中国空间站工程总体方案构想

2013-11-29中国载人航天工程总设计师周建平

太空探索 2013年12期

□ 中国载人航天工程总设计师周建平

根据中国载人航天工程总设计师周建平在《载人航天》杂志发表的论文，中国空间站包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ，通过交会对接和舱体转位组装构成空间站基本构型。空间站采用高度为340千米～450千米的近圆轨道，轨道倾角42°～43°，设计寿命10 年，具有通过维护维修延长使用寿命的能力。

空间站由神舟载人飞船完成航天员乘组和部分物资的天地往返运输，由货运飞船运输补给物资，下行销毁废弃物。载人飞船由长征二号F 运载火箭在酒泉航天发射场发射，货运飞船由长征七号运载火箭在海南航天发射场发射。由陆海天基测控通信网完成空间站、载人飞船和货运飞船以及相应运载火箭的测控通信。载人飞船仍返回至现有着陆场。

空间站额定乘员3 人，可以适应2人或无人值守飞行。建造期间，航天员乘组采用间断方式访问空间站；建造完成后，采用乘组轮换方式，实现航天员长期连续在轨生活和工作，轮换时最大可达6人。配置舱外机械臂等设备，协同航天员完成舱外建造、维护维修，以及舱外载荷操作任务。空间站核心舱和两个实验舱均由长征五号B 运载火箭在海南发射场发射。

空间站建造完成后，进入运营和管理阶段。该阶段的主要任务是：开展长期、持续的载人航天活动和空间科学研究、空间应用、技术试验等活动，充分发挥空间站应用效益；根据空间科学研究、空间应用和国际合作的需要，进行空间站扩展和载荷更换；对空间站进行维护维修和评估，延长使用寿命。

基本方案

总体构型

空间站核心舱前端指向飞行方向。核心舱前端设置节点舱，节点舱对地方向和轴向前端各设置1 个对接口用于载人飞船与空间站对接和停靠。在核心舱后端轴向设置1 个对接口用于货运飞船对接和停靠。节点舱左右方向各设置1个停泊口，分别用于实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ的长期停靠，对天方向设置供出舱活动用的出舱口。

以核心舱为主，统一控制和管理空间站组合体。核心舱的节点舱在空间站建造初期和技术验证阶段兼做气闸舱，在空间站建造完成后，用做备份气闸舱。以核心舱的密封舱为主配置航天员生活设施。核心舱还具有一定的有效载荷实验能力。

实验舱主要用于从事空间科学实验、空间应用和空间技术实验。

实验舱I 由密封舱、气闸舱和资源舱构成。密封舱除科学实验外，还用于存放航天员消耗品和补给货物，备份空间站核心舱部分平台功能。

实验舱II 由密封舱、多功能巡天光学设施非密封舱和资源舱构成。

空间站建造

空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完成建造。首先，实验舱对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过舱段转位操作，将其转移到节点舱II、IV象限，与节点舱刚性连接，构成三舱基本构型。实验舱I 和II 配置交会测量设备、主动式对接机构和转位机构。核心舱节点舱配置被动式对接机构和供舱段转位用的基座，转位过程包括舱段分离、转位、再对接三个过程。实验舱转位主要采用转位机构实现，也可由机械臂操作完成。

在没有类似航天飞机的大型运输工具情况下，利用舱段交会对接和平面转位方式完成积木加局部桁架混合构型大型空间站的组装建造，在货运飞船、航天员和机械臂支持下，可完成类似国际空间站的复杂舱外建造和操作活动。中国空间站总体构型和建造模式区别于和平号空间站和国际空间站，是一种创新的发展思路，是大型空间设施建设的更为经济、合理的建造方式。

空间站环境控制和生命保障

空间站采用再生生命保障系统，实现资源再生利用。再生生命保障系统包括电解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害气体再生式吸收、冷凝水收集与处理、尿液收集与处理等设备。统一由核心舱进行密封舱气体成分、压力、温湿度控制，以及水回收管理、微生物控制和废弃物管理。配置一定数量非再生生保物品，供应急情况下保障维修时使用。

再生生保技术将较好地实现资源再生利用，大幅降低货运保障需求。中国空间站资源再生利用水平要达到与国际空间站相当的技术水平。空间站运营期间，还将发展二氧化碳还原技术和其它生活垃圾处理和再利用技术，进一步提高物资再生循环利用水平和效率。远期还将研究受控生保技术，探索更先进的资源循环利用技术，为载人深空探测和建立月球和火星基地储备技术。

空间站电源

空间站电源系统设计必须确保供电可靠、安全和长寿命，并为开展多领域科学技术实验提供比较充足的供电支持，还具有一定的冗余能力。

空间站电源系统采用转换效率30%以上的三结砷化镓电池片以及先进的锂蓄能电池。核心舱采用单自由度柔性太阳电池帆板，提供核心舱单舱飞行时的能源供应，实验舱采用两自由度柔性太阳电池帆板，通过驱动机构实现对日定向。太阳电池帆板可维修和更换。空间站各舱之间电源并网，统一供电，并向停靠的载人飞船和货运飞船提供一定功率的电能。采用100V 全调节母线体制，具备独立运行和组合体并网运行两种工作模式。

电源系统设计难点在于需要综合考虑发电效率、舱段构型、运输条件、飞行姿态与控制、遮挡效应、维修更换、长寿命、高可靠等复杂因素，是空间站方案设计中的关键技术之一。充分利用系统设计方法和现代能源技术的最新成果，中国空间站电源系统的综合性能和效率指标将超过其它空间站。

空间站动力与控制

采用控制力矩陀螺为主，喷气控制为辅的控制方式进行空间站姿态控制，空间站姿态稳定度指标为0.005 ° /s。根据不同的构型，采用惯性飞行、力矩平衡飞行和对地定向飞行三种姿控方案，减少喷气卸载导致的推进剂消耗。建造完成后的正常构型状态下，姿态控制不消耗推进剂。空间站发动机统一配置设计，协同工作，综合利用各舱段以及停靠货运飞船的动力系统，提高动力系统冗余度、可靠性和寿命。

首次在空间站上采用电推进技术，补偿大气阻力的影响，大幅降低轨道维持的推进剂补给需求。采用先进的交会控制技术和实验舱电源二次展开技术，解决安装大面积太阳电池帆板的实验舱近距离交会控制问题。

空间站信息系统

采用当代信息技术的最新成果，统一构建空间站信息系统。根据信息来源、种类分类管理。设置系统网、通信网和载荷网。空间站舱内、舱外均配置无线移动通信网络和视频监视系统，提高航天员生活、工作的通信保障支持能力和对舱内舱外状态的感知能力。利用信息并网技术，进行空间站各舱段及来访航天器的信息管理与共享，以及利用相关设备进行冗余重构。空间站信息传输与测控采用天地一体化设计，对地链路采用S 频段统一载波（USB）测控体制。各舱段测控通信设备统一调度，在各种飞行姿态下，均可保障测控通信覆盖率，提高天地通信和数据传输能力和效率，提高天地交互能力。设计自主健康管理系统，提高空间站健康管理水平，降低航天员站务管理和地面运营管理工作负荷。

空间站出舱活动和舱外操作

在神舟七号出舱服的基础上，研制新一代“飞天”舱外航天服，提高环控、电源、通信保障能力、航天员操作作业工效和舱外持续工作时间，提高可靠性和安全性，以全面满足空间站建造、维修维护的需求。

核心舱配置大型机械臂1 个，实验舱配置小型机械臂1 个。两个机械臂可独立工作，可协同工作，也可组合为一个机械臂，扩大作业范围。机械臂具备完成舱段捕获、转移、设备安装、维修、更换、载荷操作、航天员辅助转移及舱外状态监视等任务的能力。此外，还配置有专门用于舱段转位的转位机构。

本文作者（正面右三）出席神舟十号返回舱开舱仪式

1:10的空间实验室模型

首个长征七号运载火箭3.35米直径贮箱

长征五号火箭整流罩成功进行分离试验

航天员在舱外服、货运飞船、气闸舱、机械臂、舱外操作工具和出舱活动辅助设备等支持下，可达到与国际空间站相类似的复杂空间操作能力，完成如舱段捕获转移、帆板转移安装、舱外载荷和设备的维修安装等复杂舱外建造任务。

航天员生活与工作保障

空间站是航天员在太空长期生活与工作的场所，也是研究保障人在太空长期健康生活和有效工作的最佳平台。本着“以人为本”的理念，充分考虑声、光、电、热、辐射、气体等空间环境，以及工效、心理、美学因素的影响，空间站要为航天员提供宜居的生活环境，配置丰富的锻炼、娱乐设施和医监医保手段，提供全面的医学监督和医学保障，保障航天员长期健康生活和有效工作。

空间站配置3 名乘员长期生活设施，并提供轮换期3 名航天员临时生活设施，包括饮水就餐、个人卫生、排泄物和生活垃圾收集处理等，航天员自由活动空间约90立方米。密封舱内气体环境采用与地面相同的氧氮混合气体和压力体制，采用降噪与隔音设计降低舱内噪音，航天员工作和生活区的噪声环境按优于和平号空间站和国际空间站噪声环境设计和控制。

采用现代先进技术，空间站为航天员提供便利、可靠、自动化程度高的显示、照明、报警和操作设施，配置各种工具、限位、定位装置和天地交互手段，保障航天员高效工作，完成站务管理、建造、维护维修、物资转移、舱外操作、科学技术实验等操作任务。采用自动化和地面遥控为主管理平台和载荷设备，显著降低航天员日常管理负荷，更多地发挥人的创造性、自主性和应急处置能力，提高人在空间作业的效率和效能。

空间站扩展

空间站建造完成后，要运营10 年以上，应具备良好的舱段扩展、能源扩展和应用支持扩展能力，以适应可能产生的新的重大科学研究需求。扩展能力必须在方案设计阶段统筹考虑。在现有三舱构型基础上，预留机电热等扩展接口，具有对接新舱段的能力。空间站可接纳符合中国空间站标准的他国航天器访问，也可在航天员和机械臂协同配合下，在空间站上安装舱外实验平台或实验设备。

舱段扩展，需要发射一个带有节点舱的新舱段。例如，再对接一个核心舱形成四舱结构，既可以满足扩展需求，又可以增强空间站关键系统的备份能力，同时不必专门研制新的舱段。在四舱扩展构型的基础上，利用增加的对接口，可进行舱段扩展，增加新的舱段。

空间站能源扩展的一个优先方案是将核心舱太阳电池帆板转移安装在实验舱I 和II 尾部桁架上，沿实验舱轴向方向展开。该方案优点是可以将空间站资源有效重组利用，无其它形式能源扩展带来的上行运输需求。能源的进一步扩展应与舱段扩展统筹考虑，分步实施。

核心舱、实验舱I 和II 预留舱外实验平台、载荷挂点及接口，用于运营阶段扩展舱外实验能力。利用上述3 种扩展方式，空间站最大可增加1个核心舱、2 个科学实验舱、4 个大型舱外暴露实验平台，并可在舱外外挂大型实验载荷。扩展后的最大规模可达180吨，长期乘员人数3人～6 人。

中国空间站采用模块化扩展方式，预留扩展接口和扩展支持能力，为运营阶段留下了灵活的发展空间。可以根据空间科学和技术发展的新需求，灵活选择，适时进行。扩展能力也为开展国际合作，扩大空间站应用能力，进一步提高空间站应用效益提供了发展空间。

载人飞船和货运飞船

载人天地往返运输系统是航天员往返空间站的运输工具，最重要的是确保可靠和安全。中国空间站由神舟载人飞船往返运送航天员乘组和少量物资，技术状态不变。

航天员访问空间站期间，载人飞船停靠空间站，供航天员正常和应急返回。正常情况下，载人飞船在入轨后2 天内与空间站对接，最长可停靠180 天，撤离后返回舱在1 天内返回现有着陆场。载人飞船对接端口为节点舱轴向和径向端口，必要时，也可对接在核心舱后端口。

货运飞船直径为3.35米，上行货物运输能力6500千克，下行销毁废弃物能力6000千克。货运载荷比达46%。国外相同规模货运飞船载荷比分别为：欧空局A吨V 载荷比为36.58%，日本H吨V 载荷比为37.5%。

货运飞船由货物舱和推进舱组成。货物舱用于装载和存放乘员用品、实验载荷等。考虑到空间站舱外建造需求，货运飞船采用模块化货舱设计，与推进舱组合，适应补给物资、舱外大型载荷、实验平台等的运输需求。货物舱有全密封、半密封和全开放三种形式。货运飞船还具有支持科学技术实验的能力，从而可以利用保障货物运输以外的剩余上行运输能力完成科学实验任务，提高飞行试验效益。货运及暴露实验平台等大型舱外设施设备，必要时可以运输小型舱段。强大的货运能力可为空间站建造、运营和扩展提供有力支持，显著提高空间站舱外建造和扩展能力。货运飞船还具有组合体轨道控制能力。

货运飞船载荷比高，采用创新的多模块组合式货运方案，为中国空间站实现复杂的舱外建造活动提供了有力支持和广阔空间，将成为除已退役的美国航天飞机以外世界上功能最为完整、效益最高的货运系统。

中国未来的空间站设想

2010年珠海航展上展出的中国空间站模型

运载火箭

采用长征二号F 载人运载火箭发射载人飞船，技术状态不变，低轨运载能力约8.1吨。研制长征七号运载火箭用于发射货运飞船。火箭芯一级直径3.35米，捆绑4 个2.25米直径助推器，分别安装2台和1台120吨级液氧煤油发动机。芯二级直径3.35米，安装4台18吨级液氧煤油发动机。该火箭设计了货运和载人两种状态，先期研制货运型。货运状态火箭总长约53米，低轨运载能力约13.5吨。载人状态火箭总长约59米，低轨运载能力约13吨以上。以其为基本型，可衍生出中国新一代中型运载火箭系列，成为未来中国运载的主力系列运载火箭。

在长征五号运载火箭基础上，研制长征五号B运载火箭，用于发射空间站各舱段。火箭芯级直径5米，捆绑4 个直径3.35米助推器，芯级安装2台50吨级液氢液氧发动机，助推器各安装2台120吨级液氧飞船。

具有密封、半密封和全开放三种货舱构型的货运飞船，能够进行空间站各类补给品和设备的上行货物运输、推进剂补加，也可以运输太阳电池帆板煤油发动机。全箭长约54米，整流罩直径5.2米。长征五号B 运载火箭近地轨道运载能力25吨，与目前国际上主流大型运载火箭能力相当。目前国际上在役的大型运载火箭运载能力分别为：美国“宇宙神”5 火箭25吨，“德尔它”4 火箭23吨，欧洲“阿里安”5火箭21吨，俄罗斯“安加拉”火箭24.5吨，日本H-2A 火箭19.5吨。

长征五号B 运载火箭和长征七号运载火箭均按照“通用化、组合化、系列化”要求设计，采用性能先进的低温发动机、无毒环保的推进剂，助推与芯级发动机联合摇摆控制，火箭控制系统采用系统级冗余和总线技术。两种新一代运载火箭的可靠性、运载能力、入轨精度等主要性能将大幅提高，并将使中国具有与世界航天大国相同的进入近地空间的运载能力。

地面支持系统

采用现代信息技术构建性能先进、以天基为主的陆海天基测控通信网，具备正常、应急和救援的测控通信支持能力和飞行控制能力，可满足空间科学技术实验的要求，具有高可靠、高安全、高覆盖率的特点。

酒泉发射场和新建海南航天发射场负责完成空间站工程三种火箭、四类航天器的测试发射任务，技术勤务保障能力强大，满足正常、应急、高密度和高可靠的发射需求。

着陆场系统在交会对接任务阶段基础上，着重提高在载人飞船执行航天员长期访问空间站任务中正常和各种应急返回情况下的航天员搜救能力和搜救效率。

空间站工程的实施，将使中国航天发射和测控通信地面系统功能更加完整、性能更加先进，并为空间站可靠运行提供良好的保障条件，为中国航天技术持续发展奠定良好的基础。

神舟飞船与天宫一号交会对接，为今后的空间站建设奠定了技术基础

国际（区域）合作

从世界载人航天发展进程看，国际合作是必然的趋势。美国通过与俄罗斯的合作，以较低的成本，迅速掌握了空间站建造、运营技术，为国际空间站的成功奠定了坚实的基础。由于有俄罗斯飞船的支持，国际空间站在“哥伦比亚”号航天飞机失事后，能够维持正常运行，保障了后续建造任务的顺利完成。同时，美国通过空间站的国际合作，节省了大量资金，并在世界载人航天中进一步巩固了领先地位；俄罗斯也通过与美国及其他国家的合作，维持了其航天研制生产能力，使其航天工业渡过了最困难的时期。未来的载人火星深空探测，由于其技术复杂性和巨大投入，任何一个国家都难以独立承担，国际合作方式可能是最好的选择。

中国政府一贯主张和坚持和平开发和利用太空的基本原则。中国空间站工程将积极开展国际和区域合作，欢迎各国航天机构和科研机构参与中国空间站的研制、建设和科研活动。通过国际合作，为全球科学家提供一个共同开展科学研究和探索的高水平空间平台，共同分享研究经验和成果，增强互信，共同促进人类文明发展和进步。

通过吸纳其它国家和地区参与中国空间站建造或应用，可以学习、借鉴国际载人航天领域成熟经验和先进技术，提高研制起点，降低研制风险；提升空间站在空间科学研究与应用、航天医学等方面的应用水平，促进科学技术发展，提高空间站综合应用效益。

中国空间站预计于2020～2022年间建成，按照目前各国载人航天计划，届时，有可能成为国际上唯一在轨运行的空间站。空间站工程的国际合作可以采用舱段合作、接纳他国飞船访问、航天员联合飞行、空间国际救援，以及合作开展空间科学和空间应用研究等方式。

舱段合作主要有两种途径，一是对接国外独立研制的科学实验舱，二是对接与其他国家合作研制的科学实验舱。舱段合作是最具影响力的空间站国际合作形式。中国空间站在基本构型建造完成后，具备再扩展3个舱段的能力。

国外独立研制舱段应具备自主交会对接能力，满足中国空间站有关标准、规范和接口要求，可由其自行发射，也可由中国的运载火箭发射。不具备交会对接能力的小型舱段还可由中国货运飞船上行运输，并由机械臂和航天员将其组装到空间站指定位置，此类舱段质量可达5000千克，包络可达直径3米、长4.5米。合作研制舱段由中国运载火箭在境内发射。

与具备丰富的载人航天飞行经验国家合作，通过航天员联合飞行，结合空间应用与航天医学等项目的合作研究，共同开展对空间资源的开发与利用。此外，可以利用中国的航天员选拔训练体系和基础设施，为中国港澳台地区和其它国家选拔训练航天员，并提供飞行机会，共同推动载人航天发展。

空间国际救援是国际人道主义精神体现的新领域和新形式。空间国际救援主要考虑两方面，一是中国飞船救援国际空间站，二是中国空间站接受他国飞船的救援。救援目的包括载人飞船对空间站驻站人员的紧急救援以及货运飞船对空间站平台的救援，包括提升轨道，紧急补给物资等。

目前国际空间救援的主要技术壁垒在于交会对接接口，需要相互适应的、统一的技术标准和规范，这在技术上是可以解决的。目前需要的是相互间强烈的合作愿望。

在空间站上，最广泛的国际合作将体现在科学研究、空间应用和空间技术试验项目方面的合作，以及搭载国外（区域）有效载荷。合作可以扩大中国空间站应用领域和范围，提升中国空间站应用水平和应用能力，进一步发挥空间站综合效能，扩展国家太空实验室的作用，促进世界科技进步和人类文明发展，使中国在空间科学研究方面能逐渐形成引领作用。合作的方式包括共同研制有效载荷、搭载国外有效载荷、发布关系全球资源环境重要数据、共享应用成果等。空间站应用合作主要在空间站上实施，部分项目也可以利用货运飞船进行。

同时，空间站工程充分重视中国港澳台地区的空间科学研究和应用需求，积极支持其科研机构参与空间站科学研究与应用活动。

研制和飞行任务安排

中国空间站工程分为空间实验室和空间站两个阶段实施。

空间实验室阶段研制并首先发射天宫二号空间实验室，然后发射神舟十一号载人飞船和货运飞船与其对接。在神舟十一号任务中，安排航天员进行中期访问，开展维修试验和多项微重力相关的科学实验，并进行柔性太阳电池基板搭载试验。首发货运飞船将对天宫二号进行推进剂补加，并完成部分关键技术的飞行验证。

空间站阶段分为关键技术验证阶段、建造阶段和运营阶段。关键技术验证阶段发射试验核心舱，并发射多艘载人飞船和货运飞船访问试验核心舱，验证航天员长期驻留、再生生保、柔性太阳电池翼和驱动机构、大型柔性组合体控制、空间站组装建造、维修和舱外操作、空间应用等空间站建造核心关键技术。

空间站关键技术验证任务完成后，对试验核心舱进行评估。若满足在轨建造空间站条件，则直接以其为空间站核心舱，进入建造阶段。分别发射实验舱I和实验舱II 与之对接，完成空间站建造。其间将发射多艘神舟载人飞船和货运飞船，支持完成建造任务，并同步开展科学技术实验。若试验核心舱不满足在轨建造空间站条件，则在完成改进完善后，发射新的核心舱，进行空间站建造。

空间站建造任务完成后，进入长期运营和管理阶段。航天员乘组将分批长期驻站生活和工作，开展科学技术研究和探索活动。该阶段将根据新的需求，进行空间站扩展，以及空间站应用载荷的更换。

中国空间站工程采用了利用天宫二号空间实验室和货运飞船验证推进剂补加技术，利用试验核心舱验证空间站组装建造关键技术后，进入空间站建造阶段的总体技术路线。这样的安排充分考虑了中国航天技术的现有基础能力，体现了研制、飞行验证和建造任务循序渐进、稳妥可靠、积极跨越的发展战略思想。

（原文刊自《载人航天》杂志2013年第2期，本刊进行了摘编）