2022年，我國圓滿完成了載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略任務(wù)，全面建成了中國第一座空間站“天宮”，取得了舉世矚目的航天成就。從今年起，我國“天宮”空間站正式進入應(yīng)用與發(fā)展階段，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃，中國航天員將進行常態(tài)化值守。據(jù)悉，執(zhí)行2023年載人航天飛行任務(wù)的兩個乘組已完成選拔，其中首次上天的第三批航天員包括工程師、科學(xué)家，令人期待。今天我們就來盤點一下中國空間站的發(fā)展亮點與成就，并展望未來的巡天科學(xué)研究前景。

中國原創(chuàng) 自主構(gòu)型技術(shù)更利于姿態(tài)控制

科學(xué)家利用空間站體積大、功能強、壽命長和能長期有人照料等特點，可以進行許多地面上難以開展的科學(xué)技術(shù)研究，產(chǎn)生顯著的多種效益。為此，我國于1992年開始實施載人航天工程，并在陸續(xù)掌握了載人飛船、太空行走、交會對接、貨運飛船等關(guān)鍵技術(shù)后，開始建造國家太空實驗室——空間站。

2010年9月25日，中央批準研制由13個系統(tǒng)組成的中國首座近地軌道載人空間站，意在使我國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術(shù)，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)技術(shù)試驗和綜合開發(fā)利用太空資源能力的國家。經(jīng)過12年的奮斗，我國終于在2022年底實現(xiàn)了這個目標。

我國第一座空間站的建造沒有走美國和蘇聯(lián)先建造單艙式，再建造多艙式空間站的老路，而是直接建造采用積木式構(gòu)型的多艙式空間站，并且達到了世界先進水平，還實現(xiàn)了產(chǎn)品、原材料全部國產(chǎn)化，關(guān)鍵核心元器件100%自主可控。

這一“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(gòu)型。每個艙的質(zhì)量都為20噸級，它們依次發(fā)射后，通過在軌交會對接和轉(zhuǎn)位，形成水平對稱的“T”字構(gòu)型，即“天和”核心艙居中，“問天”艙和“夢天”艙對接于兩側(cè)。

據(jù)空間站系統(tǒng)總指揮王翔介紹，采用這種構(gòu)型能節(jié)省空間站姿態(tài)控制所需的能量。因為從原理上講，為使航天器易于運動控制，航天器構(gòu)型應(yīng)保證主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布盡量對稱、緊湊，使航天器的質(zhì)心居中。俄羅斯和平號空間站就曾因?qū)恿硕鄠€實驗艙后不對稱了，導(dǎo)致消耗了較多能量進行姿態(tài)控制。

總的來說，我國空間站建造和運行分為3個階段：2021年為關(guān)鍵技術(shù)驗證階段，先后發(fā)射了“天和”核心艙和“天舟”貨運飛船、“神舟”載人飛船各兩艘；2022年為在軌建造階段，先后發(fā)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；從今年起，我國空間站進入應(yīng)用與發(fā)展階段，航天員采用乘組輪換方式，連續(xù)不間斷訪問、照料空間站，開展為期至少10年的空間科學(xué)研究、航天技術(shù)試驗等空間站應(yīng)用活動。

核心之艙 多項創(chuàng)新大幅提高空間站效能

2021年4月29日發(fā)射的“天和”核心艙為航天員提供了50立方米的活動空間。該艙段用于統(tǒng)一管理和控制空間站組合體，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(xué)科的艙內(nèi)外空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗；配置了大型機械臂和備份氣閘艙。它可安裝4臺科學(xué)實驗柜，當(dāng)初發(fā)射時裝了3臺，并已取得科研成就。

“天和”核心艙由節(jié)點艙、生活控制艙、后端通道和資源艙組成。

節(jié)點艙有3個對接口和2個停泊口。其中，前向接口與生活控制艙相連，左右兩個方向?qū)ｉT用于“問天”和“夢天”實驗艙的停泊，軸向和對地向?qū)涌谟糜谳d人飛船的對接，對天向?qū)涌谟糜诤教靻T早期出艙，是備用氣閘艙出艙口。

生活控制艙分為小柱段和大柱段。小柱段有3個臥室和1個衛(wèi)生間，大柱段是乘組工作、控制、鍛煉和休閑的地方。艙內(nèi)有空間站統(tǒng)一控制系統(tǒng)、科學(xué)儀器、通信設(shè)備、計算機系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和空氣處理系統(tǒng)等。在密封的生活控制艙內(nèi)，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)6個區(qū)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。末端對接口用于對接“天舟”貨運飛船，接收來自地面的物資。

“天和”核心艙的姿態(tài)控制采用先進的6個力矩陀螺方式，即通過改變角動量方向來產(chǎn)生控制力矩，其優(yōu)點是精度和可靠性很高。核心艙還采用了不少新技術(shù)，尤其是下面4項創(chuàng)新，大大提高了我國空間站的效能。

其一，在核心艙配置了一部承載力達25噸的10米長“七個自由度大型空間機械臂”，可在艙體表面爬行移動。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)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(xié)同下，也能完成復(fù)雜的艙外作業(yè)活動。

其二，為了降低成本，核心艙采用了先進的再生式生命保障系統(tǒng)。航天員呼出的水蒸氣會通過冷凝水方式回收，排泄的尿液也通過先進設(shè)備回收凈化，重新作為飲用水和生活用水使用。電解制氧時產(chǎn)生的氫氣與航天員呼出的二氧化碳，通過化學(xué)反應(yīng)生成氧氣，這可進一步降低氧氣的補給需求。實踐表明，核心艙上水的回收效率優(yōu)于95%，水的利用效率優(yōu)于83%。

其三，核心艙首次采用了一對大面積可展收柔性太陽翼，它集合了大面積輕量化、重復(fù)展收高可靠、低軌10年在軌長壽命、剛?cè)岵叱休d這四大全新技術(shù)。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(tǒng)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，其全部收攏后僅為剛性太陽翼體積的1/15。

其四，核心艙除了配備常規(guī)的化學(xué)能軌控發(fā)動機和姿態(tài)控制發(fā)動機外，還額外配置了4臺大功率霍爾電推進發(fā)動機，其效率比化學(xué)能發(fā)動機高幾倍，因而可有效節(jié)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，使我國空間站只需2年發(fā)射3艘“天舟”貨運飛船即可。當(dāng)然，這也與“天舟”運載能力大有關(guān)。

一專多能“問天”還有隱藏任務(wù)

2022年發(fā)射的“問天”和“夢天”實驗艙都能單獨飛行。它們與核心艙對接后可對核心艙功能予以備份和增強，主要用于空間科學(xué)實驗和航天技術(shù)試驗。這兩個實驗艙共裝有4個（2對）柔性太陽翼，且比核心艙上的太陽翼更大，每個單翼翼展長20多米，采用“三結(jié)砷化鎵電池”，光電轉(zhuǎn)換效率可在30%以上。它們使空間站總發(fā)電功率初期為72千瓦，末期為27千瓦，從而能規(guī)避蘇聯(lián)建造的世界首座積木式空間站和平號因電源不足帶來的一系列問題。

“問天”實驗艙于2022年7月24日升空，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(nèi)設(shè)有3個臥室、1個衛(wèi)生間和多個實驗柜；氣閘艙用于航天員出艙；資源艙裝有大量燃料、姿軌控動力系統(tǒng)和大型柔性太陽翼。

我國之所以先發(fā)射“問天”實驗艙，再發(fā)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(tǒng)一管理和控制能力。所以，萬一核心艙發(fā)生某些故障，還可用“問天”實驗艙控制整個空間站組合體，從而提高空間站整體設(shè)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，它與核心艙對接后，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14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(nèi)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臺，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，它可以爬行，也能與核心艙的大型機械臂組合成15米長的更大機械臂。其位置精度優(yōu)于大型機械臂5倍，姿態(tài)精度優(yōu)于大型機械臂2倍，適用于完成精度要求更高的各類載荷和平臺設(shè)備的艙外安裝、維護和照料等。

“問天”實驗艙主要用于開展空間生命科學(xué)研究，可以裝8臺科學(xué)實驗柜，發(fā)射時帶上去4臺，已陸續(xù)投入使用。

科研工場“夢天”專職空間科研

2022年10月31日升空的“夢天”實驗艙和“問天”實驗艙的構(gòu)型差不多，由工作艙、貨物氣閘艙、載荷艙、資源艙4個艙段組成，可開展更大規(guī)模的空間研究實驗和新技術(shù)試驗，是空間科研與應(yīng)用的“夢工場”。

“夢天”實驗艙的工作艙是航天員工作與鍛煉的地方，裝有較多科學(xué)實驗柜和鍛煉設(shè)備。

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(nèi)部隱藏1個貨物氣閘艙，以減少氣體泄漏。其中，載荷艙配置2個展開式暴露實驗平臺和1個固定式艙外暴露實驗平臺，它們可提供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，可支持運送的貨物尺寸是1.15米×1.2米×0.9米。

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(jù)空間站在軌運動姿態(tài)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(zhuǎn)動。

“夢天”實驗艙是我國“天宮”空間站3個艙中支持載荷能力最強的艙段，可裝13個實驗柜，發(fā)射時已裝了9個，艙外配置有37個載荷安裝工位，能為各類科學(xué)實驗載荷提供機、電、信息方面的能力支持。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(wèi)生間以及小型機械臂，以便多裝科學(xué)實驗柜；

二是“夢天”實驗艙主要面向微重力科學(xué)研究，因此裝有高精度時頻、高溫材料、流體物理、燃燒等科學(xué)實驗柜和航天基礎(chǔ)試驗機柜；

三是“夢天”實驗艙最大的特點是有一個貨物氣閘艙，其內(nèi)部有一臺載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)，使貨物能自動出艙，這不僅使貨物出艙能力得到了大幅提升，還可為在軌工作生活的航天員“減負”，現(xiàn)已投入使用；

四是“夢天”實驗艙專門配置了微小飛行器在軌釋放機構(gòu)，它在載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)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(guī)格立方星（有廣泛用途的一種小衛(wèi)星）的在軌釋放需求。

“夢天”實驗艙還搭載了一些重要先進裝置和設(shè)備。例如，空間高效自由活塞斯特林熱電轉(zhuǎn)換裝置、X射線透射成像系統(tǒng)、高溫爐及批量樣品管理系統(tǒng)等。

前景廣闊

空間站構(gòu)型有望由“T”擴為“干”

“天宮”空間站具有鮮明的中國特色和時代特征，采用轉(zhuǎn)位機構(gòu)和機械臂結(jié)合，進行艙段轉(zhuǎn)移、對接，在航天員和機械臂的協(xié)同下，可以完成復(fù)雜艙外建造和操作活動。神舟12號-15號乘組已通過主份和備份氣閘艙以及大小機械臂成功完成了多次太空行走任務(wù)。

作為國家太空實驗室，“天宮”空間站的獨特優(yōu)勢是能提供長時間、穩(wěn)定的微重力、強輻射、高潔凈、高遠位置等環(huán)境，有希望發(fā)現(xiàn)被重力或大氣層掩蓋的物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律和宇宙真相。目前，我國空間站艙內(nèi)科學(xué)實驗機柜已達16臺，它最多可布設(shè)25個科學(xué)實驗柜，其艙外共布設(shè)了67個標準暴露載荷接口。我國可利用空間站支持能力、微重力和輻射環(huán)境、航天員較長在軌駐留、天地往返等有利條件，在航天醫(yī)學(xué)實驗、空間科學(xué)研究與應(yīng)用和航天技術(shù)試驗等領(lǐng)域展開上千項科學(xué)實驗。

目前，我國航天員已在空間站內(nèi)取得多項科研成就。比如，神舟15號航天員近日使用由我國自主研制的空間站雙光子顯微鏡開展了在軌驗證實驗任務(wù)并取得成功。這是目前已知的世界首次在航天飛行過程中，使用雙光子顯微鏡獲取航天員皮膚表皮及真皮淺層的三維圖像，為未來開展航天員在軌健康監(jiān)測研究提供了全新工具。

我國空間站不貪大求全，規(guī)模適度，是符合中國國情和實際需要的理性選擇。其特點是起點高、效益高、技術(shù)新、保障強。據(jù)中國空間站總設(shè)計師楊宏院士介紹，與“國際空間站”相比，我國空間站規(guī)模雖然相對較小，但從建造成本和應(yīng)用效益的角度綜合分析，其載荷支持效率更高。另外，我國空間站也可以根據(jù)需要進一步擴展，再對接一個核心艙加兩個實驗艙，由“T”字構(gòu)型擴展成“干”字構(gòu)型，從而使活動空間增加一倍。它還是世界第一個太空“母港”，可以在軌維修共軌飛行的其它航天器。

中國載人航天“三步走”計劃完成后，航天員和科學(xué)家在太空的實驗活動將會實現(xiàn)常態(tài)化，“天宮”有望取得有重大科學(xué)價值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果。今年，我國載人登月階段的各項研制建設(shè)工作將全面實施；明年，我國還將發(fā)射與“天宮”空間站共軌飛行的“巡天”光學(xué)艙（即“巡天”空間望遠鏡），其分辨率與美國“哈勃空間望遠鏡”相當(dāng)，但視場角是后者的300多倍，可在大范圍巡天科學(xué)研究方面顯身手。由此可見，中國載人航天事業(yè)前景廣闊。

（作者為全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）