空间站:开发太空的理想平台

2014年1月10日，我国“载人航天空间交会对接工程”被授予国家科技进步特等奖。在此前的2013年10月30日，中国载人航天工程办公室对外正式发布了中国载人航天工程标识及中国载人空间站、货运飞船名称。新发布的中国载人航天工程标识主造型既像一个汉语书法的“中”字，又类似空间站的基本形态，尾部的书法笔触似腾空而起的火箭，充满中国元素和航天特色，结构优美、寓意深刻。中国载人空间站及各舱段和货运飞船共5个名称，具体如下：载人空间站命名为“天宫”，代号“TG”；核心舱命名为“天和”，代号“TH”；实验舱-1命名为“问天”，代号“WT”；实验舱-2命名为“巡天”，代号“XT”；货运飞船命名为“天舟”，代号“TZ”。这5个名称既注重了单个名称的内涵，又强调了保持全套名称的系统性、协调性和互补性。自发布之日起，中国载人航天工程启用新的标识，载人空间站及货运飞船有关文件及宣传文稿一律使用新的规范名称和代号。

中国载人航天工程标识（中国载人航天工程网 提供）

1 宏伟的空间大厦

2013年，我国天宫－1与神舟－10载人飞行任务获得圆满成功，这标志着我国载人航天工程将全面进入载人空间站工程建设阶段。我国下一步将研制和发射天宫-2空间实验室和货运飞船，最终将在2020年左右建成我国第一座空间站。

犹如空间大厦的空间站也可称为航天母舰、宇宙城堡，是一种可供多名航天员巡访、长期居住和工作的大型航天器，于20世纪70年代问世。其主要特点是体积大、寿命长、功能强，可长期有人照料，大规模开发太空资源；但它不能天地往返，需用宇宙飞船或航天飞机等天地往返运输器把人和货物送上去或接回。

空间站具有自主补给消耗品、检修和更换设备的能力，以及变更和扩大其功能的性质。其先入轨后上人的特征，既提高了安全保障，又简化了研制过程，前景十分广阔。由于可在轨补给，因此空间站工作寿命很长，通常为5～15年，甚至更长。空间站在轨长期飞行期间，站内仪器和设备可根据任务需要由航天员随时更换。仪器出现故障时航天员也能就地维修。站内航天员一般每隔90天轮换一次，由载人飞船或航天飞机接送，大型实验或空间装配任务可由几批航天员陆续完成。

1971年4月19日，苏联成功发射了世界第一座空间站礼炮－1。此举对美国是一个极大的刺激，于是它马上用“阿波罗”工程的剩余材料研制了一个名叫“天空实验室”的空间站，并于1973年5月14日升空，还创下了当时连续载人84天的世界记录。后来，美国又觉得空间站不是什么新“玩艺儿”，只需“废物利用”便可造出来，于是便“喜新厌旧”，倾财力、物力和人力去研究航天飞机了。然而，苏联对空间站一直格外青睐，采取了积极、稳妥和循序渐进的发展战略，先后发射了8座空间站，在空间站领域领先一步。目前，在太空运行的空间站是美俄等16个国家联合建造的“国际空间站”，它拟工作到2020年。

从总体结构上讲，已发射的空间站可分为以下2种共4代：

第1种空间站是单舱式或称单一式空间站。这种空间站用运载火箭一次就能送上太空。其优点是所用硬件少、成本低、技术简单，不需要航天员出舱等，因而早期的空间站都采用这类构型；它的缺点是容积小、太死板、工效低，影响了许多科学实验活动的进行，并且很难长期载人。这种空间站先后发展了2代，即第1、2代空间站。

第2种空间站是多舱式或叫组合式空间站。这种空间站是由陆续发射的多个舱段在轨道上组装而成的。其优点是航天员的生活和工作空间大，灵活性强，运行时间长；缺点是技术复杂，投资和风险大。多舱式空间站也先后发展了两代，即第3、4代空间站。

苏联礼炮-1试验性空间站示意图

2 “礼炮”之后有“和平”

20世纪70年代上天的苏联礼炮－1～5、美国“天空实验室”以及随美国航天飞机进行了22次短期飞行的欧洲航天局“空间实验室”是第1代空间站。由于它们具有试验性质，所以也叫试验性空间站。其主要特征是站上均只有1个对接口，因而只能接纳1艘客货两用飞船（运送往返人员和少量物品），其科研仪器和主要物品均是发射前就装入了空间站内，无法及时补给许多重要物资，这就限制了载人的时间和空间站在轨运行寿命。不过，这一代空间站解决了许多有关的重大科技问题。例如，证实了在太空也和地面一样，有必要把卧房、工作间等按各自的特点分别建造，以免相互束缚和影响；人在太空呆上若干天，可用轮换航天员的办法，使空间站利用率大为提高；空间站即使是短暂性的，它也比其他载人航天器有较大的进步。

苏联的礼炮－6、7是第2代空间站，它们分别于1977年9月29日、1982年4月19日入轨，是实用性空间站。其主要特点是均有2个对接口，即可同时接纳两艘飞船，从而能把载人与运货分开，延长了空间站寿命和航天员在轨驻留时间。在第1代空间站中，寿命最长的礼炮－4工作了2年多，而第2代空间站中的礼炮－6、7分别运行了5年、9年。

美国独自建造的唯--座空间站“天空实验室”

第3代空间站和平号于1986年2月20日开始在太空建造，它采用积木式（或称舱体式构型），运行了15年，所以也叫长久性空间站。其率先升空的核心舱不仅能用于航天员生活居住，控制整个空间站正常运行，其上还有6个对接口，它先后像搭积木一样对接了5个专用实验舱（量子－1、量子－2、“晶体”、“光谱”和“自然”）及“联盟”系列载人飞船、“进步”系列货运飞船，形成了庞大的空间复合体，总质量达100多吨。其中的“晶体”舱还对接过美国航天飞机，使其总质量达200多吨。和平号是世界第1个多舱式空间站，大大扩展了航天员的活动空间，具有功能强、寿命长、使用范围广、工作效率高等一系列优点。但它也存在一些先天不足：其供电严重不足是和平号不能充分取得应用效益的重要原因；天地往返运输能力低是和平号存在的另一个致命弱点；其姿控系统设计也存在问题。2001年3月23日，“百病缠身”的和平号由地面控制成功坠落在南太平洋预定海域。

苏联礼炮－7实用性空间站与联盟－T5飞船轨道复合体

俄罗斯和平号长久性空间站全貌

3 天上有个“联合国”

第4代空间站由16个国家联合建造，所以称作“国际空间站”。它采用桁架挂舱式构型，即以长达几十米或上百米的组装式或展开式桁架为基础结构，然后将多个舱段和设备安装在桁架上。其中的桁架就像“空中阁楼”的大梁一样是“主心骨”。由于这种空间站有望运行20年以上，所以也叫永久性空间站。

“国际空间站”于1998年开始建造，2011年建成，建成后的容积约1000m3，质量大于400t，有13个增压舱，其中6个用于科学实验，3个供航天员居住，1个为多功能货舱，3个为对接用的节点舱。这些舱体和其他设备由航天飞机和一次性运载火箭分多次运往轨道，然后由站上的遥控机械臂系统和航天员舱外活动进行组装，逐步建成了这座规模庞大、功能广泛的永久性空间站。在空间站运行期间，航天员的替换和物资补给由宇宙飞船提供。

“国际空间站”的优点是灵活性更强，可根据实际需要组成各种不同的形状；安装在桁架上的各个舱段、设备，太阳电池翼的拆卸、修理和更换都很方便；采用集中式供电和使用统一的控制系统，可大大提高空间站的工作效率；其结构不像舱段式那样紧凑，有效载荷安装和使用都很方便，桁架间的宽阔空间使多种观测仪器的安装和太阳电池板的增设变得容易得多。这种空间站的缺点是规模大、费用高、技术复杂，尤其是需要航天员多次出舱完成组装工作，因此在建造过程中有较大风险。

现已竣工的“国际空间站”实质上是一个集积木式和桁架挂舱式构型于一体的“混血儿”，所以也叫混合式空间站，目的是为了充分利用和平号空间站的成熟技术，减少建造难度、费用和风险。

从总体上看，“国际空间站”由两大部分立体交叉组合而成：一部分是以俄制多功能货舱为基础，通过对接舱段及节点舱，与俄罗斯服务舱、研究舱、生命保障舱，以及美国、日本和欧洲航天局的实验舱对接形成空间站的核心部分；另一部分是在美国的桁架结构上安装加拿大的移动服务系统、舱外仪器设备(包括中国参与研制的阿尔法磁谱仪－2)和4对大型太阳电池翼。这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，增强了空间站的刚度，且有利于各分系统和科研设备工作性能的正常发挥，航天员出舱装配与维修也很方便，也使空间站的微重力环境与控制精度达到最佳。2014年初，美国已批准延长“国际空间站”工作年限至2024年。

2011年5月建成的长久性“国际空间站”

4 未来前景美如画

经过30多年的空间站研究和实践，人们已经认识到空间站有极其广泛的用途，主要包括10个领域：材料加工与生产，科学实验，对地观测，通信与导航，发展空间技术，空间组装、发射和回收各类航天器，空间保养、维修、校正、支援与改进各类航天器，登月基地、星际航行补给站和中间站，空间交通枢纽中心和军事应用。人类现在已经完成了试验性、实用性、长久性空间站的发展阶段，“国际空间站”的建造完毕，标志着永久性空间站的应用阶段已经开始，它将使载人航天的意义更加明朗化。

从目前来讲，空间大、运行时间长的空间站是最适合长期载人、开发太空资源的理想基地，是航天发展过程中合乎逻辑的一步。它不仅能进行各种科研、试验、军事和生产活动，还可以作为服务中心，为其他航天器提供组装、维修等服务，也能作为宇宙旅馆或载人登火星的中转站。换句话说：利用空间站能长期载人的优势，可进一步研究地球环境和宇宙空间，并开发太阳系；实现空间工业化生产，进行微重力科研及材料、生物制品等产品的空间加工和生产；充分发挥航天员在观察、判断、触觉及处理意外情况等方面高超的主观能动性，在站上组装和维修各类航天器；建立空间补给维修基地；以空间站为中转站，把航天员送到其他星球上。

今后，空间站的一个重要用途就是作为太空旅馆，接待来太空的观光者。这不是梦想，因为已多名游客到“国际空间站”遨游过了。美俄的两个专用太空旅馆有望在2020年前建成。为了解决地球上自然界生态失衡、环境恶化、资源短缺、人口泛滥等问题，同时又能使各个国家都能按照自己的意愿发展生产和技术，未来还有可能在太空中建造可产生人造重力的太空城。

俄罗斯轨道科技公司的太空旅馆剖视图

5 中国空间站概貌

物能力6t。俄罗斯的“进步”货运飞船上行货物运输能力只有2.4t。另外，我国货运飞船货运载荷比也将达世界先进水平，比欧洲、日本的货运飞船都高，达46%。我国货运飞船将用运载能力较大的长征－7火箭发射，它是新一代中型运载火箭，全面推行数字化设计，被称为“数字火箭”，采用绿色环保推进剂，近地轨道运载能力为13.5t。

我国空间站基本构型为T字形，由三个20吨级舱段组成，核心舱居中，实验舱－1、2分别连接于两侧。其中核心舱主要配置航天员生活措施，并有一定有效载荷实验能力，还装有1个大型机械臂；两个实验舱主要用于空间科学实验、空间应用、空间技术试验，配置1个小型机械臂。空间站按长期载3人状态设计，每半年由载人飞船实施人员轮换，由货运飞船进行推进剂和物资补给，并进行维修维护设备的上行运输。它将在轨运营10年以上，成为我国空间科学和新技术研究试验的重要基地。我国空间站舱段将用长征－5B新型大推力运载火箭发射，该火箭近地轨道运载能力可达25t。

可见，我国的空间站将达到世界第三代空间站的水平，由多个舱段组成，采用积木式构型。其特点有两个：一是起点高；二是效益高。

值得一提的是，自2011年4月起，中国载人航天工程面办公室开始向社会公众广泛征集载人空间站整体名称及各舱段和货运飞船活动，共收到名称作品10万余件、标识作品9000余件。在通过广泛征求意见、建议并反复研究后，最终形成本文开头介绍的最新发布的命名方案并获中央政府批准。

按目前计划，“国际空间站”将在2024年退役，我国空间站将在2020年建成，设计寿命10年，所以2024年以后，我国空间站有可能是世界上唯一在轨运行的空间站，这将有利于开展国际合作，共享太空资源。

正是由于空间站有上述优越性，所以我国将建可长期载人的大型空间站。我国载人航天工程采用“三步走”的发展战略：

第一步是解决载人航天的天地往返，这一步通过神舟－5、6载人飞船圆满完成。

第二步是突破和掌握航天员空间出舱活动、空间交会对接两项关键技术，然后发射空间实验室和货运飞船，这一步通过发射神舟－7、8、9、10飞船与天宫-1目标飞行器完成了前半部分。中国载人航天工程办公室主任王兆耀说，计划在2015年前后发射天宫－2空间实验室，中国载人航天工程总师周建平透露，货运飞船将在天宫－2上天半年后发射。“天宫”与国外第一代空间站的功能相似，但“天宫”的质量较小，所以叫空间实验室，相当于空间站的雏形或叫简易空间站。我国的空间实验室比欧洲的机载“空间实验室”寿命长得多。

第三步是建造长期有人照料的大型空间站。据载人航天办公室主任王兆耀透露，我国计划在2018年前后发射空间站核心舱，2020－2022年完成中国载人空间站的建造。在此期间，根据需要发射一系列的货运飞船和载人飞船，向空间站提供物资的补给和成员的往返。

据权威专家公开介绍，天宫－2原是天宫－1的备份，但由于天宫－1表现很好，所以现正在对天宫－2进行适应性改装，让它执行空间实验室任务。与天宫－1相比，天宫－2功能更强，主要是验证空间站的部分新技术，进行一定规模的空间应用。比如，将通过货运飞船给天宫－2自动补加推进剂；完成验证再生生保关键技术试验；开展更多的空间科学实验。天宫－2的任务和最终要建立起来的空间站结合得更紧密，科学实验和技术试验项目也更多。

我国目前正在研制的货运飞船由货物舱和推进舱组成，其上行货物运输能力为6.5t,下行销毁废弃