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解析中国天宫空间站:从“丑小鸭”到“白天鹅”

时间:2016年05月13日 信息来源:空天松鼠 点击: 【字体:

2016年是中国航天事业创建60周年,今年的4月24日又是首个“中国航天日”,载人航天工程办公室也举办座谈会,介绍了中国天宫空间站未来的发展和规划。回首距离2010年空间站工程立项还不到6年,天宫空间站却已经走过了从丑小鸭到白天鹅的发展和演化。

“天宫”的设计思路

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国际空间站庞大而昂贵,并非合适的发展路线。

和平号空间站和国际空间站是载人航天发展史上的里程碑,尤其是国际空间站重达400多吨,内部增压空间900多立方米,为空间科学试验提供了广阔的舞台。国际空间站性能虽好但投入已经超过1000亿美元,已是空前绝后。我国还是一个发展中国家,能向载人航天投入的资金有限,空间站建设必须量力而行,这也构成了空间站的设计思路:首先,空间站具有发展潜力但更要规模适度,控制总投资规模;其次,要在掌握大型空间站建造和运营能力的同时,使用更先进的航天技术;最后,要注重应用效益和经济性的平衡。

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我国2010年批准了载人空间站工程,计划2020年左右建成空间站。

2010年9月25日中国正式批准了921载人航天工程的载人空间站工程,计划到2020年左右建成近地轨道载人空间站,使我国成为独立掌握载人空间站技术的国家,具备在近地轨道上进行长期科学技术试验和综合利用太空资源的能力。我国将通过载人空间站的建设和运营,突破和掌握大型航天器的组装建造技术,具备支持大型航天器长期稳定飞行的运营管理和维护能力,这不仅提高了我国航天技术的总体水平,还将带动相关行业的进步。载人空间站还将作为我国在近地轨道上的国家实验室,开展空间科学和技术试验与应用。我国通过天宫空间站积累的技术和经验,还将为载人登月甚至飞行火星奠定基础。

"天宫"的设计演化

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早期的天宫空间站带有浓厚的俄制风格,尤其是核心舱几乎就是和平号DOS-7的翻版。

2010年立项到现在,我国载人空间站虽然始终是三舱T字形的基本构型,但总体设计发生了不小的改动。过去几年里,载人空间站设计方案不断改进和完善,空间站综合性能指标有了明显的提高。

2011年初《载人航天》封面和当年4月征名活动中展示了天宫的早期设计,这是一个与俄国空间站非常相似的方案。载人空间站核心舱不仅外形与和平号空间站的DOS-7核心舱十分相似,太阳翼设计更是活脱脱的克隆DOS-7。两者并不完全一致,我国载人空间站核心舱长度达到了18.2米,直径4.2米,要比俄制舱段长得多,它的实验舱全长14.4米,设计上更像是“天宫一号(微博)”的放大。

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早期的实验舱I结构,可以看到增压的工作舱和气闸舱,外形更类似天宫一号。

我国载人空间站的三个舱段发射质量均为20-22吨,其中核心舱用于空间站的管理控制,并为航天员提供居住环境,实验舱II以应用试验为主,而实验舱I兼具两者的功能,可作为空间站管理控制的备份。天宫空间站的早期方案虽然外形带有浓厚的俄制风格,但计划携带多功能空间站光学设施,这是一部安装在实验舱II上的2米直径大型空间望远镜,主要用于天文学上的巡天观测,这个创举显著提高了空间站的科研和应用价值。尽管如此,我国载人空间站脱胎于和平号空间站的设计风格,看起来还是活脱脱的一只丑小鸭。

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2012年大改后的空间站,带有巨大的柔性太阳翼,实验舱II上光学舱窗口清晰可见。

2012年公开展出的空间站模型发生了巨大的变化,最引人注目的就是实验舱I和实验舱II两端巨大的柔性太阳翼,以及实验舱II上敞开的望远镜舱段,核心舱的太阳翼也改为柔性设计。实验舱两侧的大型太阳翼不仅是风格上跟随国际空间站的大型先进太阳翼,更能为我国的空间站提供充足的能源,根据报道这种长约30米的巨型太阳翼可以提供20千瓦的电能,4个太阳翼总功率可达80千瓦。苏联的和平号空间站受制于太阳能电池效率和太阳翼互相遮挡等因素总功率只有30千瓦,空间站的科研载荷无法同时启动,而我国的空间站就没有了这种烦恼,可以充分发挥实验设备的能力。

我国空间站核心舱不仅改用柔性太阳翼,还增加了LHT-100霍尔推进器用于轨道维持。LHT-100霍尔推进器比冲约为1600秒,使用霍尔电推系统后,根据模拟空间站轨道维持每年仅需要补充约400千克工质,而使用传统化学火箭需要补充的燃料却高达2吨。电推系统用于空间站轨道维持是我国的首创,这项改进将天舟货运飞船的补给发射频率从一年两次降低到一年一次,仅此每年就可以节约至少10亿人民币,空间站全寿命成本至少降低100亿元,堪称应用先进推进技术提高经济性的典型。

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最大扩展构型可达180吨,核心舱尾部和实验舱迎风面的扩展接口已经外挂暴露平台。

三舱空间站紧凑节约,但也留下了发展的潜力。空间站总师周建平提议,未来可以在三舱基本构型的基础上再增加一个核心舱形成十字型构型,还具备继续对接2个实验舱和挂载舱外载荷的能力。我国空间站的最大扩展构型拥有6个舱段和多个大型暴露载荷平台,总质量最高可达180吨,显示了空间站设计方案巨大的扩展潜力。

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天宫空间站基本构型T型三舱,将运行在400公里高、倾角42度的近地轨道。

2013年10月31日,载人航天工程办公室正式将载人空间站命名为天宫,货运飞船命名为天舟,核心舱命名为天和,实验舱I命名为问天,实验舱II命名为巡天。按照计划2018年发射天和号核心舱,随后分别发射实验舱I和实验舱II,最终建成基本构型三舱空间站,它只需要3次长征五号B的发射,体现了我国空间站设计中规模适度的原则。天宫空间站将运行在轨道倾角42-43°、轨道高度340-450公里的近地轨道上,额定乘员3人,空间站设计寿命大于10年。如果国际空间站于2024年如期退役的话,天宫号空间站将成为近地轨道上唯一的载人空间站,

“天宫”的最新方案

今年为了庆祝首个“中国航天日”,中国载人航天工程办公室联合中国卫星导航系统管理办公室举办座谈会,总设计师周建平在会上介绍了我国载人空间站工程的最新情况。

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天和核心舱配备了实验载荷空间和完善的生保环控系统,支持航天员的长期工作和生活。

根据周建平总师的介绍,天和号核心舱负责空间站的电源电路、环境控制和温度控制等功能,安装了再生式和非再生式生命保障系统,可以满足航天员长期居住的需求;它安装了5个对接口和1个出舱口,用于支持实验舱、载人飞船和货运飞船的交会对接,核心舱的前部节点舱还兼职气闸舱功能,航天员通过节点舱顶部的出舱口进行舱外活动;核心舱还配置了10米长度的7自由度大机械臂,机械臂具备自主“爬行”能力,可以从核心舱转移到实验舱上,可广泛用于辅助对接、舱段转移、载荷安装和辅助航天员出舱等任务;核心舱内部配备了4个通用接口设计的载荷装载空间,为开展航天医学和空间生命科学实验提供支持,圆柱段尾部预留了两个大型载荷的挂接接口,可以挂载暴露平台或是其他外部载荷,进一步增强核心舱的科研能力。经过多年的设计优化和完善后,天和号核心舱外形与DOS-7核心舱早已形似而神不似,考虑配备了7自由度机械臂和柔性太阳翼,两者外形上其实也大不相同了。

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天宫最大的变化是光学舱成为独立的巡天天文望远镜,它拥有对接和在轨维护能力。

天宫号空间站的实验舱也有了巨大的变化,最明显的是多功能光学设施从实验舱II剥离出去,成为独立飞行的光学舱。这一决定是注重科研效益的必然结果,即使天宫的早期设计中不惜让实验舱II舱体留有巨大的开口来满足观测视野的要求,但空间站遮挡的影响仍然不小,最终多功能光学设施改为和空间站共轨飞行的独立光学舱,这样它保留了在轨维护的能力,在仪器需要更换和维护时可与空间站对接,又满足了巡天观测视野的需求。由于这个巨大的变化,独立飞行的光学舱或者说空间天文望远镜被命名为巡天,而名不副实巡天号实验舱,最终改名为梦天号实验舱。和空间站共轨飞行的巡天号空间望远镜是我国第一个大口径、大视场的空间天文望远镜,有效视场达到了1度以上,是著名的“哈勃”空间望远镜的几百倍之多,它将主要用于深度巡天观测,尤其是利用弱引力透镜效应也就是引力透镜下星系的微弱变形效应,探寻宇宙中暗物质和暗能量的蛛丝马迹。

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问天号实验舱是最主要的舱内实验场所,拥有最多的通用科研载荷空间。

问天号实验舱的主要任务是支持舱内科研和应用试验,它设计了13个通用载荷装载空间,支持标准单元和整体机柜两种形式的空间实验设备,是空间站展开舱内试验的主要场所之一。问天号实验舱舱外提供了30个标准暴露载荷接口,可支持各种材料暴露试验、安装天文和对地观测载荷,它在圆柱段迎风面还预留一个扩展平台接口,具有支持更多的暴露载荷的能力。问天号实验舱还备份了核心舱的控制等部分功能,并可用于存放航天员消耗品在内的各种补给货物。空间站的主气闸舱也在问天号实验舱上,它还安装了一个灵巧的小型机械臂,不仅可以独立进行舱外载荷的安装和配置,还可与核心舱上的大型机械臂组合成15米长的机械臂使用。

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梦天号加长了增压工作舱,而多功能实验舱的货物气闸舱更是匠心独具。

实验舱II剥离多功能光学设施后,不仅名字改为梦天号实验舱,内部也改的面目全非。梦天号实验舱的主要任务同样是支持舱内和舱外科研应用试验,它拥有9个通用载荷装载空间,并提供了37个标准暴露载荷接口。值得一提的是,它的暴露载荷平台由舱内暴露平台和可展开暴露平台两部分组成,利用有限的空间提供了更多暴露平台接口,虽然是没有大型桁架、外部空间有限的无奈之举,但的确是相当精细的设计。实验舱II的多功能光学设施分离后的内部空间也物尽其用,它的增压舱段有所加长,同时利用剩余空间设计了多功能实验舱。多功能实验舱拥有大型货物专用气闸舱,可以在机械臂和航天员的配合下,支持载荷和仪器设备自动进出多功能实验舱,这到是天宫号空间站设计的重要创新。从结构图上看,梦天号多功能实验舱部分的货物气闸舱尺寸很大,不出意外的话,货物气闸舱未来不仅可以用于释放小卫星和微纳卫星,更能支持大型试验载荷和设备进出舱,从而进行更大规模的舱外试验,提高了空间站平台的科研潜力。

“天宫”的最新计划

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今年长征七号将进行首次发射,它未来将主要用于发射天舟货运飞船。

不积跬步无以至千里,天宫号空间站的设计和规划再好,仍然需要中国航天做好技术和经验的积累。2016年6月中国将首次发射长征七号运载火箭,它是我国研制的新一代中型运载火箭,可将最大重量将近14吨的天舟飞船送入200公里X400公里的近地轨道,长征七号火箭将主要用于发射天舟系列飞船;2016年9月中国将发射天宫二号空间实验室,进行一系列空间科学试验;2016年10月,中国将发射“神舟”十一号载人飞船,与天宫二号空间实验室进行对接,进行30天的航天员中期驻留试验;2017年4月左右,长征七号火箭将发射天舟一号货运飞船,与天宫二号进行对接,进行推进剂在轨补加等空间站建造运营关键技术的验证,天舟一号飞船还将利用富余运力搭载载荷进行一系列空间应用试验。

2022年前后我国将建成天宫空间站,为载人航天走向深空铺平道路。

天宫二号空间实验室任务之后,2018年左右我国将发射空间站试验核心舱,验证空间站组装建造、航天员长期驻留和舱外活动等关键技术。以上任务顺利的话,评估后试验核心舱将直接作为天宫号空间站的天和号核心舱使用,随后发射问天和梦天实验舱与其对接组成完整的空间站。如果飞行验证中发现试验核心舱存在重大问题,将修改备份核心舱并将其发射升空,继续进行空间站的建造。天宫号空间站建成的标志,当属巡天号空间望远镜的发射升空,预计时间在2022年左右。天宫号空间站是我国第一个大型永久性载人空间站,还将承上启下积累载人航天的经验技术,为中国载人航天走向地月空间、小行星和火星以远的深空奠定坚实的基础。


(作者:张雪松)
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