“天和”出征!中国空间站开启“下饺子”模式,两年11次密集发射,3次舱段、4次货运、4次载人发射

2021
04/30

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与载人飞船和已经退役的航天飞机不同,空间站最大的特点是能够满足人类长期驻扎太空的需要。

作者:徐焕然  编审:王新凯
排版:王落尘

昨天中午,“天和”核心舱将搭乘长征五号B 遥二运载火箭从海南文昌发射场发射升空,承载着中华民族载人航天梦想的“天宫”空间站也正式开启了为期两年的建设之路。

空间站“天和”核心舱的发射,意味着中国空间站建设大幕已经开启,中国航天也步入一个全新的时代。

据了解,此次发射的“天和”号核心舱长 16.6 米、最大直径 4.2 米,重量达到 22.5 吨,能满足 3 名宇航员长期在轨驻留需求。


建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题,是我国载人航天工程“三步走”发展战略中第三步任务目标。

2020 年 5 月,长征五号B 运载火箭首飞任务取得圆满成功,实现了空间站阶段飞行任务首战告捷,拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕。根据任务安排,后续将实施一系列飞行任务,于 2022 年前后完成空间站在轨建造,建成在轨稳定运行的国家太空实验室。

我国载人航天工程已经全面转入空间站在轨建造任务阶段,今年将陆续实施空间站核心舱发射、货运补给、载人飞行等多次任务。

按照此前公布的空间站建造任务规划,今明两年将接续实施 11 次飞行任务,包括 3 次空间站舱段发射,4 次货运飞船以及 4 次载人飞船发射,于 2022 年完成空间站在轨建造,实现中国载人航天工程三步走发展战略第三步的任务目标。

图|中国空间站“天宫”示意图

而环顾全球,人类的长期在轨驻扎事业却似乎迎来了瓶颈期。国际空间站(ISS)在轨运行已经超过 20 年,日渐衰朽;美俄两国在航天合作商矛盾频出,俄罗斯准备另立门户;美国则积极鼓励商业力量进入太空领域……

这种背景下,“天宫”的建成及日后运营无疑有望改变未来世界的载人航天力量格局,帮助中国发出自己的声音。

天上“宫阙”

与载人飞船和已经退役的航天飞机不同,空间站最大的特点是能够满足人类长期驻扎太空的需要。

其必备的系统设备包括加压舱室、电力供应系统、生命支持系统等。基于这些配置,空间站可以满足科学研究、军事侦查以及太空旅游等多种用途。

一般来讲,小型空间站是完全组装后发射的,但较大的空间站分成模块送上太空,在轨道上组装。为了最有效地利用运载工具,空间站通常是空着发射的,而航天员则乘坐不同的运载工具跟随升空。

因此,一个空间站的运作需要一个运输系统来运送人员和设备,并补充推进剂、空气、水、食物,以及其他在日常运作中消耗的物品。

自 1971 年以来,全球共有 11 个空间站先后被发射到近地轨道上:礼炮 1 号,天空实验室,礼炮 3、4、5、6、7 号,和平号,国际空间站,以及天宫一号和二号。而这 11 个空间站又可以按照结构复杂程度划分为四个代际。

图 | 礼炮 1 号

第一代包括苏联的“礼炮 1 号”至“礼炮 5 号”空间站,美国的“天空实验室”以及中国的“天宫一号”和“天宫二号”。 它们的共同特点是单舱且只有一个对接口,空间有限又寿命较短。

第二代包括苏联的“礼炮 6 号”和“礼炮 7 号”两座空间站。它们的设计特点是有两个接口,但依旧保持单舱空间布局。

到了第三代,空间站的进化开始加速,不仅实现了多舱布局,而且做到了多模块组合的“积木式”结构。而该代次空间站的代表就是大名鼎鼎的和平号空间站,另外我国即将建成的“天宫”也属于这一代次。

在第三代空间站之后,以美国为首的 16 国又联合建造了全球唯一的四代空间站、也是至今唯一在轨运行的空间站——国际空间站。

图 | 国际空间站

相比前三代,国际空间站不仅拥有 16 个舱室:4 个俄罗斯舱、9 个美国舱、2 个日本舱和 1 个欧洲舱。而且衍架结构和积木式的“混血”结构使其体型更庞大、构造更复杂。作为迄今为止国际间最大规模的合作项目,国际空间站已经耗费了各成员国超千亿美元的经费。

肇造“天宫”

相比于“礼炮”系列距今已经半个世纪的历史,我国的空间站项目起步较晚。

上世纪 90 年代,我国载人航天工程确立了“三步走”发展战略:第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

2011 年 9 月 29 日,中国研制的第一个空间实验室“天宫一号”才在酒泉卫星发射中心成功发射。



天宫一号由实验舱和资源舱组成,先后与神舟八号、神舟九号、神舟十号三艘飞船对接,帮助我国掌握了空间交会对接技术以及为建设空间站积累经验。

2016 年 9 月 15 日,我国第一个真正意义上的空间实验室天宫二号成功发射入轨,次年 4 月 20 日,首艘货运飞船天舟一号发射升空,解决了空间站建造和长期运营所需的太空货物运输问题。

天舟一号和天宫二号的多次“太空加油”使我国成为世界上第三个掌握推进剂在轨补加技术的国家,两者进行的绕飞和自主快速交会对接,则是对未来空间站技术的预先试验。至此,我国载人航天推进至空间站时代。

图 | 神舟十一号飞船与天宫二号自动交会对接成功

不过,天宫一号和天宫二号已分别于 2018 年 4 月 2 日和 2019 年 7 月 19 日受控离轨并再入大气层坠毁,茫茫太空亟待新的空间站。

相比于天宫一号和天宫二号,此次建设的“天宫”空间站可以说是实现了跨越式的进步。

据全国政协委员、中国载人航天工程总设计师周建平介绍,中国空间站总体构型是 3 个舱段,包括“天和”核心舱、问天实验舱Ⅰ和梦天实验舱 Ⅱ,每个舱都是 20 吨级,整体呈 T 字构型,可在轨运营 10 年以上。

其中,“天和”核心舱全长 16.6 米,最大直径 4.2 米,发射质量 22.5 吨,有五个对接口,可以对接一艘货运飞船、两艘载人飞船和两个实验舱,另有一个供航天员出舱活动的出舱口,是未来空间站的管理和控制中心。



核心舱在设计上较过去有了很大突破,供航天员工作生活的空间约 50 立方米,未来加上两个实验舱后,整体能够达到 110 立方米,可支持 3 名航天员长期在轨驻留。

除此之外,未来会单独发射一个十几吨的光学舱,与空间站保持共轨飞行状态。“计划在光学舱里架设一套口径两米的巡天望远镜,分辨率与哈勃相当,视场角是哈勃的 300 多倍。如果在轨十年,可以对百分之四十以上的天区,约一万七千五百平方度天区进行观测。”周建平说。

未来格局

2020 年 11 月 2 日,国际空间站度过了它的“20 岁”生日。在这 7300 天里,这个价值 1500 亿美元的空间站接待了来自 19 个国家的 241 名宇航员,并完成了 3000 多个科学实验。

但辉煌的成绩也意味着其已经愈发临近最终服役期限。而且,国际空间站的运行成本非常高,仅 NASA 每年需要支付的成本就达 30-40 亿美元,这使得多数成员国萌生退意。

根据规划,国际空间站被正式批准运行到 2024 年 12 月,最晚不会延期至 2028 年后。所以各主要参与国都开始积极谋划“后国际空间站”时代的太空战略。

在这方面较为积极的是俄罗斯。俄罗斯副总理 Yuri Borisov 本月在接受国家电视台采访时提出了俄罗斯推出国际空间站项目的可能性。

据塔斯社报道,俄罗斯对国际空间站目前的状况不太满意。鲍里索夫指出,俄罗斯现有的承诺只延续到 2024 年底,在那之后,俄罗斯将专注于建设自己的空间站,并计划于在 2030 年之前投入使用。

但考虑到俄罗斯航天部门日渐捉襟见肘的财务状况和国际发射市场上 SpaceX 的挤压,这个时间表能不能按时兑现恐怕只有俄罗斯人自己清楚。

转过来再看美国方面,今年 3 月 23 日,NASA 举行了关于“商业近地轨道目的地”(commercial LEO destinations)的在线行业简报,表明该机构正在考虑将商业公司纳入到未来空间站的规划中来。

图 | 科幻作品中的空间站

就目前的成果来看,的确有多家美国商业航天公司先后公布了“商业空间站”项目的 PPT。例如,总部位于休斯敦的 Axiom Space 公司计划将国际空间站作为其在建立自家空间站的跳板。

Axiom 公司的目标是在 2024 年开始向国际空间站发射新的商业模块,为轨道实验室上的宇航员提供更多生活和研究空间。而且,当国际空间站退役时,Axiom 空间站将完成建设并分离独立运行。

另外,总部位于加州的 Orion Span 公司也计划建立自己的近地轨道空间站,名为 Aurora。该公司表示,该空间站可能在今年年底发射,并在明年开始为客户提供服务。更不要说还有早早放出风声要筹建商业空间站的 Nanorack、Sierra Nevada 和蓝色起源。

但梦想丰满,现实骨感!商业空间站的鼻祖 Bigelow Aerospace 的遇挫使得整个商业空间站赛道都变得不再那么平坦。

去年 3 月 23 日,已经成立 20 多年商业空间站公司 Bigelow Aerospace 宣布因为新冠疫情解雇了其所有员工,公司正在停止运营。

而在此之前,该公司一直致力于充气式可扩展模块(BEAM)的设计与建造,其 2016 年 4 月发射的 BEAM 至今仍安装在国际空间站上,用于存储和一些额外的测试。

对于公司的结局,Bigelow Aerospace 的创始人 Robert Bigelow 表示,“该行业要想成熟,在一段时间内,政府必须提供大量补贴。”而这也足见商业空间站的风险性。

结束语



走出地球、奔向宇宙是人类千百年来的愿望,这映衬了我们智人这一物种对未知的好奇心和探索的勇气,而空间站恰恰是实现常驻太空的第一步。

站在 2021 年的历史节点向后看,中国很有希望在未来十多年的空间站建设运营上拔得头筹,这对我们来说既是机遇,也是考验。

参考文献:
1. 从东方红一号到中国空间站.
2. Birth and Evolution of the ISS: Past, Present and Future.
3. Bigelow Aerospace lays off entire workforce.
4. NASA wants to help private space stations get off the ground.
5. What's next after the International Space Station? Plans afoot for more off-Earth outposts.
6. Space Stations of the Past, Present, and Future
7. 中国空间站在轨建造,启幕在即.
8. 载人航天工程总设计师深度解码中国空间站.
9. 周建平:中国空间站将有诸多后发优势.
10. Russia threatens to abandon the International Space Station and build its own.



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关键词:
中国空间站,国际空间站,天宫二号,天宫一号,货运,飞船,礼炮

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