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北京呼風(fēng)喚雨文化傳媒有限公司

6月16日上午，中國載人航天工程辦公室在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心舉行新聞發(fā)布會，宣布將在北京時間6月17日9時22分發(fā)射神舟十二號載人飛船。

同時，即將搭乘神舟十二號載人飛船進入中國空間站核心艙的三名中國航天員也在發(fā)布會上揭曉，分別為：曾于2005年和2013年兩度進入太空的中國航天員大隊特級航天員聶海勝、曾于2008年進入太空的中國航天員大隊特級航天員劉伯明、“新人”湯洪波。按計劃，他們將天上駐留長達三個月。

2021年4月29日，中國空間站核心艙“天和”號發(fā)射升空，并順利入軌，中國空間站建設(shè)的大幕就此開啟。

5月29日，天舟二號貨運飛船發(fā)射成功，30日5時完成快速對接，靜等神舟十二號載人飛船的到來。

中國空間站的基本構(gòu)型

我國航天進入“空間站時代”

中國載人航天基本上從1992年起步。

1992年9月中央決策實施載人航天工程并確定了我國載人航天“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略：

第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程并開展空間應(yīng)用實驗，這一步在“神舟”五號成功返回后已經(jīng)順利完成；

第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、載人航天器的交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的短期有人照料的空間應(yīng)用問題，這一步在2019年7月“天宮”二號順利完成任務(wù)后也已結(jié)束；

第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

這次長征五號B運載火箭，將空間站核心艙“天和”號發(fā)射入軌，拉開了我國載人航天工程“第三步”任務(wù)的序幕。

從此，我國航天進入了“空間站時代”。

空間站工程是迄今為止我國最復(fù)雜的航天系統(tǒng)工程。我國空間站的發(fā)展分成技術(shù)驗證、組裝和運行等三個階段。根據(jù)任務(wù)安排，后續(xù)將實施一系列飛行任務(wù)，于2022年前后建成在軌穩(wěn)定運行的空間站。

中國載人航天工程總設(shè)計師周建平院士認為：“建造空間站最主要的目的是建成大型的空間設(shè)施，在軌開展大規(guī)模的空間科學(xué)空間應(yīng)用和空間技術(shù)方面的驗證和研究，以帶動科學(xué)的進步和技術(shù)的發(fā)展?！?/span>

“作為三艙組合體，中國空間站重量高達60多噸，在對接載人飛船和貨運飛船時，重量最大可以達到90多噸。未來隨著技術(shù)的發(fā)展，空間站規(guī)模會不斷發(fā)生變化。與國外比，中國空間站起步較晚，但有后發(fā)技術(shù)優(yōu)勢。空間站立項后，中國載人航天工程組織了兩年的技術(shù)方案設(shè)計和論證，目的就是全面掌握大型空間建造實施技術(shù)。我們?yōu)閷崿F(xiàn)建造空間站的目標在構(gòu)型布局上進行了精心設(shè)計，以保證空間站具備更強大的科學(xué)和應(yīng)用能力。在艙段外安置了外置平臺以確?？臻g站能夠進一步擴大。可以說，中國的大型空間站建造能力處于國際前列。”

國際空間站的經(jīng)驗教訓(xùn)

1971年到1985年蘇聯(lián)建造了禮炮1號至禮炮7號共7個空間站。1973年美國發(fā)射了天空實驗室。

1986年蘇聯(lián)發(fā)射了和平號空間站，并在接下來的十年間陸續(xù)對接了5個模塊，它被廢棄后于2001年受控在再入大氣層中燒毀。

和平號空間站

在這之后，由美國國家航空航天局（NASA）、俄羅斯聯(lián)邦航天局（RFSA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）、加拿大太空局（CSA）和歐洲空間局（ESA）等共同建造國際空間站。

它在1998年開始建造，各功能模塊在其后被陸續(xù)送入軌道裝配，2011年2月國際空間站組裝工作全部結(jié)束。

“國際空間站”雖是人類航天事業(yè)國際合作的一個范例，但十分遺憾地仍將中國排斥在外。

國際空間站由一個美國的主桁架、居住艙、實驗艙和太陽能電池陣、日本的實驗艙、歐空局的哥倫布軌道設(shè)施、加拿大的移動服務(wù)系統(tǒng)、俄羅斯的功能艙、服務(wù)艙、研究艙和太陽能電池陣等組成。

時至今日，國際空間站已經(jīng)成長為一個寬109米、長73米、高20米、重達419噸、內(nèi)部容積916立方米的的空間巨型設(shè)施，自從2000年11月2日首次載人任務(wù)以來，它已經(jīng)連續(xù)保持了21年載人飛行。

國際空間站

毫無疑問，耗資巨大的國際空間站的最大挑戰(zhàn)將來自空間站的科學(xué)試驗能否取得如期的效果。

美國為“國際空間站”的付出，已大大超過1000多億美元，而使用“國際空間站”的1公斤的有效載荷的費用，也高達幾萬美元。

加上建設(shè)周期太長，維修任務(wù)因部件老化而更加繁重，從而使其面臨部件壽命已到的窘境。

目前，國際空間站獲得了豐富的成果，并為空間站發(fā)展提供了許多經(jīng)驗教訓(xùn)。

首先，深化了對空間站任務(wù)的認識。

國際空間站的科研活動涵蓋許多科技領(lǐng)域，包括探索空間技術(shù)、物理學(xué)與生物學(xué)的微重力研究、人體生理學(xué)研究、地球科學(xué)與教育等。

空間站上最重要的研究是測試惡劣的太空環(huán)境對人體和材料的影響，這對今后的載人深空探索將有重要價值，因此，國際空間站也是實現(xiàn)載人深空探索而必須的一個重要的實驗基地。

人去火星需要半年以上的時間，而國際空間站可以試驗航天員在太空的長期的生活和工作能力。

它也可以試驗未來載人訪問月球、火星與建設(shè)基地必須的技術(shù)，其中包括太空3D打印技術(shù)、天基太陽能技術(shù)、原位資源利用技術(shù)等。

其次，發(fā)展重復(fù)使用的天地往返運輸系統(tǒng)，成為降低空間站運行成本的關(guān)鍵。

NASA在研制成功航天飛機之后，曾發(fā)展過空天飛機和單級入軌的火箭飛機，但均未成功。

早在2008年NASA就啟動了“商業(yè)軌道運輸服務(wù)（COTS）”項目，這種模式又很快推進到載人運輸領(lǐng)域。

在這方面，SpaceX公司研制成功的可回收式中型運載火箭獵鷹9號，大大降低了發(fā)射費用。其近地軌道發(fā)射報價約為6000萬美元，相當于每公斤載荷花費4600多美元。

這家公司還研制成功了可復(fù)用的運貨龍”飛船和“載人龍”飛船，從而大大降低了國際空間站的運行成本。

最后，為了提高空間站的效費比，國際空間站必須逐步進行商業(yè)化。

空間站商業(yè)化的首要途徑是太空旅游，讓游客能夠到空間站去生活七天到十天，觀光太空美景和體驗失重環(huán)境，將具有良好的市場前景。

其次就是部分在空間站上進行的科學(xué)試驗項目，NASA要收費，這樣做才能夠讓一些具有產(chǎn)業(yè)前景的計劃，能在激烈的市場競爭中脫穎而出。在這種形勢下，商用空間站將因運而生。

中國空間站的后發(fā)優(yōu)勢

迄今為止，空間站的構(gòu)型分為三類：單艙構(gòu)型、多艙積木式構(gòu)型、桁架式構(gòu)型。

單艙構(gòu)型的空間站一般是早期的實驗性空間站，如前蘇聯(lián)的“禮炮號”系列空間站、美國的天空實驗室等。

其技術(shù)簡單，建造容易，但其有效載荷少，可擴展程度低，可搭載航天員人數(shù)少，可居留時間短，壽命也較短。

和平號空間站是多艙積木式構(gòu)型，組裝相對容易，但由于積木式結(jié)構(gòu)本身的空間緊張，其擴展能力仍然受限。

和平號在實踐中也暴露許多缺陷，如太陽能電池板相互遮擋，在與飛船交會對接時，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)容易與飛船發(fā)生碰撞等。

桁架式構(gòu)型的空間站的主結(jié)構(gòu)為貫穿首尾的桁架，所有的艙室、設(shè)備都連接在桁架上，這個桁架構(gòu)型如PC機的主板一樣，各種設(shè)備即插即拔。

桁架結(jié)構(gòu)的靈活性和可擴展性也較好，但其組裝需要通過發(fā)射航天飛機和航天員出艙組裝，其組裝和運行的費用十分昂貴。

美國航天飛機組裝國際空間站

由此可見，中國要發(fā)展自己的空間站，必須根據(jù)國情，在多艙積木式構(gòu)型和桁架式構(gòu)型中選擇。

顯然，在我國決定發(fā)展載人航天選擇飛船作為天地往返運輸系統(tǒng)之后，就必定選擇多艙積木式構(gòu)型。

由于中國空間站采用了一系當代的新技術(shù)，足于克服“和平號”空間站的種種問題，而其功能和國際空間站大體相當，而其組裝和運行成本也將大大低于國際空間站。因此，中國空間站采用多艙積木式構(gòu)型是符合國情的最佳選擇。

那么，中國空間站采用了哪些新技術(shù)呢？

周建平總師指出：“首先，空間站建造的技術(shù)新。能源系統(tǒng)（光伏）有30%以上的光電轉(zhuǎn)化效率，供電能力更強。電推進技術(shù)，又叫做離子推進，有不同的形式，中國空間站的電子推進，采用的是電推進系統(tǒng)。電推進系統(tǒng)是別國沒有利用過的，其特點是比沖高，電推進的比沖是化學(xué)推進的五倍，可以少消耗推進劑。其次，空間建造的保障強。盡管核心艙任務(wù)是空間站建造期間的第一次任務(wù)，但保障技術(shù)完全靠自力更生研發(fā)而成，環(huán)控生保技術(shù)閉合度最高，包括對二氧化碳的充分利用等，切實讓中國空間站的經(jīng)濟性特點更加突出?！?/span>

實際上，中國空間站方案也有很好的可擴展性。

未來的空間站將同一個光學(xué)艙段共軌飛行。該光學(xué)艙是一個十幾噸的大型巡天望遠鏡，在很多指標上都接近甚至超過“哈勃”太空望遠鏡，如果望遠鏡出現(xiàn)類似哈勃曾經(jīng)的質(zhì)量問題時，也可由航天員去維護升級。

航天員出艙維修國際空間站

同時，核心艙還設(shè)有備用對接口等，如有需要可以將天宮空間站進一步升級成更大版本。

中國的空間站的挑戰(zhàn)

中國的空間站在大眾的期望和歡呼中正在順利的推進，但是我們應(yīng)該清醒地認識到，中國空間站的建設(shè)也面臨著許多挑戰(zhàn)。

首先，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。

因此，這種有進度要求的高密度發(fā)射，必須要求細致的組織協(xié)調(diào)工作和高可靠，高安全的各個分系統(tǒng)來保障。

第二，空間站是一個復(fù)雜的大型系統(tǒng)工程，它的許多運行技術(shù)和管理技術(shù)，必須要通過長期實踐來積累，美國要和俄羅斯合作，就是看重俄羅斯在空間站建設(shè)中長期積累的經(jīng)驗，我國空間站雖然有了空間實驗室的經(jīng)驗，但仍嫌不足。

第三，許多空間站的關(guān)鍵技術(shù)還要進一步驗證。

我國空間站在技術(shù)驗證階段，將驗證再生生保技術(shù)、機械臂技術(shù)、能源技術(shù)和航天員出艙技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

相對于空間交會對接技術(shù)來說，航天員的出艙活動的驗證就比較少，在神舟七號飛行任務(wù)中，航天員進行了出艙活動，但當時條件有限，主要驗證了安全進出航天器的技術(shù)。后續(xù)，中國空間站將長期在軌運行，需要依靠航天員在艙外進行大量復(fù)雜活動，對航天員出艙能力要求更高，出艙活動能力將成為保障空間站順利建成和運行的一個重要技術(shù)支撐。

第四，雖然中國的空間站肯定比國際空間站有更高的效費比，但是國際空間站在近幾年來大力推進運輸系統(tǒng)的商業(yè)化，它的運行費用也正在逐步的降低，所以，未來中國空間站在提高效費比方面，也面臨很大的壓力。

最后，國際空間站的商業(yè)化已經(jīng)積積累了許多經(jīng)驗教訓(xùn)，但中國空間站在技術(shù)驗證，組裝和初步運行階段，不可能進行商業(yè)化的實踐，但在進入了比較成熟的運行階段之后，空間站的商業(yè)化也必將提上日程。如何走出一條符合國情的空間站商業(yè)化之路，值得進一步探討。