中國太空實驗室

龍學鋒

2021年4月29日，中國空間站天和核心艙從文昌航天發射場啟程，由長征五號B遙二運載火箭成功送入地球軌道，這意味著中國空間站建造進入實質性“施工”階段。2022年6月5日，神舟十四號載人飛船發射成功，約7小時后成功對接天和核心艙。2022年7月、10月，我國陸續發射“問天”和“夢天”兩個實驗艙，與天和核心艙對接，進行艙段轉位，并在2022年底前完成空間站三艙組合體建造，最終完成空間站在軌建造，建成國家太空實驗室。中國空間站為何選擇三艙結構？太空實驗室什么樣？太空實驗室將進行哪些研究？

中國空間站為什么選擇三艙結構

“三艙”主要包括天和核心艙及問天、夢天兩個實驗艙。核心艙作為空間站的主控艙段，既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活的主要場所。為什么要建兩個實驗室呢？在太空中開展的科學實驗，大多數是在密封的條件下進行的，但也有一些需要在暴露條件下進行，如對空間環境進行監測等。因此，一個實驗艙顯然無法滿足相關科學實驗的要求。在問天實驗艙和夢天實驗艙先后就位，并與天和核心艙形成組合體后，中國空間站的功能將會變得愈發完善、強大。

問天、夢天實驗艙與天和核心艙“三艙合體”后，將呈T字形結構。這是因為T字形具有結構緊湊、便于管理、便于控制和便于擴大規模的特點。設想一下，如果“三艙合體”采用一字“長蛇陣”的形式，從一端到另一端，長度接近50米，不僅結構不穩定，而且航天員出艙活動也很不方便。此外，T字形結構對于從整體上控制空間站的平衡也有好處。如果將來要擴大空間站的規模，從預留的對接口加一個艙段也很方便。

太空實驗室什么樣

天和核心艙全長約16.6米，最大直徑約4.2米，發射質量為22.5噸。核心艙帶有一個大型機械臂，其前方較為細長的部分是節點艙，尾部可以連接貨運飛船，節點艙的前部有一個轉位基座，可以連接載人飛船、兩個實驗艙，還有一個對天方向的出艙口，用于航天員出艙活動。作為空間站的主控艙段，天和核心艙是管理和控制中心，它要負責整個空間站的電源電路、環境控制、生命保障功能，包括氣體壓力、成分、溫度、濕度的調節，水的回收管理，微生物控制和廢棄物管理等，以滿足航天員長期在太空飛行的生活需求。

問天實驗艙的最大直徑和天和核心艙一樣，都是4.2米，全長17.9米，豎起來將近有6層樓高，超過天和核心艙及國際空間站上的任何一個艙段。它主要用于備份天和核心艙的部分平臺功能，存放航天員的消耗品、空間站備品備件和補給貨物等。問天實驗艙配置了與核心艙一樣的航天員生活設施，這里包括3個睡眠區、1個衛生區和廚房等設施，可以保障航天員生活所需。它還可以與核心艙一起支持兩艘載人飛船輪換期間6名航天員的生活。另外，問天實驗艙還配置了一個小型機械臂，既可以單獨使用，也可以跟核心艙的大機械臂組合使用，共同完成航天員的出艙、艙外設施照料、巡檢等任務。問天實驗艙還配置了航天員出艙氣閘艙，在空間站建成以后，這個氣閘艙將作為航天員主用出艙活動的氣閘艙。這時候，核心艙的節點艙只是作為備份。問天實驗艙還是核心艙備份艙，當核心艙平臺的功能出現故障時，可以切換至問天實驗艙行使對于組合體的控制和管理功能，這樣可以從整體上提高空間站的可靠性。

夢天實驗艙的尺寸與問天實驗艙的尺寸不相上下，其最大的不同之處在于配備了一個貨物專用氣閘艙。這個氣閘艙能夠在航天員和機械臂的配合下，實現設備的自動進出艙，并且更傾向于服務貨物往來。夢天實驗艙不僅配置了一個貨物專用氣閘艙，而且配備有一個艙外展開實驗平臺。今后需要在艙外安裝的科學實驗設備，可以通過貨運飛船運送到空間站，再通過貨物氣閘艙把載荷送到艙外，由機械臂或者航天員把它安裝到艙外的平臺上，這樣可以實現艙外實驗項目不斷更新。

太空實驗室將做哪些科學研究

空間站建造完成后，兩個實驗艙將是在軌航天員主要的工作場所。在這兩個實驗艙里都可以開展密封艙內和密封艙外的空間科學實驗與技術試驗。因為它們都配置了艙內載荷實驗機柜以及艙外載荷安裝平臺，也能提供信息、供電和散熱等支持與保障措施，可以開展空間科學、空間材料、空間醫學以及空間探測等多個領域的實驗。

問天實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態、生物技術和變重力科學等實驗柜，能夠支持開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的生長、發育、遺傳、衰老等響應機理研究以及密閉生態系統的實驗研究，并通過可見光、熒光、顯微成像等多種在線檢測手段，支持分子、細胞、組織、器官等多層次生物實驗研究，還能提供0.01～2g的變重力模擬，支持開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究。

夢天實驗艙主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學、燃燒科學、基礎物理以及航天技術試驗等多學科方向的實驗柜，支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究。同時，在天宮二號空間冷原子鐘的基礎上，將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構成在太空中頻率穩定度和準確度最高的時間頻率系統，開展引力紅移、精細結構常數測量等前沿科學研究。此外，還在艙外安排了材料艙外暴露實驗裝置和元器件與組件艙外通用實驗裝置，用于開展艙外實驗項目。后續還將發射與空間站共軌飛行的巡天空間望遠鏡研究設施，開展廣域巡天觀測。針對上述艙內科學實驗機柜、艙外實驗裝置和巡天空間望遠鏡，在空間站建造階段，共安排了近百項實驗研究項目。后續轉入常態化運營后，還將實施較大規模科學研究，預期將有力推動暗物質與暗能量、星系形成演化、物質本質規律、生命現象本質和人在太空的響應變化規律以及地球可持續發展等重大前沿科學問題的突破，為未來我國開展近地以遠的載人空間探索提供深厚的科學和技術積累。

中國空間站有哪些新技術

亮點一：7個自由度大型空間機械臂

機械臂是空間站的一大創新，除了能夠輔助航天員出艙執行任務之外，還能夠幫助重量級艙段實行對接和轉位，比如中國空間站上重量只有幾百千克的機械艙能夠舉起重達25噸的艙段，簡直不可思議。雖然美國、日本等國家在國際空間站上也都擁有自己的機械臂，但中國空間站機械臂的設計理念更為先進。最突出的地方就是中國空間站的機械臂有7個自由度，包括肩部3個自由度、腕部3個自由度和肘部1個自由度，全部伸長可達10米，這種特殊的組成結構使機械臂擁有了3個方位移動方式，能像人類手腕一樣靈活地運動。此外，中國空間站的機械臂可以在多個自由度內進行爬行，能在一定程度上減少對機械臂長度的依賴性—就算機械臂長度有限，也能在轉位的情況下充分發揮作用。

亮點二：再生式生命保障系統

我們知道，航天員在空間站的中生活成本很高，為了降低成本，同時也為保證航天員能在空間站內長期駐留，中國空間站在設計之初，就為其量身打造了一套再生式生命保障系統。不管是航天員呼出的水蒸氣，還是排出的尿液，都可以通過這個系統進行回收，并最終又變成航天員的生活用水或飲用水。另外，在太空失重環境下，這個系統不僅可以實現水資源的再生，還能為其稱重，測出物體的質量。在生活控制區內有一臺經過改良的“太空體重秤”，航天員不僅可以測出自己在空間站中的體重變化，也可以測量其他物體的質量。中國是繼俄羅斯、美國之后第三個掌握在太空中測出物體質量的國家。

亮點三：馬力十足+天眼神望

中國空間站首次采用了LHT-100型霍爾電推發動機，其使用效率比化學能發動機高出幾倍。它最大的優點是只需耗費極少的燃料，就能達到巨大的推動效果，這種新型的推動方式必定在未來的太空中成為主流。另外，中國空間站的太陽能帆板面積雖然沒有國際空間站那么龐大，但其對太陽能的利用率是國際空間站的兩倍。我國的太陽能柔性電池翼采用了更為先進的砷化鎵材料，轉化率可達到30%，發電功率可以達到100千瓦以上，而國際空間站對太陽能的轉化率只能達到15%，發電功率為90千瓦左右。再者，中國空間站建成之后，我國還將發射一艘巡天號光學艙，搭載一架巡天望遠鏡前往太空。屆時，這個光學艙將會圍繞中國空間站飛行，它被稱為中國空間站的首顆伴飛衛星。其所搭載的巡天望遠鏡的口徑為兩米，重達10多噸，其分辨率和美國最先進的WFIRST望遠鏡相差無幾，而視場要比哈勃望遠鏡高300倍以上，也就是說，到時我們可以觀測到更大范圍的宇宙，可以對宇宙中的黑洞、白洞、行星演變等現象進行更加深入的研究。