中国未来大型空间站
图：发射天宫二号的长征2F火箭已整装待发。图为长征2F火箭离开厂房，向发射区转运。今年中秋，可谓双喜临门。第一喜，当然是大家可以放假在家吃月饼啦；第二喜，就是我国预定在中秋节当天发射天宫二号空间实验室，这意味着我国载人航天工程“三步走”战略中的第二步进入收官阶段，接下来从2018年起的“第三步”就是正式开始大型空间站建设了。堂主今天就准备和大家一起看看，中国未来大型空间站是怎么样的。不过，这次发射的毕竟是天宫二号空间实验室，畅想之前，我们先看看现实。天宫二号相比天宫一号(微博)有什么进步？天宫二号的绝大部分设计与天宫一号没有区别。这也正常，按照中国航天人步步为营、稳扎稳打的风格，天宫一号主要承担的任务是验证空间交汇对接技术，它先后与神舟八号、九号和十号载人飞船进行对接，已圆梦完成任务。天宫二号这次的主要任务则是，航天员在轨驻留生活30天。之前神八、神九、神十乘员组在天宫一上停留的时间都只是1个星期左右；而此次神十一乘员组就要辛苦一些了，要在天宫二号这个大铝罐子里生活30天，不过堂主相信没什么问题的。相比天宫一号，天宫二号的空间实验任务多得多，甚至可以说它才是真正的空间实验室。天宫二号将进行空间冷原子钟、量子密钥分配、伽玛暴偏振探测仪、高等植物培育和综合材料实验等14项实验。这些高大上的科学试验，堂主也不是很懂，不过可以肯定的是，空间冷原子钟、量子密钥分配两项试验在未来军事应用上将大有用处。图：正在装入长征2F火箭的天宫二号，它大体设计与天宫一号一致。在硬件上，天宫二号也有3项爆款的贴心设计创新哦。第1项是，在舱内增加了蓝牙设备，也就是航天员可以用上蓝牙无线耳麦，这样航天员就可以摆脱线缆的束缚，随心所欲的进行太空直播秀。第2项是，配备在轨维修技术验证装置，航天员在舱内使用机械臂操作终端进行在轨维修试验，不用再穿着臃肿的舱外航天服冒险出舱了。第3项是，携带了一枚伴星二号微型卫星，进入轨道释放、伴飞。伴星二号上装有高分辨率的全画幅相机，绕飞期间将对天宫-神舟组合体拍下高清照片。大家都玩过自拍杆，有玩过这么高端吗？天宫二号发射后，神舟十一号载人飞船将在10月发射升空与其对接，一个月后，神舟十一号将在11月返回。接下来，2017年4月，我国将会在文昌用长征七号火箭，发射天舟一号货运飞船与天宫二号对接，届时天舟一号将会为天宫二号补充燃料，填补我国太空燃料补加技术空白。图：天宫二号之后，我国将从2018年开始建设大型组合式空间站。2018年后中国航天将进入空间站的时代，2022年将建成百吨级大型空间站天宫二号任务完成后，从2018年起，中国载人航天工程将正式进入空间站阶段，其标志就是2018年发射天和号试验核心舱。随后我国还将陆续发射问天号实验舱、梦天号实验舱和巡天号光学舱，在2022年左右完成空间站的建造工作。堂主再次想强调的是，未来空间站也叫“天宫”号，但这种组合式大型空间站显然比天宫一号、天宫二号强大得多。未来的“天宫”由天和号核心舱、问天号和梦天号实验舱这三个20-22吨的舱段组成，三舱呈T字形结构，核心舱前端指向飞行方向，前端对接口主要用于神舟载人飞船的对接，而后端对接口用于对接天舟货运飞船。图：天宫空间站建设过程示意图。基本型空间站加上载人和货运飞船后的总质量约90吨，如果是人员轮换期间，天和号核心舱同时对接两艘神舟飞船就要接近100吨，如果是巡天号光学舱对接维护期间总重量更是超过100吨。考虑到天舟飞船将不断向空间站运送各种实验载荷，核心舱和两个实验舱的质量都将明显增加，无论按哪个标准天宫空间站都是百吨级空间站。天宫号空间站将运行在高度340～450公里、倾角42～43度的近地轨道上，设计寿命大于10年，额定乘员3人，轮换时最多支持6人。图：未来天宫空间站的3D模拟图技术、功能复杂的天和号核心舱首先来看天宫空间站的天和号核心舱，它长度18.2米，最大直径4.2米，重量约22吨。天和号舱段是空间站控制和管理的中心，整个空间站组合体无论是两个实验舱还是对接的载人和货运飞船，都将由它统一管理和控制。天和号核心舱设计上有首尾两个对接口，前部节点舱两侧各有1个停泊口，节点舱天顶方向是一个出舱口，而对地方向则是一个对接口，核心舱前部的节点舱在建造试验阶段兼职气闸舱，建成后成为备份气闸舱。图：天和号核心舱3D图，尾部设有对接口与货运飞船对接；首部设有节点舱，节点舱左右各有1个停泊口，前下各有1个对接口，天顶方向有1个出舱口。核心舱安装了两个单自由度的柔性太阳能电池板，在独立飞行期间提供能源供应，还配有10米长的大型机械臂，支持航天员辅助转移、舱段捕获和转移、舱外设备安装和维护等操作。核心舱要控制管理空间站，姿态控制系统自然必不可少，它配有大型控制力矩陀螺，同时还装有小型姿控发动机，为了补偿高层大气阻力的影响，核心舱还安装了电推发动机。天和号核心舱还是航天员工作生活的主要场所，配置了生命保障、饮水进餐、垃圾和排泄物处理等可供3名航天员长期生活的设施。图：天和号核心舱装有大型机械臂，它主要用于实验舱段、舱外设备安装。考虑了这么多空间站管理和航天员生保问题，天和号核心舱的科学实验功能受到了一定的削弱，尽管如此它仍然留有实验载荷的装载空间，至于舱外更是预留了2个大型舱外实验平台的挂载接口，可供未来扩展实验能力。天和号舱段承担着这么重要的任务，不愧是空间站的核心舱，它和天宫二号空间实验室的技术跨度很大，所以按照现在的设想，天和号核心舱发射后，将进行航天员中期驻留、出舱操作等一系列试验，还将同时对接载人和货运飞船，并对核心舱的各项功能进行验证。如果天和号核心舱运行正常，我国将从2020年开始先后发射问天号试验舱和梦天号试验舱，与天和号核心舱组成三舱构型的中国空间站。图：天和号核心舱的结构示意图问天号和梦天号实验舱将提供充足的太空试验空间天宫号空间站的两个实验舱同样是重约22吨的舱段，但它们有着不同的设计和用途。问天号实验舱主要用于支持舱内和舱外的空间科学实验，它的内部设计了13个通用载荷装载空间，支持多种形式的实验设施，外部有30个暴露载荷接口，此外空间站的主气闸舱也安装在问天号实验舱上，用于支持航天员的出舱活动，同时它还配备了小机械臂，用于支持舱外实验载荷的安装和维护。问天号还备份了核心舱的部分功能，舱内还用于存放航天员工作生活的消耗品以及空间站的备件和补给货物。图：问天号实验舱是舱内和舱外实验的主要场所，也是生活工作物资的存放地。梦天号实验舱则在问天号基础上加长了密封工作舱，通用载荷装载空间增加到9个，可容纳更多的实验载荷，另外的空间成为多功能实验舱。多功能实验舱上不仅拥有舱内和可展开的暴露平台，外部暴露载荷接口高达37个，还匠心独具的设计了货物专用气闸舱，可以在航天员和机械臂的配合下，支持更大尺寸的货物进出舱。梦天号实验舱发射对接后，我们也可以从空间站上释放微纳卫星了。假以时日天宫号空间站建成后，利用天舟货运飞船顺路捎带微纳卫星并从空间站释放入轨，将成为中国微纳卫星发射的主要手段之一。图：梦天号实验舱加长了工作舱，增加了多功能实验舱，具有更强的舱外实验能力。简而言之，天宫一号、天宫二号重量都不到10吨，里面还要设置电力、姿态控制、航天员出舱、航天员生活支持等设施设备。而未来天宫空间站，有2个22吨重的专用实验舱段，其实验开展空间将是天宫一号、二号的数十、上百倍。天宫号空间站主体部分是三个舱段，但独立出来的巡天号光学舱也是值得一提的对象。巡天号光学舱是我国第一个大口径的天文望远镜，它的光学口径可达2米，虽然口径比哈勃略小，但它是一个大视场的空间望远镜，主要用于进行巡天科学研究。图：巡天号光学舱，它将在天宫空间站旁边共轨运行。考虑到美国哈勃望远镜之前出现故障，要让航天飞机变轨飞过去维修，费时费力费钱；我国就将巡天光学舱跟天宫空间站放一起，出故障时指令它飞近与天宫连接，天宫号上的科学家就可以出舱对它进行维护或加注燃料了。中国人是不是比美国人聪明呢？国际空间站只运行到2024年，此后将是中国天宫空间站的舞台我国天宫号空间站按计划稳步推进，不但促进了我国航天事业的发展，对国际空间科学研究来说，也是一大幸事，因为现在的国际空间站预定在2024年退役。1998年，国际空间站的第一个舱段——曙光号功能舱发射升空，同年发射的还有团结号节点舱，2000年星辰号服务舱和美国的命运号实验舱先后发射对接，到现在它们已经在太空中飞行了太长时间，舱段年迈老旧日益不堪重负。同样老化的还有国际空间站的桁架结构和太阳翼，随着时间的推移巨形太阳翼上的太阳能电池发电能力逐渐下降，蓄电池也到寿需要更换，桁架结构本身的结构和驱动装置也时日无多。国际空间站此前已经进行过第一次延寿，本来计划只服役至2020年，现在要延寿到2024年更是勉为其难。空间站老化后故障日益增多，维护和保养费用快速上涨，进一步延寿很可能得不偿失。至于2024年后交给商业公司，美国商业航天公司倒是有利用空间站的想法，但它们认为一个自带电力和姿轨控的单舱段空间站就够了。毕竟国际空间站实在太大了，美国、俄罗斯航天局都觉得负担沉重，异想天开的交给私营公司运营，恐怕找不到什么公司接盘。图：国际空间站可能只能服役至2024年了。如果国际空间站按期在2024年退役的话，天宫空间站很可能将成为近地轨道上唯一的的载人空间站。之所以说可能，是因为俄罗斯很可能将新发射的科学号实验舱和NEM舱段剥离，建立自己的载人空间站，此外美国的Bigelow公司也可能发射以BA-330充气舱段为基础的商业旅游空间站。不过话说回来，俄罗斯航天预算大幅度减少，而商业轨道旅游前景不明，只有我们的天宫确定在2024年后仍然服役。根据《载人航天》刊物的消息，以及对空间站零部件的报道分析，天宫号空间站很可能要使用15年甚至更久，它将在很长时间里独霸地球轨道。图：俄国未来空间站构型不断变化，但是否独立建造还是未知数凭借这一独特优势，中国空间站的国际合作也日益提上日程，我们欢迎一切有志于参与载人航天的国家和组织在中国空间站项目上进行合作。今年3月中国载人航天工程办公室和联合国外空司签订协议，为联合国成员国尤其是发展中国家在中国空间站上开展空间科学实验提供机会，中国还将为他们的航天员和载荷专家提供飞行机会，促进载人航天方面的国际合作。（文/张雪松）图：中国载人航天办和联合国外空司签订协议，为联合国成员国参与中国空间站提供机会。
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