中國空間站長什么樣？用了哪些黑科技？

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原標題：中國空間站長什么樣？用了哪些黑科技？

4月29日，隨著長征五號B運載火箭將中國空間站天和核心艙順利送入太空，中國空間站拉開建造大幕。

按照空間站建造任務規(guī)劃，今明兩年我國將接續(xù)實施11次飛行任務，包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運飛船以及4次載人飛船發(fā)射，于2022年完成空間站在軌建造，實現(xiàn)中國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略“第三步”的任務目標。

長征五號B遙二運載火箭搭載空間站天和核心艙，在文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空。史嘯 攝

空間站以三艙為基本構型

未來中國空間站工程共由13個系統(tǒng)組成，中國航天科技集團參與了其中7個系統(tǒng)的研制工作。

記者從航天五院了解到，中國空間站以天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙三艙為基本構型。

其中，核心艙作為空間站組合體控制和管理主份艙段，具備交會對接、轉位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學實驗能力；問天和夢天實驗艙均作為支持大規(guī)模艙內外空間科學實驗和技術試驗載荷支持艙段，同時問天實驗艙還作為組合體控制和管理備份艙段，具備出艙活動能力，夢天實驗艙具備載荷自動進出艙能力。

中國空間站三艙飛行器依次發(fā)射成功后，將在軌通過交會對接和轉位，形成“T”構型組合體，長期在軌運行。組合體在軌運行壽命不小于10年，并可通過維修維護延長使用壽命。

中國航天科技集團五院空間站系統(tǒng)副總設計師朱光辰曾經說過一個非常形象的比喻：如果神舟飛船是一輛轎車，天宮一號和天宮二號就相當于一室一廳的房子，而空間站就是三室兩廳還帶儲藏間，算是“豪宅”了。

4月29日，長征五號B運載火箭點火發(fā)射。

天和核心艙長度超過五層樓房的高度

天和核心艙是中國空間站的關鍵艙段，它就好比是大樹的樹干，其他的艙段都會安裝在它的接口上。所以，天和核心艙有一個龐大的軀體和結實的身板。

據(jù)中國航天科技集團有限公司五院空間站核心艙結構分系統(tǒng)主任設計師施麗銘介紹，核心艙的體積非常大，長度比五層樓房還要高，直徑比火車和地鐵的車廂還要寬不少，體積比國際空間站的任何一個艙位都大，航天員入駐后，活動空間非常寬敞。

重量上，核心艙相當于三輛大客車的空重重量，同樣也超過國際空間站的任何一個艙段。

天和核心艙由節(jié)點艙，大、小柱段，后端通道和資源艙組成，發(fā)射升空后，將為航天員提供太空科學和居住環(huán)境，支持長期在軌駐留，承接載人飛船和貨運飛船的對接停靠。

航天員可以與地面視頻通話

天和核心艙不僅外觀闊大，艙內生活也會十分舒適。

據(jù)中國航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總體主任設計師張昊介紹，天和核心艙的密封艙內配置了工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)和鍛煉區(qū)六個區(qū)域。不僅能夠保證每名航天員都有獨立的睡眠環(huán)境和專用衛(wèi)生間，而且在就餐區(qū)配置了微波爐、冰箱、飲水機、折疊桌等，還有了太空跑臺、太空自行車、抗阻拉力器等健身器材，以滿足航天員日常鍛煉。艙內情景照明可由手機APP控制。

為了確保天和核心艙與地面通信的實時暢通，天和核心艙安裝了航天科技集團五院研制的第三代中繼終端產品。中繼終端能通過中繼衛(wèi)星建立空間站與地面的通信鏈路，承擔著航天員與地面語音、視頻、電子郵件，科學實驗數(shù)據(jù)下傳以及整艙遙測傳輸?shù)墓δ?。核心艙發(fā)往地面的速率相當于地面 5G 通信速率的幾十倍。

可以說，有了中繼終端這個“太空伴侶”的陪伴，未來航天員在核心艙內將不再寂寞，與地面的雙向視頻通話、收發(fā)電子郵件都不在話下。

4月29日11時許，中國文昌航天發(fā)射場，我國近地軌道運載能力最大的火箭長征五號B遙二運載火箭托舉著我國空間站天和核心艙一飛沖天，發(fā)射任務取得圓滿成功。

釋疑一

中國空間站與國際空間站有什么不同？

國際空間站是目前在軌運行最大的空間平臺，是一個擁有現(xiàn)代化科研設備，可開展大規(guī)模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室。它的規(guī)模大約有423噸，由美國、俄羅斯、加拿大、日本等16國聯(lián)合，先后經歷12年建造完成。

航天五院專家表示，中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成，在總體規(guī)模上不及國際空間站，這主要是在建設思路上按照符合中國國情，有所為、有所不為來考慮，綜合當前需求和耗費等因素，不搞像國際空間站那么大規(guī)模的空間站，而是采用規(guī)模適度、留有發(fā)展空間的思路，既可以滿足重大科學研究項目的需要，又同時具備擴展和支持來往飛行器對接的能力。

中國空間站由我國自主建造，實現(xiàn)了產品全部國產化，部組件全部國產化，原材料全部國產化，關鍵核心元器件100%自主可控。

細節(jié)方面，國際空間站的蓄電池初期采用氫鎳蓄電池，后來又經歷技術升級實現(xiàn)了鋰電換氫鎳的過程。而中國空間站從開始就將使用鋰電技術，從技術研發(fā)基礎上已并列國際水平。太陽電池翼作為中國空間站最大的艙外產品，其在軌具備的重復展收技術、整體更換技術、柔性電纜傳輸技術都已接近并超越國際空間站的太陽電池翼的技術體系。

釋疑二

何為載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略？

空間站工程是載人航天工程“三步走”的第三步，天和核心艙則是第三步的首飛之戰(zhàn)。上世紀90年代初，我國載人航天工程正式啟動，國家采取了分步實施的戰(zhàn)略，具體分為三步，第一步是載人飛船階段，在此期間完成了載人飛船的研制，實現(xiàn)了航天員天地往返等目標。第二步是空間實驗室階段，在這一階段，不僅掌握了出艙、交會對接技術，成功對航天員中期駐留太空進行了驗證，還成功驗證了推進劑在軌補加技術，完成了運送貨物補給等任務。第三步是空間站建設階段，我國將建造長期有人照料的空間站。

中國空間站任務又分為關鍵技術驗證、組裝建造和運營三個階段，目前正處于關鍵技術驗證階段。在這個階段，將發(fā)射天和核心艙和2艘載人飛船、2艘貨運飛船，在軌驗證7大關鍵技術：空間站推進劑補加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅動機構、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修，為實施空間站組裝建造和長期運營任務奠定基礎。

據(jù)中國航天科技集團五院空間站任務總指揮王翔介紹，作為人類歷史上規(guī)模最大的航天器，空間站是一種在近地軌道長時間運行、可滿足航天員長期在軌生活、工作以及地面航天員尋訪的載人航天器，代表了當今航天領域最全面、最復雜、最先進和最綜合的科學技術成果。“建成和運營近地載人空間站，將使我國成為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(fā)利用太空資源能力的國家?！蓖跸枵f。

釋疑三

中國空間站的工程目標是什么？

據(jù)航天科技集團五院專家介紹，中國空間站主要有五大工程目標。

一是建造并運營近地空間站，突破、掌握和發(fā)展大型復雜航天器的在軌組裝與建造、長期安全可靠飛行、運營管理和維護技術，提升國家航天技術水平，帶動相關領域和行業(yè)的科技進步，增強綜合國力。

二是突破、掌握和發(fā)展近地空間長期載人航天飛行技術，解決近地軌道長期載人航天飛行的主要醫(yī)學問題，實現(xiàn)航天員長期在軌健康生活和有效工作。

三是建成國家太空實驗室。發(fā)展具有國際先進水平的空間科學與應用能力，開展多領域空間科學實驗和技術試驗、空間應用，以及科普教育，獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰(zhàn)略意義的應用成果。

四是開展國際（區(qū)域） 合作，為人類和平開發(fā)和利用空間資源做出積極貢獻。

五是以在軌服務、地月和深空載人探測需求為牽引，試驗和驗證相關關鍵技術，為載人航天持續(xù)發(fā)展積累技術和經驗。

保證待機15年，中國空間站用了哪些黑科技？

空間站天和核心艙發(fā)射圓滿成功，中國空間站距離我們又近了一步。作為空間站的核心艙段，核心艙是空間站的主要控制節(jié)點，是未來空間站的指揮控制中心。

“問天”及“夢天”兩個實驗艙交會對接后，三者將形成T字型的天宮空間站。中國航天科技集團五院空間站系統(tǒng)副總設計師侯永青介紹，“中國空間站設計在軌飛行10年，具備延壽到15年的能力。我們從設計伊始就開展了長壽命、可靠性、維修性、安全性一體化設計。具體來講，就是以系統(tǒng)和產品的長壽命和固有可靠性設計為基礎，配合開展系統(tǒng)和產品在軌故障診斷、處置預案設計、維修性設計，以實現(xiàn)長壽命、可靠性的既定目標?！?/p>

艙門保護罩

艙外用保護罩為卷簾式結構，便于操作

空間站天和核心艙有多個大小不一、形狀不一的艙門，當航天員在空間站艙間穿行或出艙時，艙門沿著艙門門軸旋轉處于側開狀態(tài)，通過艙門過程中，存在對艙門門體密封圈剮蹭的風險，一旦密封圈受損，艙門密閉失效，就可能影響航天員的生存環(huán)境。為保護艙門門體密封圈不受剮蹭，航天科技集團五院專門研制了艙門保護罩。

艙門保護罩功能雖然單一，但針對空間站的使用高要求，具有操作簡便、產品壽命長、使用次數(shù)多的特點。

根據(jù)艙內和艙外兩種不同的操作環(huán)境，空間站核心艙分別研制了2種狀態(tài)的艙門保護罩，包括艙內用艙門保護罩和艙外用可展收艙門保護罩。為了便于航天員操作，艙內用艙門保護罩為罩蓋式結構，就像落地電風扇防塵罩，使用時只需要航天員將艙門保護罩口部撐開套在艙門上即可；艙外用艙門保護罩為卷簾式結構，使用時航天員只需“抓”“套”“拉”幾個簡單的操作步驟即可完成。

太陽電池翼

收攏后只有一本書的厚度

天和核心艙首次采用了大面積可展收柔性太陽翼，其雙翼展開面積可達134平方米。這是我國首次采用柔性太陽翼作為航天器的能量來源。

與傳統(tǒng)剛性、半剛性的太陽電池翼相比，柔性翼全部收攏后只有一本書的厚度，僅為剛性太陽翼的1/15，同時，展開面積大、功率重量比高，單翼即可為空間站提供9KW的電能，在滿足艙內所有設備正常運轉的同時，也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。

核心艙作為我國壽命設計要求最長的一個飛行器，對所有產品的長壽命提出了最高要求。太陽翼作為艙外產品，要面對的空間環(huán)境極其惡劣，除了需要經歷88000次±100℃的高低溫循環(huán)外，還要經受低軌環(huán)境中原子氧、等離子體、紫外輻照、電離輻照等多種空間環(huán)境的考驗。航天科技集團八院805所柔性太陽電池翼研制團隊開展了3年多的方案論證和比較工作，經過大量的地面模擬長壽命測試。

比如，太陽翼上的張緊機構看似是一根簡單的鋼絲繩，但其實是一套恒力彈簧繩索系統(tǒng)，通過它的不斷伸縮才能保證太陽翼在高低溫環(huán)境下的足夠剛度以及姿態(tài)控制。團隊歷經多年攻關，地面完成了40萬次熱真空疲勞壽命試驗、100萬次常溫常壓壽命試驗，充分驗證了產品的高可靠、長壽命。

空間機械臂

六維力傳感器打破國外壟斷

空間站機械臂主要承擔著懸停飛行器捕獲、輔助航天員艙外活動、艙外貨物搬運、艙體狀態(tài)檢查、載荷照料等重要任務。由中國航天科技集團有限公司四院44所自主為機械臂研制了3款傳感器。

其中，六維力傳感器是三款傳感器中結構最為復雜、研制難度最大的一款，能夠同時測量三個方向上的力分量和轉動時的力矩分量；一維力傳感器主要負責機械臂末端執(zhí)行器在實施目標抓取和拖動功能時，對拖動力進行監(jiān)測；一維力矩傳感器則用于感知機械臂關節(jié)轉動時所承載的力矩，實現(xiàn)整臂的柔順控制。

三款傳感器產品作為機械臂進行伸縮、扭轉、抓握和拖動等動作時各關鍵部位的測力元件，就像機械臂的“觸覺神經”，能夠實時將力學參量反饋至機械臂的“大腦”，為機械臂實現(xiàn)精準控制提供重要依據(jù)，使機械臂具備強大的自由運動能力。

這三款傳感器產品是航天四院44所歷時10年打造出的，具備體積小、質量輕、空間環(huán)境適應性強、精度及可靠性高、可在軌穩(wěn)定運行15年以上等特點，特別是六維力傳感器作為國內首款、目前唯一一款自主研制的能夠實現(xiàn)空間環(huán)境下同時測量6個力和力矩分量并且成功搭載空間站應用的傳感器產品，成功打破了國外在該領域的技術壟斷，對于在該領域進一步實現(xiàn)國產化具有重要意義。

太空廚房

可定量分配常溫水和熱水，濾除銀離子

在太空中，航天員的身體健康狀況尤為重要。在核心艙上，安裝了很多監(jiān)測航天員身體狀況的醫(yī)學監(jiān)測設備。這些產品都是由航天科技集團九院771所負責研制生產。

例如，常規(guī)醫(yī)監(jiān)設備可以為航天員在長期飛行中的生理健康狀態(tài)和功能提供全面有效的醫(yī)學監(jiān)督和保障；無線生理信號檢測裝置負責監(jiān)測航天員心電、呼吸、體溫；睡眠監(jiān)護儀能夠采集航天員睡眠時產生的多路生理信號，為航天員睡眠質量做定期評價提供數(shù)據(jù)；采集航天員常規(guī)心電、運動心電、動態(tài)心電、搶救心電的12導同步心電信號的動態(tài)心電監(jiān)測儀；無創(chuàng)血液動力學監(jiān)護儀能夠實現(xiàn)對航天員一導心電和二導脈搏的無創(chuàng)監(jiān)測，協(xié)助完成航天員的脈搏量、心排量、外周血管阻力等各項血液動力學參數(shù)的健康監(jiān)督。

此外，為方便航天員長期飛行中的飲食需求，771所提供了多種太空廚房食品設備。熱風加熱裝置可將航天食品在規(guī)定時間內加熱到適合在軌食用的溫度；微波加熱裝置則用于加熱非金屬包裝類的食品和飲用水等；飲水分配器除了加熱日常飲用水，還能定量分配常溫水和熱水，濾除水中的銀離子，保證航天員健康飲水。

送空間站核心艙“天和”入軌的，為何是“胖五”B火箭？

4月29日，長征五號B運載火箭沖入云霄。

出身：為空間站建設而生

長征五號B火箭是專門為我國載人航天工程空間站建設而研制的一型新型運載火箭，于2020年5月5日成功首飛。長征五號B遙二火箭發(fā)射空間站核心艙，是長征五號B火箭的首次應用性發(fā)射。

據(jù)航天科技集團一院長征五號系列火箭總指揮王玨介紹，長五B火箭是我國首型“一級半”火箭，是目前近地軌道運載能力最大的運載火箭，代表了我國運載火箭技術的最高水平，近地軌道運載能力不低于22噸，是個不折不扣的“大力士”。

長征二號F運載火箭系統(tǒng)、長征七號運載火箭系統(tǒng)以及長征五號B運載火箭系統(tǒng)，均由中國航天科技集團研制，是目前載人航天工程中的三大運載火箭系統(tǒng)。

長征五號B運載火箭主要完成載人空間站核心艙及兩個實驗艙的發(fā)射任務；長征七號運載火箭主要用于發(fā)射天舟貨運飛船，為空間站和航天員運送物資；長征二號F運載火箭主要負責將航天員乘坐的神舟飛船送往空間站。據(jù)悉，空間站各艙段和貨運飛船將在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射，神舟載人飛船將在中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。

外觀：“膀闊腰圓”，超長整流罩

長五B芯級采用5米直徑，捆綁4個3.35米直徑的助推器，全箭總長約53.66米，起飛質量約849噸，起飛推力約1068噸，近地軌道運載能力25噸級。

從外觀上看，長五B的個子比長五矮一點，但是“頭部”比長五要大了許多，因為有一個特別大的整流罩。

長五B整流罩長20.5米，直徑5.2米，有6層樓那么高，是迄今為止我國最大的火箭整流罩。整流罩采用流線型的馮·卡門曲線外形，可以更好地減小空氣阻力，減輕載荷影響，分離也更安全可靠。

這是為了發(fā)射載人航天工程空間站核心艙和實驗艙而專門設計的，可以說是“私人定制”。巨大的整流罩能很好地保護核心艙，讓它在飛行過程中像“坐沙發(fā)”一樣舒服。

整流罩由端頭、馮卡門錐段、組合前柱段、后柱段和轉接框組成，整流罩的可靠分離成為擺在研制人員面前的一關。研制人員開展了分多次仿真分析、分離試驗，采用彈性整流罩分離仿真技術、大型整流罩地面分離試驗技術，解決了這個難題。另外，整流罩部位的氣動加熱作用也更明顯，特別是安裝在整流罩附近的火工品所處的環(huán)境也更熱了，對火工品提出新的考驗，為此專門開展了相關分析研究和試驗工作。

“神技”：一級半直接入軌

長征五號B火箭由航天一院抓總研制，采用一級半構型，是目前世界在役火箭中唯一一款一級半直接入軌的火箭。火箭系統(tǒng)簡潔，所有發(fā)動機的點火都在地面完成，也無需進行級間分離、高空發(fā)動機啟動等動作，降低了故障發(fā)生的概率，可靠性提升。

要實現(xiàn)一級半入軌，對火箭的發(fā)動機是個考驗。長征五號B火箭助推器配置液氧煤油發(fā)動機，一級火箭配置氫氧發(fā)動機。前者具有推力大的特點，讓火箭點火后獲得較大的加速度，后者具有高比沖的優(yōu)勢，可以為火箭提供高效的速度增量。

“氫氧和液氧煤油兩種發(fā)動機組合形成的‘基因’，決定了能夠構造出一級半直接入軌的火箭，而且火箭的固有可靠性天生就高。”長征五號B火箭總體副主任設計師李平岐說。

長五B火箭特有的“大推力直接入軌精度控制”，則對箭上控制系統(tǒng)提出新挑戰(zhàn)。“就好比一輛正在行駛的汽車，當它速度很慢時，踩一腳剎車就能很容易停到指定位置，然而當它速度很快時，這就變得很難?！?2所長五B火箭姿控系統(tǒng)副主任設計師張宇說，“更何況長五B火箭采用兩臺大推力氫氧發(fā)動機直接送載荷入軌，沒有單獨的調姿和末速修正系統(tǒng)，如果再采用傳統(tǒng)的姿態(tài)控制方式很難達到精度要求?！?/p>

突破：“零窗口”發(fā)射，為交會對接贏得1分鐘

空間站核心艙到位后，實驗艙Ⅰ和試驗艙Ⅱ要與核心艙通過交會對接，在軌進行組裝。交會對接就好比在太空“穿針引線”，失之毫厘謬以千里，一旦出現(xiàn)偏差，空間站艙段就要消耗燃料來變軌，滿足對接要求，造成能力損失。

長征五號B火箭是低溫火箭，面臨著低溫推進劑加注問題和復雜的發(fā)射前流程，實施“零窗口”發(fā)射相比常溫火箭難度大得多。

李平岐說，為解決這個問題，研制團隊對箭上控制系統(tǒng)迭代制導方案進行了優(yōu)化改進，實現(xiàn)了起飛時間與預定時間的誤差不超過±1分鐘時，火箭可以在飛行過程中修正偏差，將空間站軌道艙精準送入原定目標位置。

也就是說，只要在這兩分鐘里點火起飛，火箭到達的都是唯一的終點，助力空間站艙段在太空中實現(xiàn)順利“牽手”。

對比：比長五少一個二級，變輕飛更快

長五B是一個一級半火箭，比長五要少一個二級，但是從研制難度上看，長五B這種一級半構型的火箭，在我們國家尚屬首次，將一級火箭作為末級使用，不增加姿態(tài)調整和速度修正，直接將有效載荷送入軌道。長征五號B與長征五號相比，變“輕”了，火箭飛得更“快”，飛行時的過載也變大了。

記者從航天一院了解到，長征五號運載火箭與長征五號B運載火箭同屬長征五號火箭系列，兩型火箭共享了5米大直徑箭體結構研制、大推力液氧液氫發(fā)動機技術、大推力液氧煤油發(fā)動機技術、大型活動發(fā)射平臺技術、系統(tǒng)級冗余控制技術等關鍵技術，但兩型火箭在設計、用途等方面存在很多不同。

從構型上看，長征五號運載火箭采用兩級半構型，由芯一級+助推器+芯二級+星罩組合體組成；長征五號B運載火箭采用一級半構型，由芯一級+助推器+星罩組合體組成。

從外觀上看，長征五號B運載火箭與長征五號運載火箭的最大區(qū)別在于整流罩，長征五號運載火箭的整流罩長度大約12.3米，而長征五號B火箭的整流罩長度達到了20.5米，是我國目前最大的火箭整流罩。

從用途上看，長征五號運載火箭一般用于發(fā)射高軌道的大型衛(wèi)星以及各類深空探測器，例如實踐二十號衛(wèi)星、嫦娥五號月球探測器、火星探測器等；長征五號B運載火箭主要用于發(fā)射近地軌道的大型衛(wèi)星及飛船，例如載人空間站的核心艙和實驗艙等。

從運載能力上看，長征五號火箭地球同步轉移軌道運載能力約為14噸，長征五號B火箭近地軌道運載能力約為25噸級。

來源：新京報

圖片來源：拍客

編輯：IPRdaily王穎          校對：IPRdaily縱橫君

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