中国空间站系统研发团队：天宫筑成

彭丹妮

2022年11月29日，搭载了神舟十五号载人飞船的运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射。次日早晨，三名航天员费俊龙、邓清明、张陆进入中国空间站，与神舟十四号乘组的三名航天员首次实现“太空会师”。

神舟十五号的发射，标志着中国空间站关键技术验证和建造阶段的12次发射任务全部完成。2021年4月底，“天和”核心舱发射以来，中国先后发射了3个空间站舱段、4艘载人飞船、4艘货运飞船，同一发射场两次任务最短间隔仅12天。自此，中国空间站进入运营阶段，将保持长期有人驻留，乘组在轨轮换也将成为常态。

载人航天是一项高投入、高风险、高技术的系统工程，世界范围内，只有俄罗斯、美国和中国三个国家独立掌握载人航天技术。1992年9月，中央决策实施载人航天工程，代号“921工程”，并确定了“三步走”的发展战略。30年后，随着空间站全面建成，中国在航天强国建设的过程中又迈出关键一步。

2022年10月末，美国著名的科技类杂志《连线》在《中国现在是一个主要的太空大国》一文中指出，中国现在已独立完成了俄罗斯和美国几十年前所做的事情，天宫空间站完成得如此之快，而且一些设计和技术比先前的空间站更先进。

距离世界第一座空间站“礼炮一号”升空50周年纪念日10天后，2021年4月29日，天宫号的核心舱“天和”发射。中国天宫空间站由三部分组成，包括“天和”核心舱、“问天”及“梦天”两个实验舱，整体呈T字型。

核心舱是空间站的指挥控制中心，具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验等能力；密封舱内配置有工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区及锻炼区，能够为航天员工作和生活提供舒适良好的保障。

2022年7月24日，“问天”实验舱发射升空，可以对“天和”核心舱平台功能进行系统级备份，能够在应急情况下“整体接管”空间站。它支持航天员在轨驻留，提供专用气闸舱和应急避难场所，还支持开展密封舱内、舱外科学实验和技术试验。

2022年10月31日，搭载“梦天”实验舱的长征五号B遥四运载火箭在海南文昌发射，约8分钟后成功进入预定轨道。这是中国空间站的第三个舱段，也是最后一个模块。11月3日，随着“梦天”实验舱顺利完成转位，“T”字基本构型在轨组装完成，拥有整体110立方米活动空间的中国空间站建造完成。

空间站工程是中国载人航天工程的第三步。“三步走”的第一步是研制载人飞船阶段，实现航天员天地往返等目标；第二步是空间实验室阶段，掌握出舱、交会对接技术，验证推进剂在轨补加技术，完成运送货物补给等任务；第三步则是空间站建设任务，具体来说，又包括关键技术验证、组装建造和运营三个阶段。

中国空间站研制工作由中国航天科技集团五院（以下简称“航天五院”）抓总。研制团队抓总完成天宫空间站系统设计、核心舱和问天舱研制发射任务，及空间站在轨关键技术验证和组装建造。团队突破超大型载人航天器系统研制、大型载人航天器交会对接与舱段转位、多任务高刚度高精度机械臂在轨操作等多项关键技术。

胡军是航天科技集团五院载人飞船系统副总设计师。1993年7月，彼时从北京大学博士毕业的他就加入五院，投身到刚刚启动的“921”工程中，见证了基础薄弱的中国载人航天如何一步步腾飞。

他在接受《中国新闻周刊》采访时称，当时中国在航天技术、工业和人才方面底子薄，大大小小的任务都要从头摸索。比如，研发载人航天工程的相关软件要从零起步，当时三位软件编程设计师都是初出校门，边学边研发，费尽心血。

胡军参与了载人天地安全往返、组合导航系统、空间交会对接技术等关键控制技术的攻关，“返回控制技术、捷联惯性组合导航和地面实验这几项攻关是比较难的。”胡军说，所以从1993年开始，一直到1999年，中国才发射神舟一号，当时都是老同志带着年轻人一点点摸索过来。

2003年，神舟五号首次将中国航天員送入太空。回头来看，胡军说，最开始那10年的艰难起步，虽然困难重重，但是的确做了很多工作，为后来载人航天工程第二步和第三步打下了很好的基础。

比如，第一步当中，中国建立了现代化的酒泉卫星发射中心、航天员训练基地，建立了测控、火箭发射、飞船制造、着陆救援等新的技术体系。更重要的是，像胡军这一批刚刚参加工作的新人，经历了从神舟一号到神舟五号的锻炼，都逐步成长为各自领域的专家。再加上整体国力、工业水平等方面的综合提升，载人航天工程的二期和三期开展得更加顺利。

“921”工程带动了中国整体航天技术的进步。比如，为了支撑中国载人航天工程，中国建立了自己的中继卫星。从2008年4月发射天链一号01星以来，中国已建成了拥有全球覆盖能力的中继星卫星系统，使得实施空间站交会对接技术时，不会受到测控资源的约束。

“我国当前有了非常完备的航天体系。”航天科技集团五院空间站系统总指挥王翔2022年8月在接受央视采访时谈道，而且，诸多技术能力是完全自主可控的。

2022年10月，接受《自然》杂志采访时，澳大利亚格里菲斯大学研发太空技术的教授保罗·索萨表示，中国建造天宫空间站是一项巨大的成就。“这是杰出的，”他补充说，空间站为中国研究人员开辟了一个新的科学研究基地。

空间站任务飞船GNC飞控试验队。左六为航天科技集团五院载人飞船系统副总设计师胡军。图/受访者提供

空间站是人类飞往深空的前哨站，也是人类在太空中的大型科学实验平台。《自然》杂志指出，天宫号是目前太空中唯二的实验室，预计将在其至少10年的生命周期内开展1000多项科学实验。

虽然空间站运行在距离地面340至450公里的低地球轨道上，比起地球到月球、火星等天体的距离近很多，但是这里已进入了太空，可以获得微重力环境，这为许多研究提供了可能性。

2022年5月，神舟十三号载人飞船返回舱在北京开舱，出舱的除了宇航员，还有中国农业大学、北京林业大学、航天育种产业创新联盟等单位精选的作物种子。这次跟着3名航天员一起搭乘该飞船返回地球的有约12000颗种子，包括中药材、牧草、水稻、生菜等各类植物种子。

太空育种的最大优势在于空间诱变材料的变异率高、育种周期短，可在较短时间内创制出高产、早熟、抗病等性状优良的种质资源。30多年来，中国通过航天育种已筛选新材料1200多份，培育水稻、小麦、大豆、蔬菜等新品种260多个。

2022年7月，空间站系统总指挥王翔等人发表的文章《我国天宫空间站研制及建造进展》指出，天宫空间站作为国家太空实验室，将利用舱内25个实验机柜、舱外67个暴露载荷支持设施，持续滚动开展各类研究。主要研究方向包括航天医学、空间生命科学与生物技术、空间天文与天体物理学、微重力流体物理与燃烧科学等。

空间站实验项目采取滚动征集、遴选和实施的机制，每2～3年按照规划进行一次项目征集。与国际空间站将合作国以外的他国科学家拒之门外不同，中国空间站的实验室资源是面向全球的。中国载人航天工程总设计师周建平曾表示，對一些有意愿、没能力独立从事载人航天活动的国家，中国可为其提供太空飞行和科研的机会。

天宫空间站的高速通讯系统可以每天向地面发送数10G的数据。这将让科学家得以分析所有可能包含了重大发现的数据，例如非常微弱的伽马射线暴，或其他可能被当作噪音而忽视的天体物理活动。天宫还搭载了一台超级计算机，能在太空中分析数据，这些信息随后可以与地面科学家共享，以便研究同步进行。

空间站建成后，预计2024年前后投入运行的巡天空间望远镜也将与它共轨飞行，在附近轨道上以光学和紫外线波长观测宇宙。巡天的口径为两米，分辨率与哈勃望远镜相当，且视场角是哈勃的300多倍，是中国第一个大口径、大视场的空间天文望远镜。当巡天望远镜需要维修、推进剂补加和载荷设备升级时，就可以与空间站对接，单独运行时，又不受其他舱体影响。

王翔等人指出，这种长期共轨飞行、短期对接停靠的模式是天宫空间站在运行上的重要创新。除了巡天空间望远镜外， 未来还将可能有更多的航天器与天宫空间站共轨飞行，接受在轨服务，天宫空间站将逐渐发挥“太空母港”的重要作用。

2022年，是国际空间站工作的第24个年头，超长的服役期使得空间站的设备性能严重老化，每年高达50亿美元的维护成本，依旧无法修补其损伤。2021年，拜登政府给出了最后的期限：国际空间站最早可能在2030年退役。不过，这还要取决于合作国的意愿。

也就是说，在未来很长一段时间内，天宫空间站可能将会成为近地轨道的唯一的空间站。因此，其在太空科学研究方面的意义将更为显著。北京大学地球与空间科学学院教授焦维新曾在接受《中国新闻周刊》采访时强调，所有空间站本身建造技术的进步也都是为科学实验服务，要有原创、特色的成果和新的技术应用出现，“这是我们的主要目标，也是我们由空间大国变为空间强国的根本方向”。

空间站技术发展方面，此前最具代表性的是苏联的“和平号”空间站和16国联合建造的国际空间站。

1986年，苏联的“和平号”空间站升空，这是第三代空间站代表，其多舱结构亦可称之为组合式、积木式的空间站。“和平号”空间站由1个核心舱和5个实验舱组成，5个实验舱都通过核心舱上的接口与之紧密结合，像堆积木一样。

中国的天宫号亦属于第三代空间站。美国印第安纳大学研究太空治理的教授艾坦·泰佩尔等人2022年12月在学术类媒体《对话》的文章中指出，天宫参照了苏联时代的设计，不过，天宫空间站进行了大量的现代化改进。

空间机械臂技术是天宫空间站的亮点技术之一。天宫空间站在“天和”核心舱配置1个7自由度大机械臂，作业半径为10米；在“问天”实验舱配置1个7自由度小机械臂， 作业半径为5米，可独立、组合或协同使用，完成舱段转位、辅助航天员出舱、舱外货物转移、悬停捕获来访飞行器等任务。

中国天宫空间站结构示意图。

国际空间站以其庞大的规模、酷炫的外形，已成为当代世界航天的标志。它由美俄主导，日本、欧洲、加拿大航天局参加，16个国家共建和运行。1998年11月20日，由美国出资、俄罗斯制造的第一个组件“曙光”号功能舱发射成功，随后10多年间，国际空间站从2个太空舱拓展至15个太空舱，直到2010年才最终建造完成并转入全面使用阶段。

国际空间站落成这一年，中国载人空间站工程正式启动。与国际空间站相比，天宫号虽然起步更晚，反而有了更多后发优势。正如胡军所指出的，“每个年代的航天工程，都打上了那个时代的烙印。”他说，天宫空间站在设计时，考虑的就是一个大规模的中控系统，尽可能把各种分散在各个舱段的资源整合起来，实现资源的重组、融合，降低冗余设计。比如，信息技术方面，不再采用国外空间站的点对点通信，而是全总线结构，不但能大大减轻电缆重量，而且数据量更大，且可以实现数据共享。

《纽约时报》指出，西方航天专家表示，国际空间站的规模超出实际需要，特别是考虑到自1994年以来，计算机和其他科学设备都已经小型化。相反，中国空间站吸取了国外空间站的经验和教训，最大限度降低组装、建造和运营成本，最大程度地支持科学实验。王翔等人发表的文章写道，天宫空间站的设计从中国国情出发，遵循规模适度，有所为、有所不为的原则，充分采用当代先进技术，注重应用效益和运营经济性，实现跨越式发展。

比如，国际空间站中，美、俄、日及欧洲航天局各有一个主要用于开展实验工作的实验舱，其真正用于实验的舱体占整个空间站重量比不到20％。天宫号空间站除了两个实验舱，核心舱也可以开展部分实验工作。中国载人航天工程总设计师周建平近来在接受采访时谈到，通过高效的空间管理，中国空间站提供的实验机柜数量将会是国际空间站的五分之四。

早至2016年，周建平就曾谈及，航天事业很花钱，中国一直在琢磨着省钱。当时，他透露，中国正在研究载人飞船的回收问题，下一个发展目标就是回收和重复利用载人飞船。

2022年12月，在接受采访时，周建平重提了这一目标，并表示，“我相信几年内我们就可以实现新一代飞船返回舱的重复使用。”火箭方面，2022年11月26日，由航天六院研发的一种烧液氧煤油的火箭发动机原型试车成功，该发动机是瞄准新一代运载火箭重复使用而打造的天地往返动力装置。

空间站进入运营阶段后，航天科技集团五院负责载人飞船系统的副总设计师胡军说，空间站有定期例行的发射任务，需要载人飞船和货运飞船提供支持服务，以实现航天员和货物的往来。因此，其所在团队接下来还是要保证飞船系统的两大基本使命：交会对接和能够更加安全可靠地返回。未來，还要进一步发展自主的快速返回系统。他表示，“要未雨绸缪，考虑到更多的场景和可能的意外情况。”

中国载人航天的下一个目标是月球。2022年11月28日，在神舟十五号载人飞行任务新闻发布会上，中国载人航天工程办公室主任助理季启明表示，中国载人航天探索的脚步不会只停留在近地轨道。月球是人类拓展和开发利用地外空间的理想基地和前哨站，月球探索也一直是当今世界载人航天发展的热点和焦点。

王翔在12月接受央视采访时也谈到，天宫空间站的前向可以继续发射对接一个扩展舱段，从而提供更多的空间站对接口。后续如果要开展载人月球探测，一些飞行器的技术或者新一代飞船的技术，都可以利用空间站的这个平台在天上进行验证。“空间站的应用和发展刚刚起步。”

2022年，中国空间站在轨完成三舱“T”字基本构型，首次实现六名航天员太空会师，中国空间站全面建成，国家太空实验室遨游苍穹。三十而立的中国载人航天工程“三步走”战略“第三步”取得重要进展，中国载人航天器综合性能达到国际先进水平。中国空间站系统研发团队为此做出不懈努力。

中国空间站研制团队现有型号总工程师和总设计师12人，抓总完成天宫设计、核心舱和“问天”舱研制、发射，及空间站在轨关键技术验证、组装建造和在轨飞控任务，获7项国家科学技术进步奖和省部级科技进步奖。