太空“豪宅”！揭秘中國空間站的非凡性能

龐之浩 全國空間探測技術首席科學傳播專家

我國的空間站自2022年底完成在軌建造以來，已經成為了一座國家太空實驗室，也成為中國航天史上目前規模最大、長期有人照料的空間實驗平台。隨著神舟十九號飛船航天員乘組進入太空，我國空間站應用與發展階段的第四次載人航天任務也正式開始。

我國的空間站有什麼技術特點？未來還將發揮怎樣的作用呢？ 下面將為大家詳細解答。

神舟十六號乘組拍攝的中國空間站

1總體概覽

為了使我國成為世界極少數能獨立掌握近地空間長期載人飛行技術，具備長期開展近地空間有人參與科學技術試驗和綜合開發利用太空資源能力，2010年9月25日，國家批準研製由13個系統組成的中國首座近地軌道載人空間站。經過12年的奮鬥，我國終於在2022年底實現了這個目標。

我國第一座空間站的建造沒有走美國和蘇聯先建造單艙式，再建造多艙式空間站的老路，而是直接建造達到世界第三代空間站水平以上的多艙式空間站，還實現了產品、原材料全部國產化，關鍵核心元器件100%自主可控。

這座空間科技大廈以“天和”核心艙、“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙三艙對接為基本構型。每個艙的質量都為20噸級，它們依次發射後，通過在軌交會對接和轉位，形成了水平對稱的T字構型，即“天和”核心艙居中，“問天”艙和“夢天”艙對接於兩側。

中國空間站具有鮮明的中國特色和時代特徵，採用轉位機構和機械臂結合，進行艙段轉移、對接，在航天員和機械臂的協同下，可以完成複雜艙外建造和操作活動。

為了完成空間站的建造，在2021年，我國先後發射了“天和”核心艙和“天舟”貨運飛船、“神舟”載人飛船各兩艘，進行了為期一年的關鍵技術驗證。隨後，在2022年我國開始了空間站在軌建造階段，先後發射了“問天”和“夢天”實驗艙以及“天舟”貨運飛船、“神舟”載人飛船各兩艘，使航天員的活動空間達到110立方米。

隨著空間站在軌建造階段的完成，從2023年起，我國空間站進入應用與發展階段，航天員採用乘組輪換方式，連續不間斷訪問、照料空間站，開展為期至少10年的空間科學研究、航天技術試驗等空間站應用活動。

本次進行的神舟十九號太空飛行任務就是我國空間站進入應用與發展階段的第四次載人飛行任務。他們與神舟十八號乘組進行在軌輪換，並將在軌駐留約6個月。

目前，我國空間站可長期載3人，半年輪換一次。在航天員輪換的6~10天內，空間站最多有6個人。每個航天員乘組由1名上過天的航天駕駛員擔任指令長，其餘人員構成根據任務需要，由航天駕駛員、航天飛行工程師以及載荷專家組成。

總體上，我國空間站既不貪大求全，但又規模適度， 屬於經濟適用型。其特點是起點高，效益高，技術新，保障強。與國外最先進的第四代空間站——國際空間站相比，我國空間站雖然規模相對較小，但應用效益比國際空間站高。例如，我國空間站上的科研設備重量在整站重量中的占比比國際空間站高；我國空間站用於科研設備的供電支持率也比國際空間站的高。

10月30日12時51分，神舟十九號與神舟十八號航天員乘組在空間站會師（中國載人航天工程官網圖片）

2“天和”核心艙

核心艙，顧名思義，是空間站最核心、最重要的組件。2021年4月29日發射升空的“天和”核心艙可為航天員提供50立方米的活動空間。該艙段用於統一管理和控製空間站組合體；支持實驗艙、載人飛船和貨運飛船等飛行器與其交會對接和在軌組裝；提供3名航天員長期生活和工作的場所，同時支持部分學科的艙內外空間科學實驗和技術試驗；配置了大型機械臂和備份氣閘艙。它可安裝4台科學實驗櫃（發射時帶上去了3台），並已取得科研成就。

“天和”核心艙由節點艙、生活控製艙、後端通道和資源艙組成。其最大直徑4.2米（大柱段），最小直徑2.65米（小柱段）。

天和核心艙

節點艙有3個對接口和2個停泊口。其中，前向接口與生活控製艙相連，左右兩個方向專門用於“問天”和“夢天”實驗艙的停泊，軸向和對地向對接口用於載人飛船的對接，此次神舟十九號飛船就是對接在軸向接口上，這一細節也體現在本次飛行任務的標誌中。節點艙還有一個對天向對接口用於航天員早期出艙，是備用氣閘艙出艙口。

生活控製艙由小柱段和大柱段組成。小柱段有3個臥室和1個衛生間，大柱段是乘組工作、控製、鍛鍊和休閑的地方。艙內有空間站統一控製系統、科學儀器、通信設備、計算機系統、消防系統和空氣處理系統等。在密封的生活控製艙內，配置了工作區、睡眠區、衛生區、就餐區、醫監醫保區和鍛鍊區6個區域。 

資源艙是非密封艙，為空間站提供電力、推進燃料等必需資源。末端對接口用於對接“天舟”貨運飛船，接收來自地面的物資。

“天和”核心艙的姿態控製採用先進的6個力矩陀螺方式，即通過改變角動量方向來產生控製力矩，其優點是精度和可靠性很高。

神舟十九號載人飛行任務標識（中國載人航天工程官網圖片）

“問天”實驗艙示意圖

3“問天”實驗艙

“問天”實驗艙於2022年7月24日昇空，是我國空間站的首個實驗艙，由工作艙、氣閘艙及資源艙3部分組成。工作艙內設有3個臥室、1個衛生間，可安裝8台科學實驗櫃（發射時帶上去了4台）；氣閘艙用於航天員出艙；資源艙裝有大量燃料、姿軌控動力系統和大型柔性太陽翼。

我國之所以先發射“問天”實驗艙，再發射“夢天”實驗艙與“天和”核心艙對接，是因為“問天”實驗艙是一個“多面手”。

一是“問天”實驗艙也像“天和”核心艙一樣具有空間站組合體統一管理和控製能力。所以，萬一核心艙發生故障，可用“問天”實驗艙控製整個空間站組合體，從而提高空間站整個設計的可靠性。

二是“問天”實驗艙像“天和”核心艙一樣有3個臥室，它與核心艙對接後，空間站就可滿足兩個航天員乘組共6人短期同時在軌生活、工作和交接班的需求。

三是“問天”實驗艙有更寬敞、更舒適、更安全的專用人員氣閘艙，可支持航天員更方便地出艙活動，保證他們的安全。從神舟十四號乘組起，航天員都是從這個主份氣閘艙出艙。該氣閘艙外方內圓，目的是在其看上去像方形的外殼上安裝艙外暴露實驗平台，配置22個標準載荷接口。

四是“問天”實驗艙的氣閘艙外配置了1個承載力為3噸的5米長小型機械臂，它可爬到無機械臂的“夢天”實驗艙上工作，還能與大型機械臂組合成15米長的更大機械臂。其位置精度優於大型機械臂的5倍，姿態精度優於大型機械臂的2倍，適用於完成精度要求更高的各類載荷和平台設備的艙外安裝、維護和照料等。

4“夢天”實驗艙

2022年10月31日昇空的“夢天”實驗艙由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙4個艙段組成，是空間科研與應用的“夢工場”。

“夢天”實驗艙的工作艙是航天員工作與鍛鍊的地方，裝有較多科學實驗櫃和鍛鍊設備，但沒有臥室和衛生間等。

“夢天”實驗艙結構圖

其載荷艙與貨物氣閘艙則是以類似套娃的“雙艙嵌套”形式與工作艙相連，即在載荷艙內部隱藏1個貨物氣閘艙，以減少氣體泄露。其中，載荷艙配置兩2個展開式暴露實驗平台和1個固定式艙外暴露實驗平台，可提供24個艙外標準載荷工位。貨物氣閘艙是貨物出艙的專用通道，是迄今世界最大的貨物氣閘艙。

資源艙配置有大型柔性太陽翼和雙自由度對日定向裝置，它可根據空間站在軌運動姿態和太陽的角度，讓太陽翼繞著實驗艙軸和太陽電池翼軸進行轉動。

“夢天”實驗艙可裝13個實驗櫃，發射時已裝了9個。其特點如下：

一是“夢天”實驗艙是航天員開展科研工作的地方，所以沒有配置臥室、衛生間，以便多裝科學實驗櫃。

二是“夢天”實驗艙主要面向微重力科學研究，而“問天”實驗艙主要用於開展空間生命科學研究。

三是“夢天”實驗艙最大的特點是有一個貨物氣閘艙，其內部有一台載荷轉移機構，用於使貨物能自動出艙。

四是“夢天”實驗艙專門還配置了微小飛行器在軌釋放機構，它在載荷轉移機構與機械臂的配合下，能夠滿足百千克級微小飛行器或者多個規格立方星的在軌釋放需求。

5先進的技術

利用後發優勢，我國空間站採用了不少新技術。例如：

“天和”核心艙配置有一部承載力達25噸的10米長“七自由度大型空間機械臂”。它達到世界第三代空間機械臂水平，可在艙體表面的爬行移動。無論是艙段轉位、大設備的移動，還是航天員自身移動，都可用該機械臂完成。在航天員的協同下，也能完成複雜的艙外作業活動。

為了降低載人航天的成本，“天和”核心艙和“問天”實驗艙都採用了再生式生命保障系統。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也回收淨化，重新作為飲用水和生活用水使用。通過再生處理，94%以上的航天員生活污水和空氣冷凝水可再次供航天員日常使用和電解製氧。後續，還將把電解製氧時產生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳通過化學反應生成氧氣，並採用生活垃圾處理與再利用技術，進一步提高物資再生循環利用水平，從而最大限度地減少上行補給量，降低空間站的運營成本。

核心艙首次採用了一對大面積可展收柔性太陽翼。其單翼展開長度達12.6米，雙翼展開面積可達134平方米。與傳統剛性、半剛性的太陽翼相比，柔性翼體積小、展開面積大、功率重量比高，其全部收攏後僅為剛性太陽翼體積的1/15。其它兩個實驗艙上的太陽翼更大，能獲取更多的電能，滿足空間站的供電需求。

其次，核心艙除了配備常規的化學能軌控發動機和姿態控製發動機外，還額外配置了4台大功率霍爾電推進發動機，其效率比化學能發動機高幾倍，因而可有效節省核心艙自帶推進劑的消耗，減少用貨運飛船為空間站補給燃料的壓力，使我國空間站目前2年發射3艘“天舟”貨運飛船即可，這也與“天舟”貨運飛船運貨能力很大有關。

6未來的展望

目前，我國正利用空間站支持能力、微重力和輻射環境、航天員較長在軌駐留和天地往返等有利條件，開展科學前沿的創新性實驗和應用研究，力爭在科學和技術上取得重大突破。

此次神舟十九號乘組將重點圍繞規劃中的“太空格物”主題，覆蓋空間生命科學、微重力基礎物理、空間材料科學、航天醫學、航天新技術等領域，開展微重力條件下生長蛋白晶體的結構解析、軟物質非平衡動力學等86項空間科學研究與技術試驗，預計在基礎理論前沿研究、新材料製備、空間輻射與失重生理效應機制、亞磁生物效應及分子機制等方面取得一批科學成果。

“巡天”光學望遠鏡

未來，我國空間站系統還有望成為世界第一個航天器“母港”，可以在軌維修共軌飛行的其它航天器。例如，今後，我國還將發射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”空間望遠鏡，其長時間運行後，可根據需要飛往空間站，與“天宮”交會對接，由航天員對其開展推進劑補加、設備維護和載荷設備升級等活動，然後分離，飛回原來的運行軌道繼續工作。

根據需要，我國空間站也可以進一步擴展， 由“T”字構型擴展成“十”字構型甚至“干”字構型，從而增加空間站的活動空間。

總之，中國空間站不僅僅是中國的空間站，也是促進人類航天技術發展、造福全人類的空間站。未來，它有望取得有重大科學價值的研究成果和有重大戰略意義的應用成果。