从空间实验室到空间站的总体设计思路

杨宏

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

1992年9月21日，中央政治局正式批准实施我国载人航天工程，并确定了“三步走”的发展战略。载人航天工程第一步是发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。第二步是突破航天员出舱活动技术和空间飞行器交会对接技术，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。第三步是建造空间站，解决有较大规模的长期有人照料的空间应用问题。

通过神舟一号至神舟六号载人飞船任务，圆满完成载人航天工程第一步发展战略目标，使我国成为世界上第3个独立自主掌握载人航天基本技术的国家。通过神舟七号至神舟十一号、天宫一号、天宫二号、天舟一号共8次飞行任务的实施，突破并掌握了出舱活动、空间交会对接、推进剂在轨补加和航天员在轨中期驻留等关键技术，圆满完成了载人航天工程第二步发展战略目标，并预先验证了空间站部分关键技术。载人航天工程第三步从2010年空间站任务立项开始，全面开展关键技术攻关和研制工作。从2021年4月29日至2022年11月29日，通过先后成功发射空间站3个舱段、4艘载人飞船和4艘货运飞船共11次飞行任务，突破并掌握了大型组合体建造和控制、空间大型电源、再生式生命保障、空间机械臂、航天员长期在轨驻留等空间站关键技术，完成了空间站T字基本构型组合体的在轨建造，开始转入空间站应用与发展阶段。

载人航天工程从立项之初就着眼于空间站建设目标，在工程实施过程中逐步突破和掌握相关关键技术，奠定技术基础，积累工程经验，循序渐进地实现工程目标。其中：空间实验室、空间站均是作为组合体控制与管理、提供航天员在轨驻留和开展空间应用实验的航天器，其任务、功能及工程研制特点是相似的，在总体设计思想上一脉相承。本文结合空间实验室任务至空间站任务的研制历程，对从空间实验室到空间站的总体设计思路进行阐述。

1 空间实验室任务

1.1 确定总体设计思路

2004年12月，中央政治局批准启动我国载人航天第二步任务，并明确第二步任务重点放在航天器交会对接和航天员空间活动等重大技术突破上。完整的载人交会对接技术包括交会、对接、组合体管理与控制等，以形成空间站建造和运营所需能力。我国“两弹一星”功勋王希季院士将天宫空间实验室与载人飞船对接后形成组合体的复杂过程言简意赅地概括为“1+1=1”，并将其明确为突破、掌握载人航天器交会对接技术的标志之一，即：不仅要突破2个航天器在轨交会对接技术，还要掌握组合体控制和管理技术，进而掌握空间站所需的组装建造技术。

在综合分析了国外空间实验室发展历程和成功经验，并充分借鉴我国载人航天工程第一步任务技术成果基础上，确立了我国空间实验室设计的指导思想为“明确目标、充分验证；充分继承、注重创新；以人为本、安全可靠；规模适度、兼顾应用”[1]。受当时运载火箭发射能力的约束，我国空间实验室确定为8吨级天宫一号目标飞行器，具备自主飞行及试验支持、交会对接及组合体管理、航天员驻留技术支持三类功能。其中：自主飞行及试验支持功能包括自主供电、测控通信、热控、环境控制与生命保障、轨道与姿态控制，并具有一定的空间防护能力，以及支持开展部分空间科学实验的能力；交会对接及组合体管理功能包括交会对接、组合体轨道相位调整、姿态保持，并在载人飞船和空间实验室设计基础上开展组合体信息、能源、环境等控制能力设计，以实现“1+1=1”的组合体控制要求；航天员驻留技术支持功能包括了工作和生活空间支持、医学和工效学支持、生活保障支持等功能。

为了稳步、有效地实现载人航天第二步任务目标，总体在任务规划上通过天宫一号突破和掌握低轨长寿命、高可靠载人航天器设计制造技术，做到“平台一步到位”；通过天宫一号先后与神舟八号、九号、十号3艘载人飞船逐步、多次验证了无人交会对接、有人交会对接、手控交会对接，以及电解制氧、动态水气分离、组合体控制、航天员驻留支持等技术，并开展了多项空间实验。因此，通过天宫一号目标飞行器的飞行试验，既支持了交会对接任务，又为空间站部分关键技术进行了先期验证，降低了整个工程风险，以较小的代价达到了一次任务多方受益的效果，最大程度地发挥了天宫一号的效益，部分功能和指标已经达到国际20吨级空间实验室的水平。

1.2 突破平台关键技术

在设计天宫一号目标飞行器时就在继承和借鉴载人飞船设计和研制技术的同时，考虑和分析了长期在轨飞行载人航天器所需要的平台技术，开展了航天器耐低轨空间环境及长寿命设计、交会对接和组合体管理与控制设计、航天员驻留支持设计、安全模式设计等航天器关键技术。

1.2.1 低轨长寿命设计

空间实验室设计寿命相比载人飞船增至2年，是我国首个低轨长寿命载人航天器，面临长期在轨飞行下的复杂空间环境和高可靠性要求等多项挑战，在航天器在轨测量与控制、长期在轨发电性能、机电产品长期工作性能、舱体结构保持密封性和稳定性、机构产品长期运动性能，以及热控、润滑、密封等材料性能等多个方面均需要重新认识，对航天器系统设计、产品配置和产品工艺等方面均提出了严格要求。由此，建立了从分析与识别影响寿命要素入手，根据任务剖面开展系统和产品寿命设计、规划地面寿命验证和在轨寿命评估方法的载人航天器长寿命设计与验证体系，并与可靠性设计相结合，满足长寿命、高可靠的任务要求。

1.2.2 交会对接和组合体管理与控制设计

(1)交会对接。交会对接方案分为远距离导引和自主控制2个阶段。远距离导引段由地面高精度测量和预报2个航天器轨道，并采用最优的轨道控制策略生成控制参数，由飞船准确执行轨道机动直到处于相对导航敏感器测量范围内。飞船在自主控制段采用光电结合、远近搭配、相互备份的相对测量系统，测量与目标飞行器的相对位置、速度、姿态和姿态角速度，采用自动控制为主、人工控制为辅的综合控制方案，逼近目标飞行器直到对接机构接触[2]。我国通过天宫一号目标飞行器和神舟八号、九号、十号载人飞船3次飞行任务，完成了8次交会、6次对接，突破并掌握了交会对接技术，形成了完整的交会对接系统、交会轨道、交会测量和控制、信息传输、对接与分离，以及试验验证的交会对接自主设计与验证体系。

(2)姿态轨道控制。天宫一号目标飞行器采用陀螺、星敏感器、太阳敏感器、红外地球敏感器等多种手段，配合使用确保长期飞行高精度、高可靠的姿态测量需求。为了满足大质量、高精度、低消耗的飞行姿态控制需求，天宫一号研制了控制力矩为200 N·ms的控制力矩陀螺(CMG)并首次在国内航天器上使用，采用6个CMG组合使用模式，保证了较大的控制力矩和较高的姿态控制精度[3]。同时，采用了多台控制器备份、控制器中多数据存储区表决读取的冗余措施，提高控制系统的容错能力，保证了天宫一号目标飞行器控制系统的控制性能和高可靠性[4]，为空间站制导导航与控制(GNC)系统的研制奠定了基础。

(3)信息管理。天宫一号继承了载人航天工程一期统一S频段(USB)测控体制、1553B总线体制、复接器和仪表编码指令等成熟可靠的技术，保证了天宫一号的可靠运行。在此基础上，为了满足长期高可靠飞行，天宫一号采用了中继卫星通信、空间数据系统咨询委员会(CCSDS)标准和低电压差分信号(LVDS)总线等新技术，在天地链路上采用天基与地基并用模式；在内部信息系统设计方面，采用了多总线和分层总线体制，加强了指令、遥测、信道容量、总线通信流量、总线终端数量等方面的标准化设计，去掉了传统工程遥测，形成了信息系统网络化架构。此外，为后续空间站运行需要，天宫一号与载人飞船信息系统开展一体化设计，在对接浮动断接器上预留与来访航天器总线并网的通路[5]，并开展了信息系统在轨并网验证，为空间站网络化设计、系统重构和天基测控进行技术储备。

(4)能源管理。在设计天宫一号的能源管理系统时，充分考虑了后续空间站任务需求，采用了低轨长寿命电源技术、100 V高压和多母线独立供电体制、高转换效率的三结砷化镓电池片[6]、与来访航天器能源并网技术等新技术。由于载人飞船母线电压为28 V，因此天宫一号在并网供电时设计有电压变换、并网开关控制和隔离措施，采用恒压输出、限流控制方式，保证天宫一号100 V母线与载人飞船28 V母线间的稳定、可靠连通和功率传输[7]，突破和掌握了100 V供电关键技术和并网技术。

(5)热管理。天宫一号首次引入热管理概念，划分为舱段级热管理和组合体热管理2个层次。舱段级热管理主要从舱段系统热负荷特点出发，通过环境控制、热控一体化设计等措施实现温湿度协调统一控制，利用统一的热量收集、传递、利用和排散的手段实现舱段级热量的一体化管理；组合体热管理是在舱段级热管理基础上，在舱段间实现热量的调配、转移、利用和排散，通过舱段间热耦合实现组合体状态热量的统一管理和优化利用[8]。热管理系统包括主动热控系统和被动热控系统。主动热控系统包括通风系统、流体回路系统和主动电加热系统；被动热控系统包括隔热、保温、散热等热控措施。天宫一号和载人飞船组合体热管理，通过舱段间通风技术途径实现，舱段间通风采用舱门通道送风/管路回风的方式，回风管路采用可伸缩的通风热支持软管实现。组合体热管理技术均应用到空间站设计中。

(6)载人环境控制。与载人飞船相比，天宫一号具有在轨运行时间长、多次驻留任务支持、外来航天器环境支持、密封舱容大及航天员乘组驻留时间长的特点，这些特点都对我国载人航天器载人环境控制技术提出了新的挑战。基于天宫一号载人环境控制任务的新特点，天宫一号进行了大气环境温湿度和空气成分控制设计、微量有害气体净化、噪声控制设计和辐射控制设计[9]。组合体期间，利用舱间通风支持形成的流场起到传质作用，由天宫一号对组合体空气湿度、空气成分和微量有害气体进行统一控制，提供良好的驻留环境。另外，在天宫一号上搭载了电解制氧、动态水气分离装置，为空间站所需的部分再生式生命保障技术进行预先验证。

1.2.3 驻留支持设计

为了支持航天员更长时间在轨驻留，天宫一号以航天员舒适性为目标，为航天员提供了15 m3的活动空间，并对密封舱内空间进行了功能分区，设置工作区、睡眠区和储物区，保障了航天员在长期在轨工作的同时有相对独立舒适的休息区域；配置了热风加热装置和饮水分配装置，使得航天员在轨可以吃上热饭，喝上热水；提供了锻炼设施和娱乐设施，航天员还可与地面互发短消息。此外，还在天宫一号上开展了工效设计，为航天员在轨工作、生活提供便利，实现了航天员短期驻留，为中期驻留和长期驻留奠定了基础。

1.2.4 自主安全模式设计

为了确保长期飞行中的人员和设备安全，在以往分系统自主控制的基础上，在天宫一号上开展了系统级的自主安全设计[10]，从平台关键功能分析入手，设计了能源、通信、控制、热管理和推进自主安全模式及处置策略，确保航天器在轨出现重大故障时可自主处置以保证航天器和人员在轨安全。

1.3 掌握关键工艺和产品

在突破平台关键技术的同时，在天宫一号上也相应突破和掌握了一批关键工艺技术和产品，如大型整体壁板式密封结构、壁板环焊、小腔检漏、碳纤维复核材料加工、冷凝管排防腐涂层等工艺技术，金属膜盒贮箱、控制力矩陀螺、光纤陀螺、红外地球敏感器、并网控制器、浮动断接器等大量新产品，均作为技术突破有力保障了后续空间站研制，其中金属膜盒贮箱产品直接用于空间站。

1.4 奠定空间站技术基础

天宫一号飞行任务的顺利完成，实现了其任务目标，为后续空间站任务部分关键技术进行了充分的预先验证。天宫一号任务圆满成功，在轨寿命超出指标1倍多，使得原本作为备份的天宫二号在经过改造后承担了更大的任务，进一步验证了空间站部分关键技术。

天宫二号开展了我国首次推进剂在轨补加技术验证，使我国成为世界上第2个开展推进剂在轨补加应用的国家；搭载了由泵组件、管路和工质构成的可流动的液体回路验证系统，开展了在轨维修操作技术预先验证；搭载了机械臂及机械手、控制器、维修设备和工具构成的机械臂操作终端试验，首次开展了我国人机协同在轨维修试验，对典型人机协同维修操作进行验证；为了验证空间站柔性太阳翼技术，搭载3块柔性太阳电池板试验件，开展高低温循环、低轨等离子体高压防护和耐原子氧试验；系统开展了宜居性设计，开展了视觉环境与照明、无线通话、废弃物处理等宜居设计，为2人30天在轨驻留提供了舒适的环境。

空间实验室任务阶段，按照规划的总体设计思路，循序渐进地突破和掌握了多项载人航天器关键技术、关键产品和工艺，为后续空间站任务奠定了坚实的技术基础，相关技术、产品和工艺均沿用至空间站的设计和研制中。

2 空间站任务

2.1 总体设计思路

空间站是一个国家科技水平和制造能力综合实力的体现。正在在轨运行的以美国为主导、16国参与的“国际空间站”，从1998年发射第1个舱段，至2010年完成建造任务转入全面使用阶段，建造时间共计12年，累计花费超过1500亿美元。由于国外对我国载人航天方面的技术封锁，我国只能独立建造空间站。

我国空间站任务包括3个方面，具体为：①组装建造我国自己的空间站；②为航天员长期在轨健康生活、有效工作提供保障，并在其他系统配合下保证航天员的安全；③为在轨开展多领域空间科学与技术试验提供保障和支持条件。为此，我国提出了“独立自主、创新引领、体系保障、规模适度、留有发展空间”的空间站总体设计思路，通过方案深化论证，确立了空间站基本构型由三舱组成，三舱功能既各有分工，又可互补，通过各舱资源、功能集成，共同构成功能完整、性能强大的70吨级天宫空间站，组合体达百吨级，使得我国空间站能够在适度规模条件下取得更高的研制效益，实现高效率资源利用和更强的系统冗余。根据此设计思路，在分析借鉴国外空间站设计理念和经验教训的基础上，充分发挥我国新型举国体制优势，突出强调空间站三舱的系统统一，按照“一体化设计、统筹研制、逐步发展、全面风控”的研制途径开展。

2.2 系统一体化设计

天宫空间站基本构型由天和核心舱、问天实验舱及梦天实验舱三舱组成，总质量68.5 t，是我国目前建造的最大规模的航天器，如图1所示。

图1 天宫空间站示意Fig.1 Diagram of Tiangong space station

为了避免“国际空间站”由于研制技术体制不统一导致其整体优化程度不高，许多系统间、舱段间存在不兼容问题，在天宫空间站设计之初就高度重视系统层面的一体化设计[11]，以“1=1+N”(等式左边的1代表空间站组合体，右边的1代表主控的核心舱，N代表后续航天器，等式表明核心舱单舱飞行可以发挥空间站的作用，与载人飞船、货运飞船、问天实验舱、梦天实验舱等航天器对接形成多航天器组合体后，仍是1个系统功能统一、协调的整体)的方式设计和构建，从系统任务功能分析和设计入手，再将系统功能分解到三舱，三舱功能既各有特点，又协调匹配，每个舱功能相互间部分备份，使得单舱功能和设备适度冗余，同时组合体在信息、测控、能源、控制、载人环境、出舱、应用支持等功能上有足够冗余，以此提高组合体的可靠度。其中：天和核心舱负责空间站功能的统一管理和控制；问天实验舱对能源管理、信息管理、控制系统和载人环境等关键功能进行冗余备份，并开展舱内外空间科学与技术试验；梦天实验舱主要开展舱内外空间科学与技术试验。

为了更好地保证系统一体化设计，天宫空间站三舱统一设立15个分系统，保证分系统三舱功能设计的协调匹配。天宫空间站系统技术架构如图2所示。

图2 天宫空间站研制技术架构示意Fig.2 Technical architecture of Tiangong space station

在天宫空间站的对外系统接口上也统筹设计，对于三舱通用接口，由空间站系统统一签署、三舱遵照执行。为了在轨可以更好地接纳来访航天器，天宫空间站在供电体制和信息体制上兼顾神舟载人飞船、天舟货运飞船，使得载人飞船、货运飞船与空间站对接后也能构成有机整体，空间站既可对载人飞船、货运飞船进行并网供电，也可接受天舟货运飞船的反向供电支持；空间站还可控制货运飞船的发动机进行组合体轨道和姿态控制，并可通过货运飞船的中继天线下行数据和上行指令。

在天宫空间站上创新性地开展了可靠性、长寿命与维修性的一体化设计，以长寿命设计和固有可靠性设计为基础，维修性设计为保障，进行空间站单舱和组合体可靠性设计。

根据天宫空间站飞行任务和在轨工况，在空间站软件方面还开展了自顶向下的系统设计，并形成对分系统软件设计要求，分系统据此开展各自软件设计和验证。三舱的试验验证也从系统层面统筹规划，在单舱功能验证充分的基础上，规划组合体层面的试验验证，确保组合体功能正常、匹配。

天宫空间站在规模上不如“国际空间站”，但实现了系统统筹设计、三舱功能合理分配，使得空间站三舱组合体在功能上可与“国际空间站”媲美。天宫空间站载荷质量占比超过30%，高于“国际空间站”的7.9%；载荷供电功率占比为44.4%，与“国际空间站”相当，加上对载人飞船、货运飞船和光学舱供电并网功率输出，空间站平台对外提供功率占比为63%，而平台自身用电仅占37%；功率质量比为0.41 kW/t，优于“国际空间站”的0.26 kW/t；下行数据传输速率达1.2 Gbit/s,远大于“国际空间站”的100 Mbit/s[12]。

2.3 系统统筹研制

天宫空间站参研方涉及全国军工、地方、高校和科研院所等超过3000家单位，其中既有航天系统内单位，也向系统外单位开放，有长期承研载人航天任务的单位，也有新承担空间站阶段研制任务的单位。因此，各单位在研制体系、生产规范和试验标准等方面均有较大不同。

为避免参研单位多、研制体系和技术水平不统一的问题，确保天宫空间站产品可靠，在空间站研制初期，根据以往研制经验和空间站任务特点，制定了空间站系统16份设计与建造规范，涉及产品设计、元器件和原材料选用、生产、试验、软件等各环节，构建起空间站研制标准化体系，实行“整体覆盖、适度超前、逐级传递、监督执行”标准化管理，三舱统一采用相同的研制规范，保证各单位研制体系统一。

在分系统三舱统一设立的基础上，空间站三舱产品采用通用化设计，通用化率达到近80%。通用化设计优点在于：①三舱通用化产品标准统一、设计统一、验证统一、质量统一、状态更改影响分析统一；②产品可互换，提高功能、单机备份能力；③产品维修备件通用，减少备件数量。另外，在空间站上统筹开展综合电子设计，分区集中采集传感器测量参数、传感器和阀门供电等；还开展通用计算机设计，统一分系统控制计算机和综合业务单元信息接口类型，便于复杂航天器信息网络架构的统一。

在空间站系统建立了覆盖系统级、航天器级、分系统级和单机级的产品保证组织体系，建立专职产品保证队伍，包括产品保证管理、技术风险管理、技术状态管理、产品验收管理、可靠性安全性维修性保证、元器件保证、材料和工艺保证、软件产品保证、地面支持设备保证9个方面，覆盖研制全周期，组织机构如图3所示。

图3 天宫空间站产品保证组织机构体系Fig.3 System of Tiangong space station product assurance organization

2.4 逐步递进发展

我国是在经过空间实验室阶段任务、突破交会对接等关键技术的基础上，经充分地面试验验证，引入新技术进行天宫空间站的建造，走出了一条稳健的跨越式发展道路。新技术比重大是天宫空间站的显著特征，空间机械臂技术、物化式再生生保技术、大面积柔性太阳翼技术等均为我国首次在轨开展应用的全新技术，应用难度大、研制风险高。针对此问题，空间站系统开展了方案深化论证，做到关键技术突破见底、系统方案扎实落地。

在工程发展方面，天宫空间站阶段分为关键技术验证、组装建造、应用与扩展3个任务阶段。利用核心舱、载人飞船和货运飞船，对空间站建造及后续阶段所需技术进行在轨飞行验证。验证并评估技术性能满足要求后，再进行空间站三舱的组装建造，继而开展在轨应用。整个过程逐步开展、稳步推进。

在天宫空间站系统内部，也是按照逐步开展、稳步推进的策略开展研制，并逐级提高技术成熟度。例如，在关键技术验证阶段，依托核心舱机械臂、核心舱太阳翼经在轨测试验证后突破的空间机械臂技术、大面积柔性太阳翼技术，为问天实验舱所携带的实验舱机械臂、实验舱太阳翼、对日定向装置等产品的研制提供了充足的在轨数据支持，为后续在轨操作提供了详实的测试方案、协同程序和飞控策略。在此基础上，问天实验舱再进一步执行其专用任务，例如实验舱太阳翼二次展开及双自由度转动、实验舱机械臂精细化舱外操作。因此，随着任务不断推进，空间站关键技术不断突破和掌握，系统设计不断改进和完善，系统健壮性不断增强，可靠度逐渐提升，可满足长期飞行要求。

在天宫空间站研制中创新性设计了在轨服务模式，在空间站建成并运行稳定后，充分利用其长期有人驻留、配置机械臂的优势，为来访航天器提供在轨维修维护服务，并能将天舟货运飞船携带的推进剂过路补加至来访航天器。巡天空间望远镜将作为第1个接受天宫空间站在轨服务的航天器，在天宫空间站建造完成后发射入轨，相较美国哈勃空间望远镜每次维修都需要发射航天飞机的情况，这种共轨飞行服务模式在经济性方面有着巨大优势[12-13]。

2.5 全面风险控制

为了确保天宫空间站全寿命周期在轨飞行安全可靠，研制团队从静态功能分析和动态任务事件进行风险分析，构建了多维度的全面风险管理体系。在静态功能方面，采用故障模式影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)，分别从底向上和从顶向下对系统功能故障模式进行分析，将重大故障模式作为系统级风险进行控制，加强可靠度设计，对故障所涉及的关键产品进行过程控制，严把产品质量关。在动态任务事件方面，以飞行事件为线索，识别影响任务成功的故障模式和风险，通过指令、测控站、硬件备份设计、裕度设计和设计确认，实现事件可靠执行。尤其对涉及分系统间、功能间的故障开展关联性故障树分析(CFTA)，设计了能源、信息、热管理和推进等关键功能的自主安全模式，确保一次故障下问天实验舱仍可正常工作，二次故障下可保证问天实验舱和航天员的安全。

为了避免天宫空间站关键核心元器件被国外封锁禁运的风险，在空间站方案论证期间就提前开展了核心元器件国产化攻关，突破了550万门现场可编程门阵列(FPGA)、100 V直流/直流(DC/DC)电源转换模块等8类核心元器件的国产化，实现了空间站元器件100%的自主可控，有效规避了受国外“卡脖子”的风险。

在天宫空间站研制中还创建了在轨空间站、地面模拟空间站和数字空间站三站协同运营的模式。以基于模型的系统工程(MBSE)数字孪生技术建立的数字空间站，在飞行任务期间实时数据驱动伴飞，预测空间站健康趋势，保证安全可靠飞行。

3 结束语

我国载人航天工程统筹规划，历经30年稳步发展，顺利完成了第一步和第二步任务，以及第三步的空间站建造。从空间实验室阶段完成交会对接和组合体管理技术验证，到空间站设计与实施建造，在总体设计思路上既有传承，也有创新，关键技术、产品和工艺逐步突破和掌握，最终实现任务目标，走出了一条具有中国特色的载人航天发展道路。

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