中國空間站建設系統方案特點與展望

王翔 張嶠 王為

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

載人航天技術是世界航天的發展熱點之一，不僅能反映一個國家航天技術的發展水平，而且成為衡量一個國家經濟、技術和軍事力量以及綜合國力的一個重要標志。我國的載人航天工程于1992年立項，采用“三步走”的發展戰略方針，建造空間站正是該戰略方針最終目標[1]?？臻g站的建成和運營將使我國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術，具備長期開展近地空間有人參與科學技術試驗能力，能夠綜合開發利用太空資源的國家，為人類和平利用太空作出開拓性的貢獻。

2010年9月，中國載人空間站工程正式立項實施[2]。經過11年的不懈努力，2021年4月29日，天和核心艙在海南文昌航天發射場由長征五號B運載火箭成功發射入軌，拉開了我國載人空間站建造的大幕，標志著我國載人空間站工程進入任務實施階段[3]。按計劃，從2021年至2022年，通過11次發射及在軌飛行任務，我國將完成空間站的組裝建造，轉入正式運營階段。截至目前，國外先后發射并進入太空運行的空間站包括蘇聯禮炮號，美國“天空實驗室”，蘇聯和平號空間站，以及由美俄為首、16個國家參與建造的“國際空間站”[4-6]。我國天宮空間站的建設運行，將使我國成為繼蘇聯/俄羅斯、美國之后第三個獨立建設運行空間站的國家。

1 任務目標

天宮是一個具有濃郁中國特色的詞匯，寄托著中華民族對于廣袤太空的無限遐想。中國空間站取名為天宮，表明它是一個長期穩定運行的“太空母港”，可為在軌乘組提供舒適的駐留保障，可持續開展空間科學研究及技術試驗探索，也可為來訪飛行器提供必要的服務支持。通過天宮空間站的建設，我國將在特殊的太空環境中搭建起有人參與的科學探索與技術創新國家級太空實驗室，航天員和科學家將經常往來于天地之間，開展大規模的空間科學實驗和技術試驗，進一步推動我國創新型國家建設，顯著提升我國在國際科學技術領域的影響力。

天宮空間站的建設任務目標包含以下三個方面[7]：

(1)建造以天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙為基本構型，長期在軌可靠運行的空間站；

(2)為航天員長期在軌健康生活、有效工作提供保障，并在其他系統配合下，保證訪問空間站航天員的安全；

(3)為開展多領域空間科學實驗與技術試驗提供保障和支持條件。

2 系統方案設計

作為世界上第三座多艙段在軌組裝建造空間站，天宮空間站在系統設計上充分借鑒了和“平號”空間站和國際空間站的經驗教訓[8-9]，堅持立足我國基本國情，秉持規模適度、安全可靠、技術先進、系統優化、經濟高效的理念，充分利用我國載人航天前期技術基礎，著力發揮后發優勢，走出一條獨立創新的跨越式發展道路。

2.1 設計原則

天宮空間站的設計遵循以下原則：

(1)符合中國國情，有所為、有所不為，規模適度，留有發展空間；

(2)具有突出的中國元素和核心內涵；

(3)追求技術進步，充分采用當代先進技術建造和運營空間站，全面掌握大型空間設施的建造和在軌操作能力；

(4)注重應用效益，在空間站應用領域取得重大創新成果；

(5)追求運營經濟性，走可持續發展的道路。

2.2 總體方案

綜合考慮載人飛船的發射場、著陸場地理位置以及返回的回歸軌道，天宮空間站運行在軌道傾角41°～43°，軌道高度340～450 km的近地軌道上。其設計壽命大于10年，額定乘員3人，乘組輪換時可達6人。天宮空間站由天舟貨運飛船負責運送推進劑、設備載荷和其他物資消耗品，并負責下行銷毀廢棄物的任務。載人運輸任務則由神舟飛船負責。

天宮空間站由天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙三個基本艙段組成，呈T字構型。天和核心艙居中，問天實驗艙和夢天實驗分別連接于兩側，如圖1所示。天宮空間站設置有前向、后向和徑向3個對接口。前向對接口主要用于對接載人飛船和巡天空間望遠鏡，后向對接口主要用于對接貨運飛船，徑向對接口主要用于對接載人飛船[10]。

圖1 天宮空間站構型圖示Fig.1 Configuration diagram of Tiangong space station

天宮空間站以三艙構成完整的系統進行統一設計，整體構型設計借鑒了“和平號”空間站“積木組裝”式的構型特點。為了避免“和平號”空間站各艙段間太陽電池翼遮擋嚴重的問題，整站長期飛行采取三艙布置在同一平面，減少了艙段間的艙體相互遮擋。兩個實驗艙構型、質量特性基本一致，在“T”字構型中呈橫向對置，再結合每個實驗艙近20 m的結構長度，形成了類似“國際空間站”的桁架結構。實驗艙大面積太陽電池翼布局于整體構型的兩側，同時配置雙自由度驅動機構，使太陽電池翼能夠隨時與太陽光線垂直，保證發電效率始終保持在最高狀態。

2.3 建造過程

天宮空間站三艙基本構型采用空間交會對接和在軌艙段轉位的方式完成建造，如圖2所示。組裝建造可分為如下五個步驟：

(1)第一步，發射天和核心艙，在載人飛船、貨運飛船的配合下進行空間站組裝建造的關鍵技術在軌驗證；

(2)第二步，發射問天實驗艙，與天和核心艙前向對接口交會對接，形成“一”字形兩艙組合體；

(3)第三步，在夢天實驗艙發射前, 將問天實驗艙由天和核心艙前向對接口在軌轉位至IV象限停泊口，形成“L”形兩艙組合體；

(4)第四步，發射夢天實驗艙，與天和核心艙前向對接口交會對接，形成“┠”字形三艙組合體；

(5)第五步，將夢天實驗艙由天和核心艙前向對接口在軌轉位至II象限側停泊口，形成“T”形三艙組合體，完成天宮空間站基本構型建造。

圖2 天宮空間站組裝建造過程圖示Fig.2 Schematic diagram of assembly of Tiangong space station

2.4 系統功能設計

2.4.1 控制及推進系統設計

天宮空間站姿態控制采用控制力矩陀螺(CMG)控制和發動機噴氣控制兩種方式，以CMG控制為主，噴氣控制為輔。綜合考慮艙段構型布局和維修性設計，天和核心艙與問天實驗艙各配置1套CMG(每套6個，共12個)，分別布置在艙外和艙內，如圖3所示。通過不同飛行姿態對角動量控制的針對性需求，規劃CMG按照1套開機或2套同時開機進行工作。

圖3 天宮空間站上的CMGFig.3 CMGs on Tiangong space station

天宮空間站設計有對地定向飛行、慣性飛行、力矩平衡正向飛行3種正常情況下的飛行姿態。綜合考慮太陽翼發電效率和姿控推進劑消耗，單艙和兩艙組合體飛行期間主要采用慣性飛行姿態，三艙組合體飛行期間主要采用力矩平衡正向飛行姿態。對地定向飛行姿態由于推進劑消耗較大，主要在交會對接等特定任務中使用。在力矩平衡正向飛行姿態下，天宮空間站利用重力梯度力矩實現CMG角動量卸載，既可避免發動機噴氣帶來的姿控推進劑消耗，又可合理地規劃發動機使用策略，避免其壽命過度使用。

為了實現天宮空間站在軌長期運行，在天和核心艙配置了推進劑補加系統，接受由天舟貨運飛船所攜帶的推進劑。補加系統采用基于膜盒貯箱和增壓氣體復用的推進補加方案，配置了長壽命高可靠壓氣機，實現了增壓氣體的重復利用。在天和核心艙前、后向對接機構均配置了補加接口，保證了貨運飛船在天和核心艙前向對接口或后向對接口對接時均可為天宮空間站補加推進劑，提高了任務的可靠性。另外，當巡天空間望遠鏡等來訪飛行器在天和核心艙前向對接口停泊時，停泊在后向對接口的貨運飛船可過路天宮空間站為巡天空間望遠鏡和其他來訪飛行器跨艙提供推進劑補加。

此外，天宮空間站在天和核心艙上配置有的中功率(0.5～10 kW)霍爾電推進系統，作為化學推進系統的補充?；魻栯娡七M系統包括4臺80 mN霍爾推力器和2個貯氣模塊，推力器的工質為氙氣，貯氣模塊可通過機械臂在軌更換。這是國際上首次應用電推進系統用于輔助開展空間站的軌道維持，是天宮空間站在推進技術方面的一項重要創新(如圖4所示)。電推進系統可減緩空間站軌道衰減速度，還可為空間站節省化學推進劑，減輕了貨運飛船補給運輸的壓力。

圖4 電推進系統試車照片Fig.4 Test images of electric propulsion system

2.4.2 能源系統設計

為提升發電能力，天宮空間站配置了大面積柔性太陽翼作為發電設備，采用轉換效率30%的三結砷化鎵電池片以及先進的鋰離子蓄電池。天和核心艙太陽翼單翼展開長度12.6 m，采用單自由度驅動機構驅動(如圖5所示)。問天和夢天實驗艙太陽翼單翼展開長度27 m，陣面面積超過110 m2，采用雙自由度驅動機構驅動，太陽翼可在軌收攏和展開，支持在軌維修和更換。天宮空間站采用標準100 V母線體制，各艙之間通過并網統一供電，可向停靠的載人飛船和貨運飛船提供一定功率的電能。兩個實驗艙之間還可實現能源動態調配，為所需艙段的科學實驗載荷用電提供支持。

圖5 天和核心艙太陽翼在軌展開圖示(在軌任務圖片)Fig.5 On-orbit unfolding of solar arrays on Tianhe core module (on-orbit mission)

天宮空間站形成T字形三艙組合體后，天和核心艙太陽翼容易被實驗艙的艙體和太陽翼遮擋，發電效率降低。通過將天和核心艙太陽翼收攏、拆卸、轉移到兩個實驗艙尾部，可拓展整站的發電能力(如圖6所示)。該任務是在艙外兩個機械臂的組合使用下，通過多次航天員出艙活動完成的，將充分展現天宮空間站對于艙外大型設備轉移、再建的擴展能力。

圖6 天和核心艙太陽翼轉移安裝后構型Fig.6 Configuration after transfer and reinstallation of solar arrays of Tianhe core module

2.4.3 載人環境系統設計

天和核心艙與問天實驗艙均配備了全套再生生保系統和非再生生保系統，夢天實驗艙配備了簡化的非再生生保系統。核心艙再生式生保系統負責整站載人環境控制，非再生設備作為輔助；問天實驗艙再生生保系統作為載人環境控制的系統級備份。

天宮空間站再生生保系統采用物理化學再生方式[11]，包含了電解制氧、微量有害氣體去除、CO2去除、水處理、尿處理、CO2還原6個子系統。電解制氧系統提供航天員生活所必須的O2。CO2去除系統可將人體產生的CO2經可再生吸附劑吸附并利用艙外真空熱解吸[12]。針對不同的微量有害氣體，采用化學吸收、物理吸附、常溫催化氧化和高溫催化氧化等手段去除[13]；再生吸附裝置通過真空熱解吸將大部分微量有害氣體排到艙外，實現吸附劑再生。人體尿液經尿處理系統蒸餾后生成尿蒸餾水，再與艙內收集的冷凝水一同經水處理系統處置。水質可以滿足航天醫學飲用水要求和電解制氧用水要求。在空間站建造及運營階段，通過CO2還原系統，將從CO2去除系統中收集、濃縮后的CO2與電解制氧的副產物H2反應生成CH4和水，經水處理系統凈化后再用于補充航天員飲水，進一步提高生命保障系統的物質閉環程度，降低對在軌駐留消耗品的補給需求。經在軌數據綜合評估，艙內的氧氣和水基本實現了不依賴地面上行，極大地減輕了貨運飛船補給運輸的壓力。

2.4.4 機械臂系統設計

天宮空間站在天和核心艙配置1個7自由度大機械臂，作業半徑為10 m，最大負載25 t，在問天實驗艙配置1個7自由度小機械臂，作業半徑為5 m，最大負載3 t(如圖7所示)。兩個機械臂均配置了豐富的視覺測量、關節力矩、末端力傳感器，可獨立、組合或協同使用，完成艙段轉位、輔助航天員出艙、艙外貨物轉移、艙外載荷照料、懸停捕獲來訪飛行器等復雜在軌任務[14]。大機械臂主要負責大負載大范圍轉移，小機械臂主要負責小負載精細化操作，組合臂主要執行航天員或艙外載荷的大范圍操作任務。雙臂組合后作業半徑可達15 m。

圖7 天宮空間站機械臂(在軌任務圖片)Fig.7 Robotic arm of Tiangong space station (on-orbit mission)

大小機械臂均具有重定位能力，形象地說就是能頭尾互換地進行“爬行”。天宮空間站艙體表面安裝了多個機械臂適配器，在它們的配合幫助下兩根機械臂可以在艙體表面靈活移動，大大擴展了任務靈活性和活動范圍。

2.4.5 出艙活動設計

出艙活動是保障空間站長期可靠運行，完成艙外組裝建造和艙外作業，開展艙外載荷操作的必要手段。天和核心艙節點艙和問天實驗艙專用氣閘艙均支持航天員出艙活動。天和核心艙單艙飛行期間利用節點艙出艙；問天實驗艙對接后，使用專用氣閘艙出艙，節點艙作為備份，如圖8所示。此外，安裝在空間站艙外的設備(含艙外載荷)則通過夢天實驗艙貨物氣閘艙實現自動出艙，如圖9所示。該項功能有效的減少了航天員的出艙次數，提高了艙外作業效率，進一步保證了航天員的安全。

圖8 航天員出艙場景(在軌任務圖片)Fig.8 Scenario of crewmember exiting the module (on-orbit mission)

圖9 貨物專用氣閘艙圖示Fig.9 Special airlock module for cargo

2.4.6 組裝建造設計

天宮空間站的組裝建造任務主要由交會對接和艙段轉位實現。在空間站運營階段，通過航天員出艙活動，將天和核心艙太陽翼轉移至問天實驗艙和夢天實驗艙尾部桁架安裝，擴大空間站的發電能力。

1)交會對接

天和核心艙具備接納從8 t量級載人飛船到23 t量級實驗艙等多種飛行器交會對接的能力。交會對接方式包括前向、后向和徑向，對接軌道高度為393±10 km。根據來訪飛行器的不同任務特點，交會對接時長可持續1～5天不等。交會對接以自動控制模式為主，為提高飛行任務的可靠性，天和核心艙還配置了手控遙操作交會對接設備。在最后的平移靠攏段，核心艙內的航天員可通過觀測實時圖像操作控制手柄，對實驗艙、貨運飛船、巡天空間望遠鏡等飛行器進行遙控對接，如圖10所示。

圖10 天和核心艙與天舟貨運飛船手控遙操作對接在軌試驗(在軌任務圖片)Fig.10 Manual remote control docking test between Tianhe core module and Tianzhou cargo spaceship (on-orbit mission)

實驗艙采用了“n圈+6脈沖”的全相位快速交會對接方案，如圖11所示，在天地協同模式下，首次使用了通過地面制導軟件計算快交策略并注入執行的飛行控制策略。通過預留“n圈”的大相位追及圈次，可實現實驗艙對核心艙組合體360°全相位追蹤。問天實驗艙于2022年7月24日發射入軌后，自主實施6次快交脈沖后準確轉入自主控制階段，共計用時13 h完成與核心艙組合體交會對接，實現了世界首次23噸級追蹤飛行器的快速交會對接任務。實驗艙柔性太陽翼長27 m，采用二次展開方案，對接前展開約6.5 m，動力學特性滿足交會對接控制要求；對接后太陽翼全展開，動力學特性滿足天宮空間站長期在軌控制精度要求。該策略在夢天實驗艙飛行任務中再次得到應用驗證。

圖11 實驗艙快速交會對接策略圖示Fig.11 Fast rendezvous and docking scheme of experiment module

2)艙體轉位

通過艙段轉位技術，將問天實驗艙和夢天實驗艙轉位至節點艙側向停泊口，實現天宮空間站三艙組合體的組裝建造，如圖12所示。夢天實驗艙發射前，將問天實驗艙由節點艙前向對接口轉位至IV象限停泊口永久停泊。夢天實驗艙與核心艙對接后，將夢天實驗艙由節點艙前向對接口轉位至II象限停泊口永久停泊。問天實驗艙與夢天實驗艙分別于2022年9月30日和11月3日完成轉位任務，空間站T字基本構型建造完畢。

圖12 天宮空間站艙段轉位示意圖Fig.12 Schematic diagram of module transferring

天宮空間站艙段轉位任務以轉位機構轉位為主份，大機械臂轉位為備份。轉位機構轉位實驗艙期間，大機械臂在核心艙待命，通過臂上攝像機對轉位過稱進行全程監視，同時具備實時備份接手的條件。與和平號空間站采用“翻轉式”轉位模式不同，天宮空間站采用“平轉式”轉位方案，即實驗艙與核心艙始終處于一個平面內，如圖13所示。這種轉位模式既有利于實驗艙艙外天線和敏感器在不同飛行剖面中的統一化配置及綜合利用，也有利于空間站長期在軌飛行的測控覆蓋。為保證轉位過程整站姿態漂移小，轉位過程采用重力梯度被動穩定控制。

圖13 轉位機構轉位實驗艙全過程示意圖Fig.13 Whole process of experiment module transferring by transferring manipulator

3 技術特點及先進性

總體來看天宮空間站技術特點主要體現在設計理念先進、新技術比重大、建造費效比高、駐留安全高效等4個方面。

3.1 設計理念先進，系統架構優化

天宮空間站充分發揮了由我國一國獨立研制的優勢，在設計之初就高度重視系統層面的設計架構和技術體制，堅持“1+1+1=1”的設計理念，重點突出系統頂層設計，實現三艙間系統融合、接口匹配。在產品實現層面，各分系統采用相同的研制規范，統一制定了元器件選用要求、原材料選用要求、通用計算機選用要求等規范性技術文件。分系統針對三艙功能制定產品配套，產品通用化率大于80%。形成組合體后，原本獨立的三艙形成一個有機的整體，在天和核心艙的同一管理下，各艙段的控制系統、能源系統、信息系統、熱控及載人環境系統跨艙互聯，協同工作。例如，在艙段間進行千瓦級大功率供電調配的同時，將艙段間的熱控流體回路連通，實現千瓦級熱量的跨艙傳輸，均衡各艙段熱控輻射器的散熱能力。

同時，整站充分利用了快速發展的先進信息網絡技術，實現了艙段間資源的高效融合使用，提高了空間站整體能力和系統可靠性。例如，當天和核心艙的控制系統、能源系統、信息系統或載人環境系統出現異常且短時間內不可修復時，天宮空間站可自動將控制權切換至問天實驗艙，保證在軌任務可靠執行。此外，天宮空間站與神舟載人飛船和天舟貨運飛船的技術體系也保持一致，使得神舟載人飛船和天舟貨運飛船與天宮空間站對接后也能構成有機整體，參與組合體的管理。例如，天宮空間站的計算機可控制天舟貨運飛船的發動機進行組合體軌道和姿態控制，也可通過天舟貨運飛船的中繼天線下行百兆高速數據。天宮空間站既可對神舟載人飛船、天舟貨運飛船、巡天空間望遠鏡等來訪飛行器進行并網供電，也可接受天舟貨運飛船的反向供電支持。天宮空間站既可對神舟載人飛船提供熱支持，也可接受神舟飛船內的產品對其進行輔助除濕。

3.2 新技術比重大，智能化程度高

1)新技術應用

我國是在經過空間實驗室階段任務，突破了交會對接等關鍵技術的基礎上，經充分地面試驗驗證，引入新技術進行天宮空間站的組裝建造，走出了一條穩健的跨越式發展道路。新技術比重大是天宮空間站的顯著特征，其采用的空間機械臂技術、物化式再生生保技術、大面積柔性太陽翼技術等均為我國首次在軌應用的全新技術，應用難度大、研制風險高。

針對新技術應用帶來的在軌飛行任務風險，天宮空間站按照逐步開展、穩步推進的策略開展研制，逐級提高技術成熟度。在天和核心艙發射入軌后，專門設置了關鍵技術在軌驗證階段，為期約1年時間。在神舟載人飛船和天舟貨運飛船的配合下，利用天和核心艙對后續空間站組裝建造的關鍵技術進行全方位在軌驗證，特別是對存在較大天地差異、無法通過地面測試試驗全面驗證的關鍵技術進行在軌驗證。例如，通過核心艙太陽翼、大機械臂在軌測試驗證，為問天實驗艙所攜帶的實驗艙太陽翼、對日定向裝置、小機械臂等復雜產品的研制提供了充足的在軌數據支持，為后續在軌操作提供了詳實的測試方案、協同程序、飛控策略。

新技術比重大也是天宮空間站充分利用后發優勢實現新技術應用的具體體現。得益于近年來信息技術的飛速發展，天宮空間站充分利用先進信息網絡技術來提升平臺能力。基于我國第二代中繼衛星的天地鏈路傳輸速率達到1.2 Gbit/s，為“國際空間站”的2倍。通過高速以太網為科學實驗載荷直接提供服務系統，既能滿足載荷數據傳輸的高性能要求，又為地面技術向在軌航天器移植提供了極大的便利。

2)智能化水平

天宮空間站從設備及系統層面均體現了較高的智能化程度。例如，通過設置無線Wi-Fi網絡及語音圖像系統，航天員可使用智能手機、平板電腦對生活家居及在軌物資進行智能化管理。整站配置了壓力泄漏檢測系統，當密封艙失壓時自動報警，根據失壓等級提醒航天員采取堵漏、隔離等措施。當整站出現供電能力下降、推進劑泄漏、輻射器泄漏等緊急重大故障時，通過高性能計算機系統實現故障自主診斷，自動隔離危險源，進行安全性處置。

3)數字化建設

天宮空間站從方案設計階段開展，全面應用數字化技術，實現了三維設計、三維出圖、三維圖紙下廠、數字化制造、無紙化總裝和檢驗、數字化質量確認，實現了從產品設計到研制、驗收的全面數字化，大幅度提高了工作效率。

通過全面開展了數字仿真工作，研制人員針對天宮空間站的建模仿真技術取得了長足發展[15-16]。突破地面試驗條件限制，將數字仿真和物理試驗相結合，完成了空間站機械臂、柔性太陽翼、出艙活動任務、艙段轉位任務等地面驗證，利用單機物理試驗修正仿真模型，利用仿真模型實現系統級的任務仿真驗證。

基于MBSE技術建立了數字空間站，在飛行任務期間實時數據驅動伴飛，預測整站健康趨勢，并利用數字空間站對出艙活動、艙段轉位、組合體運行、機械臂操作等任務進行仿真驗證和專業技術支持。在工程總體協調和支持下，數字空間站功能將集合載人船、貨運飛船、空間應用系統的仿真模型，實現全功能數字空間站。

3.3 整站規模適度，建造費效比優

天宮空間站三艙質量約為69 t，雖然與123 t的和平號空間站、423 t的“國際空間站”相比，規模相對較小，但從建造成本和應用效益的角度綜合分析，這是一個符合中國國情和實際需要的理性選擇。天宮空間站通過整體統一優化設計，建成后在控制、信息、能源、資源再生利用、物資補給需求、運營成本、應用效益等方面均將達到當代國際先進水平，并在一些方面有所超越，在建造和運營上更為經濟合理。

1)發電效能高

天宮空間站能源系統在載荷支持功率和單位質量功率密度方面達到國際先進水平。“國際空間站”110 kW的發電功率中提供給應用載荷的功率為50 kW，占總功率的45%。天宮空間站供電指標為27 kW，提供給應用載荷的功率為17 kW，占總功率的63%。同時，天宮空間站功率質量比為0.41 kW/t，超過了國際空間站0.26 kW/t的功率質量比指標。

2)應用支持能力強

天宮空間站艙內試驗支持設施與國際空間站類似，采用標準化機、電、熱、信息保障條件，可開展航天醫學、生命與生物科學、空間材料科學、空間物理科學、以及航天新技術試驗[17-18]。天宮空間站共安裝實驗機柜25個，“國際空間站”安裝試驗機柜31個。天宮空間站以約“國際空間站”1/6的質量，提供了約4/5的實驗機柜數量，體現了很高應用支持效率[19-20]。

天宮空間站具有很強的艙外應用載荷支持能力。相比而言，和平號空間站未設置單獨的艙外試驗平臺，國際空間站在日本希望號實驗艙設置了艙外試驗平臺。在日本艙小機械臂的獨立支持下，支持12個艙外載荷的照料。天宮空間站則在問天實驗艙和夢天實驗艙分別設置了固定式和展開式暴露平臺(見圖14)，共計支持67個標準艙外載荷。通過雙臂與專用貨物氣閘艙相結合，天宮空間站對艙外載荷的操作效率極高。

總體而言，天宮空間站對載荷的支持能力不小于21噸，雖不及“國際空間站”約33.5 t，但載荷質量占比天宮空間站的高達30.6%，遠大于“國際空間站”7.93%的指標實現。

除了上述常規的應用支持能力外，天宮空間站還具備高水平的在軌服務能力，可支持未來有人參與的空間設施在軌組裝建造應用。另外，天宮空間站也可作為未來載人深空探測關鍵技術的先期驗證平臺，通過現有應用載荷支持設施或者擴展建設專用的支持設施，開展相關關鍵技術在軌驗證，有效降低載人深空探測任務實施技術風險。

圖14 固定式和展開式暴露平臺Fig.14 Fixed and deployable exposure platforms

3)建造方式多樣

國外空間站建造主要采取兩種方式：一是以和平號空間站為代表，由運載火箭將艙段送入軌道，各艙段直接交會對接和在軌轉位完成組裝，其建造過程簡單、成本較低；二是以“國際空間站”為代表，由航天飛機攜帶艙段入軌，大型機械臂與航天員出艙協作組裝，建造過程靈活，但成本和操作風險較高。天宮空間站建造方式則更為優化，綜合運用了上述兩種方式，可采用艙段直接交會對接和在軌轉位等方式完成艙段組裝，可采用機械臂對來訪飛行器懸停捕獲的方式進行擴展組裝，還可同時通過機械臂操作和航天員出艙活動，進行大型艙外設備，如柔性太陽翼、大型艙外載荷在艙段間的轉移及安裝。

4)補給需求適當

和平號空間站長期駐留3人，年均補給2艘載人飛船，4艘貨運飛船，物資總質量16 t?！皣H空間站”長期駐留6人，年均補給4艘載人飛船，8艘貨運飛船，補給物資質量約30～40 t[21]。天宮空間站運營期間將長期駐留3人，年均補給約2艘載人飛船和2艘貨運飛船，補給物資質量約12 t?？傮w看天宮空間站運行補給需求規模適中，與其整體規模和能力相適應，體現了較高的經濟性。此外，電推進系統在天宮空間站上的成功應用，也有利于降低長期運營期間對推進劑的補給需求。

3.4 堅持以人為本，駐留安全高效

天宮空間站研制堅持以人為本的理念：一方面確保航天員在軌駐留的安全舒適；另一方面注重支持航天員主觀能動性的有效發揮，充分體現人在空間站建造和運營中的獨特作用。

在駐留安全性方面天宮空間站結合多艙段多航天器特點，充分利用系統重構和冗余設計，按照“一重故障保證任務連續、二重故障保證在軌安全”的原則，確保航天員在軌安全。例如，除問天實驗艙配置的主份氣閘艙外，還將天和核心艙節點艙作為備份氣閘艙；在出艙過程中如果主份氣閘艙出現問題，航天員能通過節點艙進入艙內，保證出艙活動的安全可靠。

天宮空間站針對高效的人機協同模式開展了大量工作，例如在天和核心艙內配置了機械臂操作臺，可由航天員操控機械臂完成出艙活動作業點調整、在軌巡檢等任務。為了支持航天員進行設備在軌維修操作，一方面可維修更換的設備均根據工效學要求進行了專項設計，另一方面為航天員配置了功能完備的在軌維修工具，助力航天員高效完成維修任務。在支持航天員艙外活動方面，天宮空間站從通信、照明、圖像、助力設置、指示標識等方面進行了全方位的綜合優化設計，保障艙外活動的安全高效開展。

4 后續應用展望

天宮空間站完成三艙組裝建造后將在軌運營10年以上，成為有人參與的科學探索與技術創新國家級太空實驗室。下面從科學實驗與技術試驗、在軌服務、技術升級、擴展建造、國際合作等方面對天宮空間站的后續應用發展進行展望。

4.1 科學實驗與技術試驗

天宮空間站在軌運營期間將利用艙內外的實(試)驗支持設施持續滾動開展各類科學實驗和技術試驗，主要研究方向包括：航天醫學、空間生命科學與生物技術、空間天文與天體物理學、微重力流體物理與燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、空間地球科學及應用、空間環境與空間物理、航天新技術、天基信息技術、航天元器件與部件等[22-23]。天宮空間站可充分發揮平臺規模大、有人參與、能力可拓展、實(試)驗設施可升級、載荷可更換、實(試)驗項目可迭代的優勢不斷推動我國空間科學技術的創新發展。同時，通過空間科技成果的推廣應用與轉移轉化，輻射帶動相關產業的技術變革和升級，為國民經濟高質量發展和國家競爭力提升做出貢獻。為了在天宮空間站上有效開展在軌科學實驗和技術試驗，除了專業的航天員外，相關領域的載荷專家也將進駐天宮空間站，利用站上的實(試)驗設施開展科學技術研究。

4.2 在軌服務

天宮空間站可作為近地軌道在軌服務平臺，開展共軌飛行在軌服務、在軌設施建造服務等類型服務。

1)共軌飛行在服務

天宮空間站運營期間將發射巡天空間望遠鏡與空間站共軌飛行。巡天空間望遠鏡是我國第一個大口徑、大視場空間天文望遠鏡，用于巡天科學研究。巡天空間望遠鏡長期與天宮空間站共軌飛行，短期對接?？?，通過空間站對巡天空間望遠鏡進行推進劑補加和維護維修等在軌服務。天宮空間站與巡天空間望遠鏡組合體如圖15所示。這種長期共軌飛行、短期對接?？康脑谲壏者\行模式是天宮空間站在運行模式上的重要創新。除了巡天空間望遠鏡外，未來還將可能有更多的航天器與天宮空間站共軌飛行接受在軌服務，天宮空間站將逐漸發揮“太空母港”的重要作用[24]。

圖15 天宮空間站與巡天空間望遠鏡組合體Fig.15 Assembly of Tiangong space station and Xuntian space telescope

2)在軌設施建造服務

可考慮利用天宮空間站進行大型空間天線、大型空間望遠鏡等復雜設施的在軌組裝建造。這些設施目前主要采用發射后在軌展開的方式進行部署，主要存在兩方面問題：一是隨著尺寸的增大，展開機構越來越復雜，大大增加了在軌展開部署的風險；二是未來對相關設施的尺寸要求越來越大，發射后在軌展開的方式將失去技術可行性。利用天宮空間站進行相關設施的在軌建造可有效解決這兩方面問題；一方面針對展開風險的問題，由于空間站具備航天員在軌維修功能，建造過程中出現故障還可進行在軌維修補救，降低任務風險；另一方面空間站上微重力環境有利于超大尺寸設施的在軌制造，可有效解決發射過程對設施尺寸限制問題。

天宮空間站上的在軌設施建造服務可通過航天員出艙活動或借助已配置的大、小機械臂來實現，也可通過后續研發專門的空間智能機器人來進行操作。在大、小機械臂成功應用的基礎上，研發空間智能機器人，輔助或代替航天員開展艙外作業，是一條重要且必要的技術發展途徑。一種典型的空間智能機器人如圖16所示，由兩條靈巧機械臂、一條中型機械臂和軀干等組成。它可作為小機械臂末端的靈巧執行結構，或者單獨固定在空間站艙外，通過多臂協同完成高危險、長時間的設備照料和艙外巡視任務。

圖16 空間作業智能機器人Fig.16 Intelligent robot for space operation

此外還可考慮在天宮空間站上配置3D打印(見圖17)等手段，提供空間設施的在軌制造服務，進一步提升天宮空間站在軌設施建造服務能力。

圖17 我國新一代載人飛船試驗船上搭載的3D打印機Fig.17 3D printer equipped in test ship of new generation manned spaceship in China

4.3 在軌技術升級

由于天宮空間站的設備可在軌由航天員和機械臂進行維修維護，站上的軟件也可通過地面上行注入進行版本升級，因此天宮空間站在運營期間可不斷根據技術發展進行在軌技術升級，持續提升空間站平臺的技術水平。主要可考慮如下方面的技術升級。

1)艙外監視系統升級

在運營階段，可研制集照明云臺和高清攝像一體化的監視系統，充分利用艙外已預留的供電接口及5G Wi-Fi高速無線傳輸系統，逐步將艙外的照明、攝像系統進行升級、融合，實現全方位高清拍攝。

2)智能化技術升級

當前人工智能、大數據等先進信息化技術飛速發展，在天宮空間站十年以上的運營期間可充分利用相關技術對空間站進行智能化升級。例如：配置航天員智能助理，利用智能語音交互技術實現航天員與空間站的高效交互，為航天員提供在軌支持；對天宮空間站自主故障診斷與處置功能進行智能化升級，提升空間站在軌故障處置能力；配置艙內潔凈機器人，輔助航天員進行艙內的清潔工作，減少航天員用于艙內清潔的時間。

3)機械臂技術升級

為提升空間站機械臂的在軌操作能力，運營階段可考慮對配置的兩根機械臂的軟硬件進行技術升級。在硬件升級方面可考慮通過更換計算性能更高的控制計算機，提升機械臂的信息處理能力，以及更換更先進的臂上相機，提升機械臂的視覺感知能力，或者在機械臂末端安裝專用工具，實現更加多元化的操作。在軟件方面可考慮通過控制軟件在軌注入升級，提升任務執行的自主能力和安全保障能力。

4.4 在軌擴展建造

天宮空間站建造完成后將在軌運營10年以上，具備良好的艙段擴展和應用支持擴展能力，可根據空間科學技術研究、空間應用和國際合作的需要，進行靈活地擴展。天宮空間站在設計階段即對未來的擴展方案進行了統籌考慮。在現有三艙構型基礎上，預留了機、電、熱等擴展接口，具備擴展為四艙組合體的能力，擴展艙永久停泊于天和核心艙的前向停泊口，天舟貨運飛船?？坑谔旌秃诵呐摵笙驅涌冢裰圯d人飛船停靠于擴展艙的前向對接口。四艙組合體形成后，可通過進一步發射后續擴展艙段，形成180 t級的六艙組合體，如圖18所示。

圖18 天宮空間站擴展組合體構型示意圖Fig.18 Configuration diagram of expanded assembly of Tiangong space station

可展開式充氣密封艙可作為近地空間站擴展密封艙體[25]，也可作為未來太空移民的居住艙，還可支持太空駐留與旅游等商業航天項目。

此外，天和核心艙在艙外預留了2個大型載荷掛點的擴展接口，支持在軌擴展安裝大型載荷。問天實驗艙艙外預留1個大型載荷掛點接口和1個擴展載荷試驗平臺接口，一方面支持大型載荷的在軌安裝，另一方面可掛接擴展式暴露平臺，進一步安裝艙外載荷。

在擴展建造方式方面，擴展艙段一般應具備獨立飛行以及與天宮空間站交會對接的能力，擴展暴露平臺等其他擴展設施則可通過半開放或全開放式天舟貨運飛船上行安裝。天宮空間站配置的機械臂也為擴展建造提供了有利條件，可實現擴展艙段、擴展暴露載荷平臺等擴展設施的靈活轉移和組裝。

4.5 國際合作

作為國家級太空實驗室和國際科技合作交流平臺，本著“和平利用、共同發展、互利互惠”的原則，天宮空間站可為世界各國提供科學實驗平臺，為各國航天員或載荷提供在軌飛行機會。天宮空間站的國際合作模式可分為三個層次。

1)有效載荷合作

如本文4.1節所述，天宮空間站對有效載荷提供了標準化及專用化資源。凡是符合約定統一的機、電、熱、機械臂接口條件的有效載荷，都可以在天宮空間站內開展應用。這是國際合作的第一個層面，可合作的有效載荷包括如下三個模式：

(1)獨立研制或與我國聯合研制的實(試)驗裝置，安裝在密封艙機柜中運行；

(2)獨立研制或與我國聯合研制的實驗方案(含實驗樣品、實驗單元或實驗設計)，安裝在密封艙機柜中由我國已研制的實驗裝置內運行；

(3)獨立研制或與我國聯合研制的艙外載荷，安裝在艙外預留的載荷適配器上運行。

2)航天技術合作

天宮空間站作為長期在軌運行的載人航天器，對于帶動并發展后續的航天技術，可起到良好的試驗平臺作用。通過國際合作，可期望在如下技術方面有所實質性的突破。這是國際合作的第二個層次。

(1)新一代再生生保技術；

(2)長期在軌駐留醫學防護技術；

(3)空間機器臂、空間機器人技術；

(4)空間非合作交會對接技術；

(5)空間碎片監測、減緩和防護技術；

(6)新型輕量化、高強度結構技術。

3)艙段級合作

國際合作的第三個層次是大型艙段級合作，共同對天宮空間站進行擴展。該層次的合作可包含如下模式。

(1)研制擴展實驗艙，與天宮空間站對接，對空間站的基本功能及載荷支持能力進行擴展；

(2)研制多功能節點艙，與天宮空間站對接，該節點艙可進一步預留穹頂艙或其他密封艙的對接接口；

(3)研制可展開式充氣密封艙，由開放式貨運飛船攜帶上行，通過機械臂安裝在天宮空間站上，在軌展開；

(4)研制自由往返飛行器進行在軌技術試驗，可在天宮空間站臨時?？?，利用空間站資源進行維修維護或資源補給。

5 結束語

天宮空間站充分繼承了我國載人航天工程前期的研制技術基礎，汲取了國際上已服役空間站的經驗教訓，立足我國基本國情并完成獨立創新的跨越式發展。天宮空間站注重系統級設計及優化，創新性地采用當代先進技術提升整體性能，有利于航天員能動性的充分發揮，具有突出的中國元素和核心內涵。天宮空間站注重應用效益，規模適度且留有發展空間，可為后續國家重大任務和國際合作提供優良的服務平臺。目前，天宮空間站三艙基本構型已在軌組裝建造完畢。未來天宮空間站作為我國國家級太空實驗室將在軌長期運行，持續開展科學技術研究和在軌服務，并進行技術升級與擴展建造，為人類太空探索和科技發展貢獻中國力量。

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