解析中國天宮空間站：如何從「醜小鴨」到「白天鵝」
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文/張雪松 （企鵝媒體平台：空天松鼠）
2016年是中國航天事業創建60周年，今年的4月24日又是首個「中國航天日」，載人航天工程辦公室也舉辦座談會，介紹了中國天宮空間站未來的發展和規劃。回首距離2010年空間站工程立項還不到6年，天宮空間站卻已經走過了從醜小鴨到白天鵝的發展和演化。
「天宮」的設計思路
國際空間站龐大而昂貴，並非合適的發展路線。
和平號空間站和國際空間站是載人航天發展史上的里程碑，尤其是國際空間站重達400多噸，內部增壓空間900多立方米，為空間科學試驗提供了廣闊的舞台。國際空間站性能睡好但投入已經超過1000億美元，它成為空前絕後的白象。我國還是一個發展中國家，能向載人航天投入的資金有限，空間站建設必須量力而行，這也構成了空間站的設計思路：首先，空間站具有發展潛力但更要規模適度，控制總投資規模；其次，要在掌握大型空間站建造和運營能力的同時，使用更先進的航天技術；最後，要注重應用效益和經濟性的平衡。
我國2010年批准了載人空間站工程，計劃2020年左右建成空間站。
2010年9月25日中國正式批准了921載人航天工程的載人空間站工程，計劃到2020年左右建成近地軌道載人空間站，使我國成為獨立掌握載人空間站技術的國家，具備在近地軌道上進行長期科學技術試驗和綜合利用太空資源的能力。我國將通過載人空間站的建設和運營，突破和掌握大型航天器的組裝建造技術，具備支持大型航天器長期穩定飛行的運營管理和維護能力，這不僅提高了我國航天技術的總體水平，還將帶動相關行業的進步。載人空間站還將作為我國在近地軌道上的國家實驗室，開展空間科學和技術試驗與應用。我國通過天宮空間站積累的技術和經驗，還將為載人登月甚至飛行火星奠定基礎。
"天宮"的設計演化
早期的天宮空間站帶有濃厚的俄制風格，尤其是核心艙幾乎就是和平號DOS-7的翻版。
2010年立項到現在，我國載人空間站雖然始終是三艙T字形的基本構型，但總體設計發生了不小的改動。過去幾年裡，載人空間站設計方案不斷改進和完善，空間站綜合性能指標有了明顯的提高。
2011年初《載人航天》封面和當年4月征名活動中展示了天宮的早期設計，這是一個與俄國空間站非常相似的方案。載人空間站核心艙不僅外形與和平號空間站的DOS-7核心艙十分相似，太陽翼設計更是活脫脫的克隆DOS-7。兩者並不完全一致，我國載人空間站核心艙長度達到了18.2米，直徑4.2米，要比俄制艙段長得多，它的實驗艙全長14.4米，設計上更像是「天宮一號」的放大。
早期的實驗艙I結構，可以看到增壓的工作艙和氣閘艙，外形更類似天宮一號。
我國載人空間站的三個艙段發射質量均為20-22噸，其中核心艙用於空間站的管理控制，並為航天員提供居住環境，實驗艙II以應用試驗為主，而實驗艙I兼具兩者的功能，可作為空間站管理控制的備份。天宮空間站的早期方案雖然外形帶有濃厚的俄制風格，但計劃攜帶多功能空間站光學設施，這是一部安裝在實驗艙II上的2米直徑大型空間望遠鏡，主要用於天文學上的巡天觀測，這個創舉顯著提高了空間站的科研和應用價值。儘管如此，我國載人空間站脫胎於和平號空間站的設計風格，看起來還是活脫脫的一隻醜小鴨。
2012年大改後的空間站，帶有巨大的柔性太陽翼，實驗艙II上光學艙窗口清晰可見。
2012年公開展出的空間站模型發生了巨大的變化，最引人注目的就是實驗艙I和實驗艙II兩端巨大的柔性太陽翼，以及實驗艙II上敞開的望遠鏡艙段，核心艙的太陽翼也改為柔性設計。實驗艙兩側的大型太陽翼不僅是風格上跟隨國際空間站的大型先進太陽翼，更能為我國的空間站提供充足的能源，根據報道這種長約30米的巨型太陽翼可以提供20千瓦的電能，4個太陽翼總功率可達80千瓦。蘇聯的和平號空間站受制於太陽能電池效率和太陽翼互相遮擋等因素總功率只有30千瓦，空間站的科研載荷無法同時啟動，而我國的空間站就沒有了這種煩惱，可以充分發揮實驗設備的能力。
我國空間站核心艙不僅改用柔性太陽翼，還增加了LHT-100霍爾推進器用於軌道維持。LHT-100霍爾推進器比沖約為1600秒，使用霍爾電推系統後，根據模擬空間站軌道維持每年僅需要補充約400千克工質，而使用傳統化學火箭需要補充的燃料卻高達2噸。電推系統用於空間站軌道維持是我國的首創，這項改進將天舟貨運飛船的補給發射頻率從一年兩次降低到一年一次，僅此每年就可以節約至少10億人民幣，空間站全壽命成本至少降低100億元，堪稱應用先進推進技術提高經濟性的典型。
最大擴展構型可達180噸，核心艙尾部和實驗艙迎風面的擴展介面已經外掛暴露平台。
三艙空間站緊湊節約，但也留下了發展的潛力。空間站總師周建平提議，未來可以在三艙基本構型的基礎上再增加一個核心艙形成十字型構型，還具備繼續對接2個實驗艙和掛載艙外載荷的能力。我國空間站的最大擴展構型擁有6個艙段和多個大型暴露載荷平台，總質量最高可達180噸，顯示了空間站設計方案巨大的擴展潛力。
天宮空間站基本構型T型三艙，將運行在400公里高、傾角42度的近地軌道。
2013年10月31日，載人航天工程辦公室正式將載人空間站命名為天宮，貨運飛船命名為天舟，核心艙命名為天和，實驗艙I命名為問天，實驗艙II命名為巡天。按照計劃2018年發射天和號核心艙，隨後分別發射實驗艙I和實驗艙II，最終建成基本構型三艙空間站，它只需要3次長征五號B的發射，體現了我國空間站設計中規模適度的原則。天宮空間站將運行在軌道傾角42-43°、軌道高度340-450公里的近地軌道上，額定乘員3人，空間站設計壽命大於10年。如果國際空間站於2024年如期退役的話，天宮號空間站將成為近地軌道上唯一的載人空間站，
「天宮」的最新方案
今年為了慶祝首個「中國航天日」，中國載人航天工程辦公室聯合中國衛星導航系統管理辦公室舉辦座談會，總設計師周建平在會上介紹了我國載人空間站工程的最新情況。
天和核心艙配備了實驗載荷空間和完善的生保環控系統，支持航天員的長期工作和生活。
根據周建平總師的介紹，天和號核心艙負責空間站的電源電路、環境控制和溫度控制等功能，安裝了再生式和非再生式生命保障系統，可以滿足航天員長期居住的需求；它安裝了5個對介面和1個出艙口，用於支持實驗艙、載人飛船和貨運飛船的交會對接，核心艙的前部節點艙還兼職氣閘艙功能，航天員通過節點艙頂部的出艙口進行艙外活動；核心艙還配置了10米長度的7自由度大機械臂，機械臂具備自主「爬行」能力，可以從核心艙轉移到實驗艙上，可廣泛用於輔助對接、艙段轉移、載荷安裝和輔助航天員出艙等任務；核心艙內部配備了4個通用介面設計的載荷裝載空間，為開展航天醫學和空間生命科學實驗提供支持，圓柱段尾部預留了兩個大型載荷的掛接介面，可以掛載暴露平台或是其他外部載荷，進一步增強核心艙的科研能力。經過多年的設計優化和完善後，天和號核心艙外形與DOS-7核心艙早已形似而神不似，考慮配備了7自由度機械臂和柔性太陽翼，兩者外形上其實也大不相同了。
天宮最大的變化是光學艙成為獨立的巡天天文望遠鏡，它擁有對接和在軌維護能力。
天宮號空間站的實驗艙也有了巨大的變化，最明顯的是多功能光學設施從實驗艙II剝離出去，成為獨立飛行的光學艙。這一決定是注重科研效益的必然結果，即使天宮的早期設計中不惜讓實驗艙II艙體留有巨大的開口來滿足觀測視野的要求，但空間站遮擋的影響仍然不小，最終多功能光學設施改為和空間站共軌飛行的獨立光學艙，這樣它保留了在軌維護的能力，在儀器需要更換和維護時可與空間站對接，又滿足了巡天觀測視野的需求。由於這個巨大的變化，獨立飛行的光學艙或者說空間天文望遠鏡被命名為巡天，而名不副實巡天號實驗艙，最終改名為夢天號實驗艙。和空間站共軌飛行的巡天號空間望遠鏡是我國第一個大口徑、大視場的空間天文望遠鏡，有效視場達到了1度以上，是著名的「哈勃」空間望遠鏡的幾百倍之多，它將主要用於深度巡天觀測，尤其是利用弱引力透鏡效應也就是引力透鏡下星系的微弱變形效應，探尋宇宙中暗物質和暗能量的蛛絲馬跡。
問天號實驗艙是最主要的艙內實驗場所，擁有最多的通用科研載荷空間。
問天號實驗艙的主要任務是支持艙內科研和應用試驗，它設計了13個通用載荷裝載空間，支持標準單元和整體機櫃兩種形式的空間實驗設備，是空間站展開艙內試驗的主要場所之一。問天號實驗艙艙外提供了30個標準暴露載荷介面，可支持各種材料暴露試驗、安裝天文和對地觀測載荷，它在圓柱段迎風面還預留一個擴展平台介面，具有支持更多的暴露載荷的能力。問天號實驗艙還備份了核心艙的控制等部分功能，並可用於存放航天員消耗品在內的各種補給貨物。空間站的主氣閘艙也在問天號實驗艙上，它還安裝了一個靈巧的小型機械臂，不僅可以獨立進行艙外載荷的安裝和配置，還可與核心艙上的大型機械臂組合成15米長的機械臂使用。
夢天號加長了增壓工作艙，而多功能實驗艙的貨物氣閘艙更是匠心獨具。
實驗艙II剝離多功能光學設施後，不僅名字改為夢天號實驗艙，內部也改的面目全非。夢天號實驗艙的主要任務同樣是支持艙內和艙外科研應用試驗，它擁有9個通用載荷裝載空間，並提供了37個標準暴露載荷介面。值得一提的是，它的暴露載荷平台由艙內暴露平台和可展開暴露平台兩部分組成，利用有限的空間提供了更多暴露平台介面，雖然是沒有大型桁架、外部空間有限的無奈之舉，但的確是相當精細的設計。實驗艙II的多功能光學設施分離後的內部空間也物盡其用，它的增壓艙段有所加長，同時利用剩餘空間設計了多功能實驗艙。多功能實驗艙擁有大型貨物專用氣閘艙，可以在機械臂和航天員的配合下，支持載荷和儀器設備自動進出多功能實驗艙，這到是天宮號空間站設計的重要創新。從結構圖上看，夢天號多功能實驗艙部分的貨物氣閘艙尺寸很大，不出意外的話，貨物氣閘艙未來不僅可以用於釋放小衛星和微納衛星，更能支持大型試驗載荷和設備進出艙，從而進行更大規模的艙外試驗，提高了空間站平台的科研潛力。
「天宮」的最新計劃
今年長征七號將進行首次發射，它未來將主要用於發射天舟貨運飛船。
不積跬步無以至千里，天宮號空間站的設計和規劃再好，仍然需要中國航天做好技術和經驗的積累。2016年6月中國將首次發射長征七號運載火箭，它是我國研製的新一代中型運載火箭，可將最大重量將近14噸的天舟飛船送入200公里X400公里的近地軌道，長征七號火箭將主要用於發射天舟系列飛船；2016年9月中國將發射天宮二號空間實驗室，進行一系列空間科學試驗；2016年10月，中國將發射「神舟」十一號載人飛船，與天宮二號空間實驗室進行對接，進行30天的航天員中期駐留試驗；2017年4月左右，長征七號火箭將發射天舟一號貨運飛船，與天宮二號進行對接，進行推進劑在軌補加等空間站建造運營關鍵技術的驗證，天舟一號飛船還將利用富餘運力搭載載荷進行一系列空間應用試驗。
2022年前後我國將建成天宮空間站，為載人航天走向深空鋪平道路。
天宮二號空間實驗室任務之後，2018年左右我國將發射空間站試驗核心艙，驗證空間站組裝建造、航天員長期駐留和艙外活動等關鍵技術。以上任務順利的話，評估後試驗核心艙將直接作為天宮號空間站的天和號核心艙使用，隨後發射問天和夢天實驗艙與其對接組成完整的空間站。如果飛行驗證中發現試驗核心艙存在重大問題，將修改備份核心艙並將其發射升空，繼續進行空間站的建造。天宮號空間站建成的標誌，當屬巡天號空間望遠鏡的發射升空，預計時間在2022年左右。天宮號空間站是我國第一個大型永久性載人空間站，還將承上啟下積累載人航天的經驗技術，為中國載人航天走向地月空間、小行星和火星以遠的深空奠定堅實的基礎。
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