中國空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師詳解“天宮”——

天宮空間站：中國“太空家園”

習(xí)近平總書記指出：“建造空間站、建成國家太空實(shí)驗(yàn)室，是實(shí)現(xiàn)我國載人航天工程‘三步走’戰(zhàn)略的重要目標(biāo)，是建設(shè)科技強(qiáng)國、航天強(qiáng)國的重要引領(lǐng)性工程。”2010年9月，中國載人空間站工程正式立項(xiàng)實(shí)施。經(jīng)過全體參研參試人員十多年的不懈努力，中國空間站完成了在軌組裝建造。

神舟十八號(hào)即將發(fā)射升空，這是中國空間站在運(yùn)營階段一次重要的飛行，將實(shí)現(xiàn)飛船電池等方面的升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展，成為中國載人航天發(fā)展進(jìn)程中新里程碑，再次證明中國在載人航天技術(shù)方面取得的重大進(jìn)步和自主發(fā)展能力。

天宮空間站的建成，標(biāo)志著中國獨(dú)立掌握了近地軌道大型航天器在軌組裝建造技術(shù)，具備了開展空間長期有人參與科學(xué)技術(shù)實(shí)（試）驗(yàn)的能力，為不斷推動(dòng)我國空間科學(xué)、空間技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，為建設(shè)航天強(qiáng)國、提升我國在國際載人航天領(lǐng)域的影響力提供了重要支撐。

中國空間站完全獨(dú)立自主設(shè)計(jì)，三艙均有獨(dú)立的電源、控制、推進(jìn)和測(cè)控系統(tǒng)，通過交會(huì)對(duì)接和在軌平面轉(zhuǎn)位完成組裝建造，與載人飛船、貨運(yùn)飛船等共同構(gòu)成百噸級(jí)載人空間站。

中國空間站利用艙內(nèi)外實(shí)（試）驗(yàn)支持設(shè)施，持續(xù)滾動(dòng)地開展各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。充分發(fā)揮有人參與、實(shí)（試）驗(yàn)設(shè)施和能力可升級(jí)、實(shí)（試）驗(yàn)項(xiàng)目可迭代的優(yōu)勢(shì)，不斷推動(dòng)我國空間科技的創(chuàng)新與發(fā)展，助力空間科技成果的推廣應(yīng)用與轉(zhuǎn)化，為國家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和國際競(jìng)爭力提升作出貢獻(xiàn)。

安全宜居  運(yùn)行穩(wěn)定

中國空間站取名“天宮”，寄托了中華民族對(duì)廣袤太空的無限遐想，同時(shí)也表明中國空間站將是一個(gè)長期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行且宜居的“太空家園”。

天宮空間站由天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙三個(gè)基本艙段組成。天和居中，問天和夢(mèng)天分別位于兩側(cè)。空間站設(shè)置有前向、徑向和后向3個(gè)對(duì)接口，前向?qū)虞d人飛船等來訪航天器，徑向主要對(duì)接載人飛船，后向主要對(duì)接貨運(yùn)飛船。

中國空間站完全獨(dú)立自主設(shè)計(jì)，三艙均有獨(dú)立的電源、控制、推進(jìn)和測(cè)控系統(tǒng)，通過交會(huì)對(duì)接和在軌平面轉(zhuǎn)位完成組裝建造，與載人飛船、貨運(yùn)飛船等共同構(gòu)成百噸級(jí)載人空間站，利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合使用各航天器功能與資源。其中，天和核心艙負(fù)責(zé)空間站的統(tǒng)一管理和控制；問天實(shí)驗(yàn)艙開展空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)，同時(shí)具有能源管理、信息管理、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境等關(guān)鍵功能備份；夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要開展空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)；載人飛船負(fù)責(zé)航天員天地往返任務(wù)；貨運(yùn)飛船負(fù)責(zé)空間站及航天員物資補(bǔ)給、推進(jìn)劑補(bǔ)加以及廢棄物銷毀。

攻關(guān)突破  彰顯特色

我國載人航天工程按照“三步走”戰(zhàn)略，在充分繼承前期載人工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，遵循“獨(dú)立自主、創(chuàng)新引領(lǐng)、體系保障、規(guī)模適度、留有發(fā)展空間”的設(shè)計(jì)原則，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢(shì)協(xié)同攻關(guān)，突破了一大批關(guān)鍵技術(shù)，形成了具有鮮明中國特色的空間站方案。

獨(dú)立自主的系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)?？臻g站研制從系統(tǒng)任務(wù)功能和指標(biāo)體系入手，整體統(tǒng)一設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分解，使得三艙功能既有側(cè)重又協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了組合體各艙功能和資源的高效融合，提高了整體可靠性和運(yùn)行能力。在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)層面，系統(tǒng)制定統(tǒng)一的技術(shù)體制，使產(chǎn)品通用化率高于80%，各艙產(chǎn)品可互換、系統(tǒng)可重構(gòu)。

同時(shí)，空間站兼容神舟載人飛船、天舟貨運(yùn)飛船的技術(shù)體系，使飛船與空間站對(duì)接后構(gòu)成有機(jī)整體，由天和核心艙統(tǒng)一管理和控制。

空間站采用了“航天器自主交會(huì)對(duì)接+艙段平面轉(zhuǎn)位”的中國式建造方案，以交會(huì)對(duì)接方式實(shí)現(xiàn)艙段在軌對(duì)接，自主設(shè)計(jì)了高效、可靠的艙段平面轉(zhuǎn)位方案，創(chuàng)新了大型航天器在軌組裝建造技術(shù)。

高效統(tǒng)一的空間能源技術(shù)。首次采用了大面積柔性太陽翼作為整站發(fā)電裝置，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙太陽翼單翼展開長度27米、面積超過110平方米，設(shè)置在組合體遠(yuǎn)端的艙體尾部，采用雙自由度對(duì)日定向，可確保在“T”字構(gòu)型組合體各種飛行姿態(tài)下，太陽翼均有良好的太陽照射條件，充分發(fā)揮其發(fā)電效能。

空間站三艙能量由核心艙統(tǒng)一管理，通過并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨艙動(dòng)態(tài)調(diào)配，并可為不同電壓體制的來訪航天器提供供電支持。

天地一體化空間高速信息技術(shù)。空間站采用天地一體化信息與測(cè)控高速傳輸技術(shù)，以我國中繼衛(wèi)星系統(tǒng)天基測(cè)控方式為主，各艙段測(cè)控通信系統(tǒng)融合使用，提高天地間測(cè)控、通信和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力與效率。

空間站采用當(dāng)代信息技術(shù)構(gòu)建信息系統(tǒng)，各艙設(shè)備、軟件、通信協(xié)議采用通用化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了空間站各艙段及與來訪航天器間的數(shù)據(jù)、話音、圖像等多種信息的管理與共享。信息系統(tǒng)由天和核心艙實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，問天實(shí)驗(yàn)艙作為備份。

智能靈活的空間機(jī)械臂技術(shù)。天和核心艙配置1個(gè)7自由度的大機(jī)械臂，作業(yè)半徑近10米；問天實(shí)驗(yàn)艙配置1個(gè)7自由度的小機(jī)械臂，作業(yè)半徑5米。大、小機(jī)械臂既可獨(dú)立工作，也可協(xié)同工作，還可以級(jí)聯(lián)形成組合臂工作，自主完成載荷照料、輔助航天員轉(zhuǎn)移和作業(yè)等多項(xiàng)任務(wù)。

在三艙布置有多個(gè)機(jī)械臂目標(biāo)適配器作為“腳印”，可供大、小機(jī)械臂在艙外“爬行”，大幅擴(kuò)展了機(jī)械臂的活動(dòng)范圍，提高了靈活性。

安全舒適的長期駐留支持技術(shù)?？臻g站的設(shè)計(jì)建造堅(jiān)持以人為本的理念，一方面確保航天員在軌駐留安全舒適，另一方面注重支持航天員主觀能動(dòng)性的有效發(fā)揮，充分體現(xiàn)人在空間站建造和運(yùn)行中的獨(dú)特作用。

在空間站環(huán)境控制和生命保障方面采用物化再生生保技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源再生利用，大幅減少水資源和氧氣的上行補(bǔ)給量。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制氧。后續(xù)還將采用二氧化碳與氫氣還原技術(shù)，以及生活垃圾處理與再利用技術(shù)，進(jìn)一步提高物資再生循環(huán)利用水平，最大限度地減少上行補(bǔ)給量，降低運(yùn)營成本。

空間站為航天員配置飲水就餐、個(gè)人衛(wèi)生、醫(yī)學(xué)檢查與監(jiān)測(cè)、在軌鍛煉等設(shè)施，提供無線WiFi通信功能。引入地面智能家居和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，航天員可通過智能終端實(shí)現(xiàn)天地雙向視頻、智能家居管理、報(bào)警管理、醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)以及物資管理，提高航天員生活質(zhì)量、工作效率以及對(duì)整站狀態(tài)的智能化管理能力。

高效能的空間應(yīng)用保障能力?？臻g站支持開展多學(xué)科領(lǐng)域的空間科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)，以標(biāo)準(zhǔn)化資源為主、專用化資源為輔，為應(yīng)用載荷提供機(jī)、電、熱和信息接口，支持應(yīng)用載荷在軌輪換更替開展實(shí)（試）驗(yàn)。

密封艙內(nèi)為載荷提供25個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜空間，可在軌更換、滾動(dòng)使用。問天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙艙外共提供67個(gè)通用載荷適配器，分布在艙外不同部位，為開展艙外載荷實(shí)（試）驗(yàn)創(chuàng)造了有利條件。夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙配置了貨物氣閘艙，可與機(jī)械臂協(xié)同完成艙外載荷自動(dòng)進(jìn)出艙，極大地提高了工作效率。

空間站為載荷提供不小于12千瓦的供電功率，不小于每秒1100兆字節(jié)的數(shù)據(jù)下行能力以及每秒萬兆字節(jié)的艙間數(shù)據(jù)傳輸速度，可支持艙間載荷數(shù)據(jù)協(xié)同處理。

“太空母港”  開放共享

中國空間站完成三艙組裝建造后，將成為有人參與的科學(xué)探索與技術(shù)創(chuàng)新的國家太空實(shí)驗(yàn)室。中國空間站的應(yīng)用前景主要在以下方面。

中國空間站將利用艙內(nèi)外實(shí)（試）驗(yàn)支持設(shè)施，持續(xù)滾動(dòng)地開展各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，研究方向包括航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、空間天文與天體物理學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理與燃燒科學(xué)、空間地球科學(xué)及應(yīng)用、空間環(huán)境與空間物理、航天新技術(shù)等，在軌可充分發(fā)揮有人參與、實(shí)（試）驗(yàn)設(shè)施和能力可升級(jí)、實(shí)（試）驗(yàn)項(xiàng)目可迭代的優(yōu)勢(shì)，不斷推動(dòng)我國空間科技的創(chuàng)新與發(fā)展，助力空間科技成果的推廣應(yīng)用與轉(zhuǎn)化，為國家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和國際競(jìng)爭力提升作出貢獻(xiàn)。

當(dāng)前中國空間站已在軌開展了航天醫(yī)學(xué)、物理、生物、材料、天文等方面實(shí)（試）驗(yàn)，在國際上首次完成了水稻“從種子到種子”全生命周期空間培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，完成了我國首次斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在軌試驗(yàn)，熱電轉(zhuǎn)換效率等綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

中國空間站創(chuàng)造了長期共軌飛行、短期?？糠?wù)的“太空母港”運(yùn)行模式，可作為近地軌道在軌服務(wù)平臺(tái)，開展在軌服務(wù)。后續(xù)將發(fā)射巡天空間望遠(yuǎn)鏡與空間站共軌飛行。巡天空間望遠(yuǎn)鏡是我國首個(gè)大口徑、大視場(chǎng)空間天文望遠(yuǎn)鏡，長期與空間站共軌飛行，短期對(duì)接停靠，進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)加，由航天員進(jìn)行設(shè)施維護(hù)等。未來將有更多共軌航天器與空間站伴飛并作短期?？?。

空間站具備良好的艙段擴(kuò)展和應(yīng)用支持?jǐn)U展能力，在現(xiàn)有三艙構(gòu)型基礎(chǔ)上，前向?qū)涌陬A(yù)留了擴(kuò)展接口，具備擴(kuò)展為四艙、最大為六艙組合體的能力，可支持180噸級(jí)組合體在軌飛行。

采用了維修性設(shè)計(jì)，設(shè)備可在軌更換維護(hù)，在線升級(jí)軟件，持續(xù)提升空間站技術(shù)水平和對(duì)科學(xué)技術(shù)實(shí)（試）驗(yàn)的支持能力。

本著“和平利用、平等互利、共同發(fā)展”的原則，中國空間站致力于成為對(duì)外開放的科技合作交流平臺(tái)，為各國提供科學(xué)技術(shù)實(shí)（試）驗(yàn)機(jī)會(huì)，為各國航天員和載荷專家提供在軌飛行機(jī)會(huì)。

目前，已確定了一批來自國際上的項(xiàng)目陸續(xù)進(jìn)入空間站開展實(shí)（試）驗(yàn)。這些項(xiàng)目涉及空間天文學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、地球科學(xué)、應(yīng)用新技術(shù)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)等。

探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國，是我們不懈追求的航天夢(mèng)。中國載人航天工程始終遵循“三步走”戰(zhàn)略，走出了一條符合我國國情的跨越式發(fā)展道路。未來中國空間站將作為國家太空實(shí)驗(yàn)室長期在軌運(yùn)行，我們將管好、用好、發(fā)展好空間站，持續(xù)開展科學(xué)技術(shù)研究和在軌服務(wù)，持續(xù)推動(dòng)科技創(chuàng)新和應(yīng)用成果產(chǎn)出，著力服務(wù)國家戰(zhàn)略、國計(jì)民生和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，使載人航天發(fā)揮更大的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，我們要把中國空間站打造成面向國際社會(huì)的科技合作交流平臺(tái)，以開放共享的姿態(tài)，為人類和平探索和利用太空貢獻(xiàn)中國力量。

（作者為中國工程院院士、中國載人航天工程空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中國空間技術(shù)研究院研究員）