中国空间站“问”与“答”

2021-05-17杨诗瑞

太空探索 2021年5期

文/ 杨诗瑞

2021年最令人瞩目的中国航天大事件莫过于天宫空间站建设。1992年中国载人航天工程立项伊始，我国确立了“三步走”的发展战略，第一步发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

随着4月29日“天和号”核心舱的发射，中国空间站建设正式拉开帷幕。未来的中国空间站将会是什么样子，发挥什么作用？让我们通过几个大家关心的问题一起来了解下吧。

▲ 天和核心舱效果图

问：空间站什么时候建成？建成后是什么样子？

答：我国首先在今年上半年发射空间站核心舱“天和号”，2年内依次发射“问天号”实验舱和“梦天号”实验舱，同时陆续发射神舟载人飞船和天舟货运飞船，将物资和航天员送上太空。2年总计完成11次飞行任务，预计2022年前后完成天宫空间站建设并开始运营。

核心舱和两个实验舱发射后，实验舱依次对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过舱段转位操作，转移到节点舱的左右两侧，与节点舱刚性连接，构成T字形的三舱基本构型。货运飞船以及载人飞船分别对接在核心舱前后两端。这是天宫空间站的基本构型，可以容纳2～3名航天员长期驻留工作。

在基本构型基础上，“天宫”为未来空间科学和技术的新需求预留发展空间，可以根据需求继续扩展舱段、扩展能源和扩展舱外实验室。通过发射带有节点舱的新舱段，二期扩展型天宫空间站对接口数量将增加到4个，能够同时对接三艘神舟载人飞船与一艘天舟货运飞船，空间站额定载员人数增至6人，轮换期间最大载员人数可达9人。

▲ “天舟一号”在厂房高剑摄

问：空间站由哪些部分组成？各有什么功能？

答：天宫空间站由天和号核心舱、问天号实验舱、梦天号实验舱、神舟载人飞船和天舟货运飞船组成。

▲ 长征五号B运载火箭宿东摄

天和号核心舱是空间站的管理和控制中心，以及航天员的居住生活区，负责空间站的统一管理和控制，配置机械臂，用于实验舱、载人飞船、货运飞船等飞行器与其交会对接和停靠，接纳航天员长期访问和物资补给。核心舱配备霍尔电推力器，用于调整轨道高度，这是人类首次将电推动力用于载人航天器。

核心舱单舱飞行期间，它的功用是节点舱兼作气闸舱，作为航天员进入太空的出口。在与“问天号”对接后，航天员将使用问天号专用气闸舱，核心舱节点舱作为备份。

“问天号”是控制与实验应用舱，备份核心舱部分关键平台功能，并用于开展密封舱内及舱外载荷实验，配置了小型机械臂，用于操作舱外载荷。“梦天号”是专用应用舱，用于开展密封舱内和舱外载荷实验，配置货物气闸舱，用于载荷和设备进出空间站。

神舟载人飞船用于航天员运送和应急返回。天舟号货运飞船承担空间站补给以及废物排除等任务。

我国正在研制“巡天号光学舱”，将在2024年发射。它是一个重达十几吨的大型巡天望远镜，将与天宫空间站共轨飞行。光学舱配置有2米口径离轴三反望远镜，覆盖紫外-近红外波段，分辨率媲美哈勃望远镜，视场超过“哈勃”300倍，在轨期间可以对40%以上的天区进行观测，将促进对宇宙起源、宜居行星等问题的探索，帮助人类获取新的发现和认识。

问：哪些火箭将参与空间站任务？

答：长征五号B、长征二号F和长征七号三型运载火箭将共同参与到空间站建设与载人航天任务中。

“长征五号B”将在海南文昌发射场执行空间站核心舱和实验舱的发射任务。它是专门为载人航天工程打造的一款全新构型火箭，代表了我国运载火箭技术的最高水平，是空间站建设的骨干力量。

“长征二号F”将在酒泉发射中心执行载人飞船发射任务。“长二F”有着“神箭”的美誉，它见证了载人航天工程的每一步，在过去20年间以13次完美飞行、100%发射成功率，将5艘无人飞船、6艘载人飞船、2个空间实验室送入太空，是我国可靠性和安全性最好的运载火箭。

“长征七号”将在文昌发射中心执行货运飞船发射任务。“长征七号”将为空间站运输各类物资，其中既包括航天员的生活物资，如饮用水、太空食品、舱外航天服等；也包括空间站运行维护所需物资，比如太阳能电池翼、设备备件等；还可以向空间站实施推进剂在轨补加，为空间站补充推进剂，是空间站的“货运专列”。

空间站建设非常复杂，包括多次交会对接任务，要求火箭必须完成“零窗口”发射，在预先计算好的时间内、分秒不差地将火箭点火升空。“长五B”、“长二F”和“长七”火箭强强联合，共同构筑起我国载人航天的广阔舞台。

问：天宫空间站的性能如何？

答：天宫空间站运行在轨道倾角42°～43°、340～450千米高度的近圆轨道。三舱组合体质量约66吨，其中载荷设备质量超过10吨，额定乘员3人，在轮换期可保障6名航天员工作生活。设计寿命不小于10年，具有通过维护维修延长使用寿命的能力，并具备一定扩展能力。

“天宫”虽然比国际空间站的规模小很多，但天宫空间站采用了诸多新技术、新工艺、新材料，很多关键能力指标并不逊色，有的还要超出。“天宫”的载荷重量占比17.7%，高于国际空间站的7.9%；柔性太阳能电池帆板和先进砷化镓电池技术提供了100千瓦供电功率，超过国际空间站的90千瓦。天宫空间站可对载人飞船、货运飞船和光学舱供电输出，对外供电功率占比高达63%，自身用电仅占37%，高过国际空间站。

“天宫”为科学实验设备提供万兆级舱段间网络传输，下行速率每秒1.2千兆比特，能够以较小的规模实现科学实验支持能力的最大化；采用先进信息技术，可实现舱段间、航天器间系统重构，大幅提升空间站在轨的可靠性和安全性；采用智能控制技术，设计自主健康管理系统，降低了航天员空间站维护和地面运控的负担；采用物化再生生保技术，较好地实现资源再生利用，大幅降低货运保障需求和运营成本。

▲ “长七”转运宿东摄

“天宫”还具有“太空母港”飞行模式，巡天望远镜与空间站共轨飞行，在需要补给、维护和维修时，可直接对接到空间站，方便航天员维修。未来我国还将研制多种用途航天器与空间站共轨飞行，形成独具特色的在轨编队飞行模式，将引领空间在轨服务技术的未来发展方向。

总而言之，“天宫”将在控制、信息、物资补给、运营、应用效益等多个方面达到当代国际先进水平并有所超越，而且在建造和运营上更为经济合理。

问：天宫空间站的实验条件怎么样？

答：空间站非常重要的一项工作是开展科学实验。“天宫”本身提供了微重力实验环境，可以通过天地往返将实验样品带回地面。

“天宫”规划了23个密封舱内的空间实验柜，同时舱外暴露实验平台、舱外机械臂、专用货物气闸舱、航天员出舱行走气闸舱等设施一应俱全，支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等学科领域的科学研究与应用项目。

▲ 中国空间站核心舱

▲ 砷化镓柔性太阳能电池帆板

在基础物理方面，“天宫”配备有超冷原子实验柜，用于研究温度接近绝对零度的超冷原子气体物理规律；配备了由3个钟组成的原子钟组，30亿年的误差小于1秒，可以为导航系统等提供基准频率和时间信息。

另一方面，“天宫”舱外配备有标准载荷的适配器，还提供大型载荷挂点，在舱外可以进行天文观测、地球观测，空间物理等方面的研究。根据任务需要，航天员会对实验条件进行升级或者更换，从而支持更多领域的实验。

2019年以来，我国面向国内征集空间科学实验和技术试验项目活动，同时面向联合国所有成员国开放空间站实验环境。当前已有来自17个国家的9个科研项目成功入选首批合作清单，除了共享空间实验室，我国还将免费提供合作项目的运输服务。

问：空间站中航天员都是从哪里选拔？

答：天宫空间站常驻3名航天员在空间站中生活，最长可达一年。

我国已经选拔出第三批航天员。不同于前两批航天员参与空间站建造任务，都是从飞行员中选取，这一批航天员主要是为空间站运营阶段的飞行而准备，包括了航天驾驶员、航天飞行工程师和载荷专家3个类别。

其中，航天驾驶员和航天飞行工程师负责直接操纵、管理航天器，以及开展相关技术试验，载荷专家主要负责空间科学实验载荷的在轨操作。航天驾驶员在空军现役飞行员中选拔，航天飞行工程师在从事航空航天工程及相关领域专业的工程技术人员中选拔，载荷专家在载人航天工程空间科学研究及应用领域的科研人员中选拔。

目前，第三批航天员共有18人，包括7名航天驾驶员、7名航天飞行工程师和4名载荷专家，其中还有1名女航天员。他们在经过3到4年的周期性训练后，将参加空间站运营阶段各次飞行任务。

随着我国载人航天事业不断发展，后续还将开展预备航天员选拔工作。未来将有更多人参与到建设航天强国、接续飞天梦想的征程。

问：空间站为航天员提供了哪些生活和工作保障？

答：空间站配置了3名乘员长期生活设施，并为轮换期中6名航天员提供临时生活设施，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110立方米。

为了保障航天员在太空中生存，“天宫”的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。

为了提供良好的生活和工作环境，“天宫”舱内维护着与地球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，并为航天员提供便利、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、限位装置和天地交互手段，保障航天员高效工作，完成维护维修、物资转移、舱外操作和科学技术实验等操作任务。

“天宫”可支持2名航天员同时出舱活动。核心舱配置的大型机械臂和实验舱配置的小型机械臂可以独立或协同工作，完成舱段捕获和转移、航天员辅助转移、设备维修、载荷操作和舱外状态监视等任务。在航天员、舱外航天服以及货运飞船支持下，空间站可具备大型空间设施的操作能力，完成复杂的舱外建造任务。