星辰大海，探无止境

◆本刊综合

策划人语：

“空间站”这一概念首次出现在1895年的一部科幻小说中。从1971年，第一代空间站“礼炮1号”发射升空，到国际空间站的投入使用，再到中国空间站的陆续建成，人们想象中的太空正在一代又一代航天人的探索中变得真实。回顾空间站百年历程，我们在感叹人类智慧与勇气的同时，对未来的太空事业更是充满期待。

空间站又称航天站、太空站、轨道站，是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长时间工作和生活的载人航天器。它既是理想的科学实验室，又是各国军事、航天发展的重中之重；既是人类深空探索的中间站，又是未来发展星际殖民地的大本营。

空间站的建设与运营是衡量一个国家经济、科技和综合国力的重要标志，中国空间站将为人类开展深空探索储备技术、积累经验，也是我国为探索宇宙奥秘、和平利用太空、推动构建人类命运共同体作出的积极贡献。未来，中华民族探索浩瀚星空、未知宇宙的脚步必将愈加稳健。

本期，让我们走近人类探索星辰大海的第一站——空间站。

图/图虫创意

——方郁芝 秦银银

“新秀”：中国空间站

中国空间站由核心舱、实验舱I、实验舱II、货运飞船和载人飞船五个模块组成。各飞行器既具备独立的飞行能力，又能与核心舱组合成多种形态的空间组合体，统一在核心舱的调度下协同工作，完成空间站承载的各项任务。

“三室两厅”——入住空间足

中国空间站整体呈T字构型，核心舱居中，两个实验舱分别连接于两侧。如同一套三室两厅带储藏间的“豪宅”，其中“三室”指“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱，“两厅”则是指天舟货运飞船和神舟载人飞船。

图1 中国空间站在轨运行效果图 （图/新华社）

“天和”核心舱

图2 中国空间站核心舱结构、尺寸示意图 （图/新华社）

核心舱是空间站的主控舱段，由节

点舱、小柱段、大柱段三部分组成，主要控制空间站的飞行姿态、动力性、载人环境。

节点舱是空间站的联系枢纽，两个对接口可对接停靠载人飞船，两个停泊口可用来停靠实验舱。小柱段是航天员的睡眠区和卫生区，大柱段是航天员工作和实验的区域。

核心舱的“主动温控流体回路”可保证空气温度、湿度和仪器设备工作温度在适宜范围内，确保驻留人员的安全性和舒适性。“再生式生命保障系统”可实现舱内氧气的再生、二氧化碳等人体代谢产物处理、有害气体净化以及水资源的循环利用，保障航天员能在轨长期驻留，减少氧气、水等消耗品的携带。

实验舱

实验舱具备核心舱部分关键平台功能，在关键时刻可执行对空间站的整体管理和控制。

“问天”实验舱I主要开展舱内和舱外空间科学与技术试验，是航天员在轨的主要工作场所。配置有舱内载荷试验机柜和舱外载荷安装平台，提供信息、供电和散热等支持和保障措施，可开展空间科学、空间材料、空间医学以及空间探测等多个领域的试验。

“梦天”实验舱II除具备实验舱I类似的功能外，还配置货物专用气闸舱，在航天员和机械臂的辅助下支持货物、载荷自动进出舱。

货运飞船

由天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成，采用模块化设计，具有全密封货舱、半开放货舱、全开放货舱三种构型，是空间站的地面后勤保障系统，主要负责对空间站消耗的推进剂进行补给，运送空间站维修和更换设备、航天员工作和生活用品、空间科学实验设备和用品等。

图3 天舟四号货运飞船与空间站组合体完成自主快速交会对接示意图 （图/新华社 郭中正 摄）

载人飞船

由“神舟”载人飞船和长征二号F运载火箭组成，用于搭载航天员和部分物资往返空间站。“神舟”载人飞船专为我国近地空间站运营和后续载人月球探测等任务研制，在空间站停靠期间也作为救生船，用于航天员应急救生和返回。

五花八门——科学研究范围广

养鱼、种菜，打造太空中最精准的时钟，研制独特的新型材料，寻找新的物理规律，探索人类如何在太空长期生存，……一大批前沿科学实验将陆续在中国空间站开展。

中国空间站在空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用等领域进行了长期、系统的规划，研制了一大批科学研究设施，支持在轨开展的千余项研究项目。

空间生命科学与人体研究要深入探究空间环境各因素对生命体细胞、组织、器官等各层次的影响与作用机理。认知生命体太空生长发育与繁衍规律及人类在太空长期生存面临的健康保障问题，并利用空间特殊环境发展创新的药物和医疗技术。

微重力物理科学主要研究物质运动的本质规律，建立空间高精度时间频率系统，进行广义相对论高精度检验等研究。开展极端条件下超冷原子物理、低温量子相变等前沿实验，以及基础燃烧特性与机理、新材料空间制备等研究及应用。

在空间天文与地球科学领域，将利用“巡天”光学望远镜、高能宇宙辐射探测器等设施，开展长期深入的天文观测，研究暗物质与暗能量、宇宙线起源、宇宙形成与早期演化等重大问题。发展对地观测新技术，着眼全球气候变化对人类社会可持续发展的影响。

图4 科研人员交流空间站科学实验柜的研制情况 （图/中国科学院）

空间新技术与应用领域要发展在轨制造、空间机器人与自主系统、空间信息及精密测量等空间新技术，提升人类探索、开发与利用太空的能力。

目前，“天和”核心舱已安装了无容器材料科学实验柜和高微重力科学实验柜，开展了多项测试试验。

“问天”实验舱将开展植物、动物、微生物细胞等十多项生命科学实验，包括一个由小鱼、微生物、水藻组成的密闭生态系统。“梦天”实验舱将建立世界上第一套由氢钟、铷钟、光钟组成的空间冷原子钟组，该原子钟组将成为太空中最精准的时间频率系统，数亿年误差小于1秒。空间高精度冷原子钟技术有助于实现更高精度的卫星定位导航，可用于暗物质、引力波探测等基础物理研究。

此外，北京怀柔科学城建设的地面实验基地可提供与空间站环境类似的实验条件，为空间站项目开展地面验证，支持开展天地比对试验。

中国空间站以开放的态度开展国际合作。目前，来自瑞士、德国、意大利、日本等17个国家的9个项目首批入选中国空间站科学实验。

自主建造——全部国产化

中国空间站在太阳能电池技术、控制技术、计算机技术等空间站建造相关技术领域，都立足目前我国发展能力和水平。综合这些能力实现最优的性能，既符合我国国情，又能与世界先进水平比肩。

空间站舱体对接采用积木式布局，有利于节省空间，多接口模式可实现空间的扩展。此外，中国空间站首次应用到空间站的再生生保技术，其配备的冷凝管冷凝干燥组件可收集水汽，净化后可直接饮用。空间站还建立了物资管理系统，空间上的各种设备以及食品上的专属二维码，就是它们的“身份证”。

空间站的太阳能电池效率高，核心舱两部大型太阳能柔性电池翼应用了三结砷化镓电池，其转化率可达30%，两部电池翼加上核心舱电池翼发电功率可达100千瓦以上。

此外，中国空间站已完全实现自主建造，产品、部组件、原材料已全部国产化，关键核心元器件100%自主可控，通过自动化、模块化的手段开展工作。

“元老”：国际空间站

国际空间站是人类有史以来建造的规模最大的近地轨道空间平台，它主要由美国国家航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大空间局共同运营。

图5 中国空间站与国际空间站同框过境 （图/新华社 朱 进 摄）

图6 美国国家宇航局公布的国际空间站的资料照片（图/NASA）

结构建造——多国合作

国际空间站由各种模块和组件拼接而成，并将其他服务设施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式结构，主要由两大部分立体交叉组合而成。

一部分是以俄罗斯的多功能舱为基础，通过对接舱段及节点舱与俄罗斯服务舱、实验舱、生命保障舱、美国实验舱、日本实验舱、欧洲航天局的“哥伦布”轨道设施等对接，形成空间站的核心部分。

图7 国际空间站上的穹顶舱（图/NASA）

另一部分是在美国的桁架结构上安装加拿大的遥操作机械臂服务系统和空间站舱外设备，在桁架的两端安装四对太阳能电池帆板。

这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，不仅加强了空间站的刚度，还有利于各分系统和科学实验设备、仪器工作性能的正常发挥，有利于宇航员进行出舱装配与维修等工作。

国际空间站的各种部件由合作各国研制。由俄罗斯研制的多功能舱具有推进、导航、通信、发电、防热、贮存燃料和对接等多种功能，在国际空间站初期装配过程中提供电力、轨道高度控制及计算机指令，并在其运行期间提供轨道机动能力和推进剂的贮存。

服务舱作为国际空间站组装期间的控制中心，用于对国际空间站的姿态控制和再推进，包括卫生间、睡袋、冰箱等生存保障设施和一对太阳能电池板，可向俄罗斯提供的部件供电。

图8 俄罗斯宇航员实施国际空间站第250次出舱活动，设置启用新的欧洲机械臂（图/NASA）

实验舱是国际空间站进行科学研究的主要场所，包括美国的实验舱和离心机舱、俄罗斯的研究舱、欧洲航天局的“哥伦布”轨道设施和日本实验舱。舱内的实验设备和仪器大部分都置于国际标准机柜内，以便维护和更换。

由加拿大研制的遥操作机械臂可用于空间站的装配与维修、轨道器的对接与分离、有效载荷操作以及协助出舱活动等，在国际空间站的装配和维护中发挥关键作用。

近期开展的实验

空间站为人类提供了一个长期在轨进行对地观测和天文观测的机会，尤其是在了解宇宙天体位置、分布、运动结构、物理状态、化学组成及其演变规律等方面。同时，开展太空实验也是推动人类科技进步的催化剂。

人工视网膜制造

一项基于蛋白质的人工视网膜制造研究，对使用细菌视紫红质的光激活蛋白质的人工视网膜的制造过程进行了评估。细菌视紫红质可以替代眼睛中受损感光细胞的功能，通过一层层涂加薄膜来制造植入物。微重力环境下可以较好地限制粒子的聚集和沉降，从而提高形成薄膜的质量和稳定性。

水培与气培

XROOTS实验是在没有土壤或其他传统生长介质的情况下在空间站种植植物。研究人员计划使用视频和静止图像来评估植物在整个生命周期中的生长情况。

水培和气培技术可为太空探索提供更大的农作物生产规模，为这项调查开发的系统组件还可增强某些陆地环境中的植物种植，比如温室环境，为人类提供更好的粮食安全。

医疗监测

图9 宇航员谢尔·林德格伦在第44次远征期间品尝了从前任务中收获的莴苣 (图/NASA)

rHEALTH演示测试设备采用流式细胞仪，通过激光对细胞进行分类和识别的方法，分析细胞计数和细胞特征，检测微生物、生物标志物和蛋白质，并诊断相关疾病。

该演示验证了适当的硬件也可以在空间环境中运行，并对准确性进行了评估。这项技术还可为地球上无法获得医疗保健基础设施的患者，提供及时、可靠和方便的诊断测试。

濒临“退休”——何去何从

国际空间站的使用年限为10～15年。随着空间站服役时间的增加，航天器除了自身硬件老化的因素外，各国航天活动频繁带来大量的太空垃圾也对国际空间站构成了潜在威胁。当国际空间站的安全性降低，尤其是当环控生保系统无法正常工作，难以保障宇航员在太空的生活和工作时，国际空间站将不得不退役。

按照NASA规划的最新时间表，国际空间站或将于2031年1月脱离轨道，最终坠入太平洋无人区。

延伸阅读

可多长时间无人值守

空间站在距离地面约400千米的轨道运行，面临空间辐射、失重和温度剧烈变化等环境带来的挑战。我国空间站目前正处在调试阶段，有一系列空间站的技术需要实验，空间站无人值守的时间一般以不超过2个月为宜。

如何实现水、氧的供给

空间站通过冷凝干燥组件收集航天员呼出的水汽，通过净化装置将其转为可供饮用的再生水，还能将收集的尿液处理为可饮用水。

空间站电解制氧系统可以利用无水氢氧化锂净化二氧化碳，并使富集的二氧化碳与电解水产生的氢气反应生成氧气。