噸載荷設(shè)備的安裝和支持能力。

與此同時，中國空間站設(shè)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，能夠擴展到180噸級，也為后續(xù)發(fā)展留有一定的空間。

是“無紙化操作”，更是“數(shù)字化工程”

提到空間站，大家首先會想到國際空間站。以美國為首的16個成員國組成聯(lián)盟，集合了當時最先進的航天技術(shù)，但卻把中國排除在外。

中國空間站憑借一國之力獨立建造，瞄準“整體水平能夠達到世界先進水平、局部能夠超越國際空間站”這個目標來研發(fā)。要實現(xiàn)這個目標，靠的是什么？

對這個問題，楊宏有自己深刻的理解：靠的是新型舉國體制優(yōu)勢，創(chuàng)新引領(lǐng)和航天事業(yè)多年積累的體系作為保障，開展全國大協(xié)作，集智攻關(guān)。

他特別指出，要堅持以信息技術(shù)來提升載人航天器能力的設(shè)計理念。在工程研制中大膽采用先進信息技術(shù)能夠給航天器帶來突飛猛進的進步。

傳統(tǒng)的航天器研制和生產(chǎn)，從圖紙到初樣再到正樣，是必經(jīng)之路。

不同于單一航天器的研制，中國空間站建設(shè)涉及3個艙段，還包括與貨運飛船、載人飛船的對接，系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性和耦合性極高，可謂“牽一發(fā)而動全身”。

作為總師，在各個艙段的設(shè)計中，如何實現(xiàn)系統(tǒng)間的高效連接，追求最大程度的“一次到位”，成為楊宏關(guān)注的焦點問題。

“數(shù)字化”就是破解這個難題的密鑰。

此次在中國空間站研制中實現(xiàn)了“數(shù)字化模型設(shè)計”，設(shè)計過程中沒有產(chǎn)生一張紙質(zhì)圖紙，這讓研制團隊頗為驕傲。

除了實現(xiàn)各個艙段的“友好耦合”外，空間站艙內(nèi)設(shè)備也需要做到“布局優(yōu)化”，讓航天員的工作生活更便利。

“就像我們自己家里搞裝修一樣，除了布線，室內(nèi)還要裝空調(diào)、照明燈，哪個先裝，哪個后裝，都需要統(tǒng)籌考慮。采用數(shù)字化建模之后，各個系統(tǒng)就可以在自己的模塊內(nèi)反復迭代，直到生成一個在參數(shù)范圍內(nèi)的最理想、和其他系統(tǒng)匹配度最高的模型，生產(chǎn)方拿到設(shè)計模型后，直接進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。”楊宏說，恰恰就是采用這種方式，讓設(shè)計和生產(chǎn)沒有誤差，一氣呵成。就連艙內(nèi)最難辦的1000多條異性管路，都能一次安裝到位，沒有返工。

還有一個小細節(jié)也能看到“數(shù)字化手段”的功勞。在太空中運行的航天器講究“質(zhì)量配平”，大概意思就是艙體布局重量相當。一般情況下，這很難依靠已有的設(shè)備實現(xiàn)“完全配平”，需要額外的“配重”來達到平衡。此次在空間站中，因為有數(shù)字化手段引入，輕松實現(xiàn)了艙內(nèi)布局優(yōu)化的目標。

值得一提的是，此次艙內(nèi)實現(xiàn)了WiFi全覆蓋。航天員所有的生理參數(shù)都通過網(wǎng)絡(luò)實時下傳。先進信息技術(shù)的采用，會讓航天員如同在地面上一樣看劇、打視頻電話，太空生活會更加豐富。

是“高可靠產(chǎn)品”，更是“高品質(zhì)樣板”

空間站就是航天員在太空中賴以生存的家，設(shè)計師們需要把航天員的安全問題放在首位。

經(jīng)過載人航天“三步走”中“前兩步”的實施，人的“安全性”問題已經(jīng)得到了充分驗證。即便如此，研制團隊還是做了大量功課，針對能想到的風險都做了詳盡的預案。

拿安全性來說，航天員在太空中最怕什么？一怕失壓，二怕失火。

太空是一個真空環(huán)境。宇宙飛船上的密封艙有適合航天員生活和工作的環(huán)境，艙外活動用的航天服，也具有維持正常生活的大氣壓和氧氣。一旦密封艙或航天服遭流星、太空垃圾襲擊或其他機械損傷，哪怕是一個很小的洞或裂縫，空氣都會很快跑光，航天員將會面臨生命危險。

所以，密封問題非常關(guān)鍵。研制團隊針對國際空間站出現(xiàn)的泄漏問題進行了充分的舉一反三。對艙內(nèi)所有的密封環(huán)節(jié)，進行一一復查。

此外，針對空間碎片問題，中國空間站配備了一套撞擊打擊預防系統(tǒng)，能夠?qū)Α安凰僦汀薄臻g碎片，進行定位感知，通過對空間站實施升軌或者降軌，對空間碎片進行規(guī)避。

這就跟我們坐飛機遇到不穩(wěn)定的強烈氣流，飛機通過改變高度實現(xiàn)規(guī)避的原理是一樣的。

此外，針對防失火問題，艙內(nèi)所有的材料都采用阻燃材料，對高壓用電也進行了嚴格控制。如果發(fā)生重大險情，航天員緊急撤離和快速撤離模式可立即啟動，幫助航天員在5分鐘內(nèi)快速逃離危險區(qū)。

除了在安全性上做足功課外，設(shè)計師們也在想辦法提高航天員的太空生活舒適度，注意私密性，極大地提高了航天員的“太空生活質(zhì)量”。

在中國空間站上，滿足乘員輪換期間短期可達6人的居住條件。6人可各自擁有獨立的睡眠區(qū)和生活區(qū)，設(shè)計師們對通風、噪聲、燈光等細節(jié)都有非常周密的考慮。

我們都有這樣的感受，通風對室內(nèi)環(huán)境很重要。但是，風大了會著涼，風小了空氣無法流動。在密封的艙體內(nèi)，必須要靠風扇讓空氣流動起來。為了防止航天員著涼，航天員睡眠區(qū)和工作區(qū)的風速都是不同的。經(jīng)過多次測試，設(shè)計團隊最終將中國空間站工作區(qū)風速設(shè)定為每秒0.08米，睡眠區(qū)風速則為每秒0.05米。

艙內(nèi)有大量設(shè)備，設(shè)備轉(zhuǎn)動起來不可避免會帶來噪聲，并通過艙體結(jié)構(gòu)進行傳導，人在這樣嘈雜的環(huán)境中待久了顯然會很不舒服。

楊宏坦言，設(shè)計團隊花了一年半時間進行噪聲問題攻關(guān)，“付出了很大的辛苦”。楊宏帶著總體設(shè)計人員和502所的技術(shù)人員協(xié)同攻關(guān)，最終通過加隔振器的方式有效過濾掉了噪聲，使工作區(qū)的噪聲從71分貝降到了58分貝，睡眠區(qū)從58分貝降到了49分貝。對人體而言，理想的睡眠環(huán)境是30到50分貝。對比國際空間站“工作區(qū)72分貝，睡眠區(qū)55分貝”的噪聲參數(shù)，楊宏對中國空間站的噪聲處理結(jié)果很滿意。

此外，中國空間站還將是一個“智能家居”環(huán)境，航天員通過平板電腦遙控指揮艙內(nèi)的家用電器，在太空廚房里還能使用冰箱、飲水機、微波爐。

在太空中，航天員將按照北京時間來作息。空間站環(huán)繞地球一圈是90分鐘，航天員24小時內(nèi)最多能看到16次日出日落。為了讓航天員生物鐘不受影響，設(shè)計師在艙內(nèi)設(shè)置了情景照明系統(tǒng)，就像波音787、空客380客機一樣，定時將燈光變成黃昏模式、日間模式。這些細節(jié)上的周到考慮，都是為了給航天員打造一個宜居環(huán)境。

是中國智造，更是中國創(chuàng)造

楊宏把空間站的建造比作是“搭臺唱戲”，中國空間站既是為中國科學家，也是為全球科學家提供的科學探索平臺。這一初衷，注定了中國空間站是開放的。

秉承這樣的設(shè)計思想，中國空間站在集納當前北斗、天鏈等先進航天技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了很多先進的民用技術(shù)和商用技術(shù)。

艙內(nèi)的電器都是我們耳熟能詳?shù)募矣秒娖髌放啤o線WiFi數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了艙內(nèi)無纜化，確保了艙內(nèi)環(huán)境井然有序。

在空間站的天地通話環(huán)節(jié)上，將看不到航天員戴著耳機與地面連線的場景，骨傳導耳機技術(shù)運用其中，將會大大減少航天員的用耳負擔。

地面物流技術(shù)也被設(shè)計師應用其中。伴隨著貨運飛船的陸續(xù)抵達，貨物的打包、開包、整理、安裝的工作量巨大，國際空間站上已經(jīng)有100多件物品找不到了。“就像家里一樣，一個人放的東西，如何能確保其他人都能找到，這里面學問也不小。”楊宏舉例說道。

借鑒國內(nèi)物流巨頭先進的貨物管理技術(shù)，中國空間站建立了一套物流管理系統(tǒng)，航天員能夠通過掃描二維碼的方式，識別貨物的位置信息和產(chǎn)品信息，同時對產(chǎn)品信息的庫存數(shù)量都能做到動態(tài)掌控，一進一出，都有臺賬，確保航天員的工作生活更便捷。