“天宮”運(yùn)行常態(tài)化，巡天前景更廣闊

2022年，我國(guó)圓滿完成了載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略任務(wù)，全面建成了中國(guó)第一座空間站“天宮”，取得了舉世矚目的航天成就。從今年起，我國(guó)“天宮”空間站正式進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，中國(guó)航天員將進(jìn)行常態(tài)化值守。據(jù)悉，執(zhí)行2023年載人航天飛行任務(wù)的兩個(gè)乘組已完成選拔，其中首次上天的第三批航天員包括工程師、科學(xué)家，令人期待。今天我們就來(lái)盤點(diǎn)一下中國(guó)空間站的發(fā)展亮點(diǎn)與成就，并展望未來(lái)的巡天科學(xué)研究前景。

中國(guó)原創(chuàng) 自主構(gòu)型技術(shù)更利于姿態(tài)控制

科學(xué)家利用空間站體積大、功能強(qiáng)、壽命長(zhǎng)和能長(zhǎng)期有人照料等特點(diǎn)，可以進(jìn)行許多地面上難以開(kāi)展的科學(xué)技術(shù)研究，產(chǎn)生顯著的多種效益。為此，我國(guó)于1992年開(kāi)始實(shí)施載人航天工程，并在陸續(xù)掌握了載人飛船、太空行走、交會(huì)對(duì)接、貨運(yùn)飛船等關(guān)鍵技術(shù)后，開(kāi)始建造國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室——空間站。

(相關(guān)資料圖)

2010年9月25日，中央批準(zhǔn)研制由13個(gè)系統(tǒng)組成的中國(guó)首座近地軌道載人空間站，意在使我國(guó)成為獨(dú)立掌握近地空間長(zhǎng)期載人飛行技術(shù)，具備長(zhǎng)期開(kāi)展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)和綜合開(kāi)發(fā)利用太空資源能力的國(guó)家。經(jīng)過(guò)12年的奮斗，我國(guó)終于在2022年底實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)。

我國(guó)第一座空間站的建造沒(méi)有走美國(guó)和蘇聯(lián)先建造單艙式，再建造多艙式空間站的老路，而是直接建造采用積木式構(gòu)型的多艙式空間站，并且達(dá)到了世界先進(jìn)水平，還實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品、原材料全部國(guó)產(chǎn)化，關(guān)鍵核心元器件100%自主可控。

這一“空間科技大廈”以“天和”核心艙、“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙三艙對(duì)接為基本構(gòu)型。每個(gè)艙的質(zhì)量都為20噸級(jí)，它們依次發(fā)射后，通過(guò)在軌交會(huì)對(duì)接和轉(zhuǎn)位，形成水平對(duì)稱的“T”字構(gòu)型，即“天和”核心艙居中，“問(wèn)天”艙和“夢(mèng)天”艙對(duì)接于兩側(cè)。

據(jù)空間站系統(tǒng)總指揮王翔介紹，采用這種構(gòu)型能節(jié)省空間站姿態(tài)控制所需的能量。因?yàn)閺脑砩现v，為使航天器易于運(yùn)動(dòng)控制，航天器構(gòu)型應(yīng)保證主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布盡量對(duì)稱、緊湊，使航天器的質(zhì)心居中。俄羅斯和平號(hào)空間站就曾因?qū)恿硕鄠€(gè)實(shí)驗(yàn)艙后不對(duì)稱了，導(dǎo)致消耗了較多能量進(jìn)行姿態(tài)控制。

總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)空間站建造和運(yùn)行分為3個(gè)階段：2021年為關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，先后發(fā)射了“天和”核心艙和“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船各兩艘；2022年為在軌建造階段，先后發(fā)射了“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙以及“天舟”貨運(yùn)飛船、“神舟”載人飛船各兩艘，使航天員的活動(dòng)空間達(dá)到110立方米；從今年起，我國(guó)空間站進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段，航天員采用乘組輪換方式，連續(xù)不間斷訪問(wèn)、照料空間站，開(kāi)展為期至少10年的空間科學(xué)研究、航天技術(shù)試驗(yàn)等空間站應(yīng)用活動(dòng)。

核心之艙 多項(xiàng)創(chuàng)新大幅提高空間站效能

2021年4月29日發(fā)射的“天和”核心艙為航天員提供了50立方米的活動(dòng)空間。該艙段用于統(tǒng)一管理和控制空間站組合體，支持實(shí)驗(yàn)艙、載人飛船和貨運(yùn)飛船等飛行器與其交會(huì)對(duì)接和在軌組裝；提供3名航天員長(zhǎng)期生活和工作的場(chǎng)所，同時(shí)支持部分學(xué)科的艙內(nèi)外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)；配置了大型機(jī)械臂和備份氣閘艙。它可安裝4臺(tái)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，當(dāng)初發(fā)射時(shí)裝了3臺(tái)，并已取得科研成就。

“天和”核心艙由節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙、后端通道和資源艙組成。

節(jié)點(diǎn)艙有3個(gè)對(duì)接口和2個(gè)停泊口。其中，前向接口與生活控制艙相連，左右兩個(gè)方向?qū)ｉT用于“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的停泊，軸向和對(duì)地向?qū)涌谟糜谳d人飛船的對(duì)接，對(duì)天向?qū)涌谟糜诤教靻T早期出艙，是備用氣閘艙出艙口。

生活控制艙分為小柱段和大柱段。小柱段有3個(gè)臥室和1個(gè)衛(wèi)生間，大柱段是乘組工作、控制、鍛煉和休閑的地方。艙內(nèi)有空間站統(tǒng)一控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)等。在密封的生活控制艙內(nèi)，配置了工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)6個(gè)區(qū)域。

資源艙是非密封艙，為空間站提供電力、推進(jìn)燃料等必需資源。末端對(duì)接口用于對(duì)接“天舟”貨運(yùn)飛船，接收來(lái)自地面的物資。

“天和”核心艙的姿態(tài)控制采用先進(jìn)的6個(gè)力矩陀螺方式，即通過(guò)改變角動(dòng)量方向來(lái)產(chǎn)生控制力矩，其優(yōu)點(diǎn)是精度和可靠性很高。核心艙還采用了不少新技術(shù)，尤其是下面4項(xiàng)創(chuàng)新，大大提高了我國(guó)空間站的效能。

其一，在核心艙配置了一部承載力達(dá)25噸的10米長(zhǎng)“七個(gè)自由度大型空間機(jī)械臂”，可在艙體表面爬行移動(dòng)。無(wú)論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動(dòng)，還是航天員自身移動(dòng)，都可用該機(jī)械臂完成，在航天員的協(xié)同下，也能完成復(fù)雜的艙外作業(yè)活動(dòng)。

其二，為了降低成本，核心艙采用了先進(jìn)的再生式生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會(huì)通過(guò)冷凝水方式回收，排泄的尿液也通過(guò)先進(jìn)設(shè)備回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。電解制氧時(shí)產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，這可進(jìn)一步降低氧氣的補(bǔ)給需求。實(shí)踐表明，核心艙上水的回收效率優(yōu)于95%，水的利用效率優(yōu)于83%。

其三，核心艙首次采用了一對(duì)大面積可展收柔性太陽(yáng)翼，它集合了大面積輕量化、重復(fù)展收高可靠、低軌10年在軌長(zhǎng)壽命、剛?cè)岵?jì)高承載這四大全新技術(shù)。其單翼展開(kāi)長(zhǎng)度達(dá)12.6米，雙翼展開(kāi)面積可達(dá)134平方米。與傳統(tǒng)剛性、半剛性的太陽(yáng)翼相比，柔性翼體積小、展開(kāi)面積大、功率重量比高，其全部收攏后僅為剛性太陽(yáng)翼體積的1/15。

其四，核心艙除了配備常規(guī)的化學(xué)能軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)外，還額外配置了4臺(tái)大功率霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其效率比化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)高幾倍，因而可有效節(jié)省核心艙自帶推進(jìn)劑的消耗，減少用貨運(yùn)飛船為空間站補(bǔ)給燃料的壓力，使我國(guó)空間站只需2年發(fā)射3艘“天舟”貨運(yùn)飛船即可。當(dāng)然，這也與“天舟”運(yùn)載能力大有關(guān)。

一專多能“問(wèn)天”還有隱藏任務(wù)

2022年發(fā)射的“問(wèn)天”和“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙都能單獨(dú)飛行。它們與核心艙對(duì)接后可對(duì)核心艙功能予以備份和增強(qiáng)，主要用于空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和航天技術(shù)試驗(yàn)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙共裝有4個(gè)（2對(duì)）柔性太陽(yáng)翼，且比核心艙上的太陽(yáng)翼更大，每個(gè)單翼翼展長(zhǎng)20多米，采用“三結(jié)砷化鎵電池”，光電轉(zhuǎn)換效率可在30%以上。它們使空間站總發(fā)電功率初期為72千瓦，末期為27千瓦，從而能規(guī)避蘇聯(lián)建造的世界首座積木式空間站和平號(hào)因電源不足帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙于2022年7月24日升空，是我國(guó)空間站的首個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。工作艙內(nèi)設(shè)有3個(gè)臥室、1個(gè)衛(wèi)生間和多個(gè)實(shí)驗(yàn)柜；氣閘艙用于航天員出艙；資源艙裝有大量燃料、姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)和大型柔性太陽(yáng)翼。

我國(guó)之所以先發(fā)射“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙，再發(fā)射“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙與“天和”核心艙對(duì)接，是因?yàn)椤皢?wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙是一個(gè)“多面手”。

一是“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙也像“天和”核心艙一樣具有空間站組合體統(tǒng)一管理和控制能力。所以，萬(wàn)一核心艙發(fā)生某些故障，還可用“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙控制整個(gè)空間站組合體，從而提高空間站整體設(shè)計(jì)的可靠性。

二是“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙像“天和”核心艙一樣有3個(gè)臥室，它與核心艙對(duì)接后，空間站就可滿足兩個(gè)航天員乘組共6人短期同時(shí)在軌生活、工作和交接班的需求。

三是“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙有更寬敞、更舒適、更安全的專用人員氣閘艙，可支持航天員更方便地出艙活動(dòng)，保證他們的安全。從神舟14號(hào)乘組起，航天員都是從這個(gè)主份氣閘艙出艙。該氣閘艙外方內(nèi)圓，目的是在其看上去像方形的外殼上安裝艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配置22個(gè)標(biāo)準(zhǔn)載荷接口。

四是“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙的氣閘艙外配置了1個(gè)承載力為3噸的5米長(zhǎng)小型機(jī)械臂，它可以爬行，也能與核心艙的大型機(jī)械臂組合成15米長(zhǎng)的更大機(jī)械臂。其位置精度優(yōu)于大型機(jī)械臂5倍，姿態(tài)精度優(yōu)于大型機(jī)械臂2倍，適用于完成精度要求更高的各類載荷和平臺(tái)設(shè)備的艙外安裝、維護(hù)和照料等。

“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙主要用于開(kāi)展空間生命科學(xué)研究，可以裝8臺(tái)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，發(fā)射時(shí)帶上去4臺(tái)，已陸續(xù)投入使用。

科研工場(chǎng)“夢(mèng)天”專職空間科研

2022年10月31日升空的“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙和“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙的構(gòu)型差不多，由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙4個(gè)艙段組成，可開(kāi)展更大規(guī)模的空間研究實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)試驗(yàn)，是空間科研與應(yīng)用的“夢(mèng)工場(chǎng)”。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的工作艙是航天員工作與鍛煉的地方，裝有較多科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和鍛煉設(shè)備。

載荷艙與貨物氣閘艙則是以類似套娃的“雙艙嵌套”形式與工作艙相連，即在載荷艙內(nèi)部隱藏1個(gè)貨物氣閘艙，以減少氣體泄漏。其中，載荷艙配置2個(gè)展開(kāi)式暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和1個(gè)固定式艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它們可提供24個(gè)艙外標(biāo)準(zhǔn)載荷工位。貨物氣閘艙是貨物出艙的專用通道，是迄今世界最大的貨物氣閘艙，可支持運(yùn)送的貨物尺寸是1.15米×1.2米×0.9米。

資源艙配置有大型柔性太陽(yáng)翼和雙自由度對(duì)日定向裝置，它可根據(jù)空間站在軌運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和太陽(yáng)的角度，讓太陽(yáng)翼繞著實(shí)驗(yàn)艙軸和太陽(yáng)電池翼軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙是我國(guó)“天宮”空間站3個(gè)艙中支持載荷能力最強(qiáng)的艙段，可裝13個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，發(fā)射時(shí)已裝了9個(gè)，艙外配置有37個(gè)載荷安裝工位，能為各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷提供機(jī)、電、信息方面的能力支持。其特點(diǎn)如下：

一是“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙是航天員開(kāi)展科研工作的地方，所以沒(méi)有配置臥室、衛(wèi)生間以及小型機(jī)械臂，以便多裝科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜；

二是“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，因此裝有高精度時(shí)頻、高溫材料、流體物理、燃燒等科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和航天基礎(chǔ)試驗(yàn)機(jī)柜；

三是“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙最大的特點(diǎn)是有一個(gè)貨物氣閘艙，其內(nèi)部有一臺(tái)載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，使貨物能自動(dòng)出艙，這不僅使貨物出艙能力得到了大幅提升，還可為在軌工作生活的航天員“減負(fù)”，現(xiàn)已投入使用；

四是“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙專門配置了微小飛行器在軌釋放機(jī)構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂的配合下，能夠滿足百千克級(jí)微小飛行器或者多個(gè)規(guī)格立方星（有廣泛用途的一種小衛(wèi)星）的在軌釋放需求。

“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙還搭載了一些重要先進(jìn)裝置和設(shè)備。例如，空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置、X射線透射成像系統(tǒng)、高溫爐及批量樣品管理系統(tǒng)等。

前景廣闊

空間站構(gòu)型有望由“T”擴(kuò)為“干”

“天宮”空間站具有鮮明的中國(guó)特色和時(shí)代特征，采用轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂結(jié)合，進(jìn)行艙段轉(zhuǎn)移、對(duì)接，在航天員和機(jī)械臂的協(xié)同下，可以完成復(fù)雜艙外建造和操作活動(dòng)。神舟12號(hào)-15號(hào)乘組已通過(guò)主份和備份氣閘艙以及大小機(jī)械臂成功完成了多次太空行走任務(wù)。

作為國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，“天宮”空間站的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是能提供長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的微重力、強(qiáng)輻射、高潔凈、高遠(yuǎn)位置等環(huán)境，有希望發(fā)現(xiàn)被重力或大氣層掩蓋的物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律和宇宙真相。目前，我國(guó)空間站艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜已達(dá)16臺(tái)，它最多可布設(shè)25個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，其艙外共布設(shè)了67個(gè)標(biāo)準(zhǔn)暴露載荷接口。我國(guó)可利用空間站支持能力、微重力和輻射環(huán)境、航天員較長(zhǎng)在軌駐留、天地往返等有利條件，在航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間科學(xué)研究與應(yīng)用和航天技術(shù)試驗(yàn)等領(lǐng)域展開(kāi)上千項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

目前，我國(guó)航天員已在空間站內(nèi)取得多項(xiàng)科研成就。比如，神舟15號(hào)航天員近日使用由我國(guó)自主研制的空間站雙光子顯微鏡開(kāi)展了在軌驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)任務(wù)并取得成功。這是目前已知的世界首次在航天飛行過(guò)程中，使用雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚表皮及真皮淺層的三維圖像，為未來(lái)開(kāi)展航天員在軌健康監(jiān)測(cè)研究提供了全新工具。

我國(guó)空間站不貪大求全，規(guī)模適度，是符合中國(guó)國(guó)情和實(shí)際需要的理性選擇。其特點(diǎn)是起點(diǎn)高、效益高、技術(shù)新、保障強(qiáng)。據(jù)中國(guó)空間站總設(shè)計(jì)師楊宏院士介紹，與“國(guó)際空間站”相比，我國(guó)空間站規(guī)模雖然相對(duì)較小，但從建造成本和應(yīng)用效益的角度綜合分析，其載荷支持效率更高。另外，我國(guó)空間站也可以根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展，再對(duì)接一個(gè)核心艙加兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，由“T”字構(gòu)型擴(kuò)展成“干”字構(gòu)型，從而使活動(dòng)空間增加一倍。它還是世界第一個(gè)太空“母港”，可以在軌維修共軌飛行的其它航天器。

中國(guó)載人航天“三步走”計(jì)劃完成后，航天員和科學(xué)家在太空的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)將會(huì)實(shí)現(xiàn)常態(tài)化，“天宮”有望取得有重大科學(xué)價(jià)值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。今年，我國(guó)載人登月階段的各項(xiàng)研制建設(shè)工作將全面實(shí)施；明年，我國(guó)還將發(fā)射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”光學(xué)艙（即“巡天”空間望遠(yuǎn)鏡），其分辨率與美國(guó)“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”相當(dāng)，但視場(chǎng)角是后者的300多倍，可在大范圍巡天科學(xué)研究方面顯身手。由此可見(jiàn)，中國(guó)載人航天事業(yè)前景廣闊。

（龐之浩??作者為全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）

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