[转载]我国未来空间站的设计

 

我国未来空间站的设计

 

 

 

 

 

神舟九号载人交会对接任务胜利完成后，2012年8月神舟九号代表团分别访问了香港和澳门，在公开展览中展示了大量神舟九号任务的实物和图片，其中包括神舟九号飞船的返回舱和主降落伞、载人任务的太空服实物、太空活动的照片和太空拍摄的地球美景。过去的历史固然是辉煌的一页，但未来更待可期，我国载人航天工程未来将发射两个太空实验室，并在2020年左右建成可长期驻留的空间站。神舟九号代表团的展览图片中，也展出了未来空间站的想象图。虽然这个未来载人空间站还是一个核心舱外加两个实验舱的基础设计，但是在细节上有了不小的优化， 反应了我国载人空间站在技术上的进步，这对我这样关注载人航天工程的航天爱好者来说，是很令人兴奋的。

 

 

 

网友有限時間在澳门拍摄的清晰图片，可以看到和早期设计有了很大不同

最主要是增加了两个巨大的太阳翼(以下我国空间站最新设计图片均为网友有限時間拍摄)

        虽然载人航天工程总设计师王永志院士曾在论文中提到，我国载人空间站设计经历了“由小舱到大舱，由单舱到三舱”的演变，但是我国空间站的早期论证方案仍然藏在深宫人未知。如果看近年来公开的我国未来空间站的设计，完全可以看作是苏联和平号空间站的翻版，只不过对接的舱段更少而已，所以质量也更小。我国载人航天工程并不是没有创新，新的大型货运飞船更类似欧洲ATV飞船，提供了基于联盟飞船改进而来的进步货运飞船数倍的运输能力，不过这更多的属于配套飞船，空间站主体设计仍然酷似和平号。面对这样的设计，不仅很多外国航天爱好者，就是我这样的中国航天爱好者，都忍不住想要讽刺：是不是时光倒流，怎么2001年坠落的和平号还在天上？

 

 

2011年我国空间站的设计方案，由一个核心舱和两个实验舱组成，对接了一艘货运飞船和一艘载人的神舟飞船       作为921载人航天工程的三步走计划的第三步，空间站项目是我国载人航天的重中之重。不同于苏联礼炮和钻石系列分不清屡战屡败还是屡败屡战的悲壮历史，也不同于美国从巨型的天空实验室到先进的自由号空间站的先进性，我国载人空间站项目既无法承受苏联人如此多的失败，也没有美国那么先进的技术。从发展计划上说，我国载人空间站要一步到位达到和平号空间站的水平，并为下一代载人航天器积累技术和运行经验，用我国航天人自己的话来说“中国空间站建设起点高、难度大”。自2010年9月25日中国空间站建设立项以来，我国航天部门组建了空间站团队，进行了大量论证研究，尽管总体设计上大力借鉴了和平号空间站的，但仍尽可能地体现中国特色和中国航天的自主创新。

        官方刊物的封面图以权威展示了我国空间站当时的设计，2011年中国载人航天工程网还开展了一次中国空间站征名活动，披露了空间站的部分信息。从官方图片看，我国空间站以一个带多对接口的核心舱为核心，对接实验舱和宇宙飞船构成了完整的空间站，而征名活动中具体说明了这个空间站的诸多技术指标。我国空间站基本舱段只有一个核心舱和两个实验舱，它们都是具备独立飞行能力的飞行器，发射质量也都在20~22吨，空间站总质量约为66吨，根据其他来源的报道，王永志总师曾提到这个空间站的实验载荷质量约6~7吨。我国未来载人空间站的规模要比苏联时代开始建设、俄罗斯时期最后完成的和平号空间站要小得多，俄罗斯的和平号空间站包括一个核心舱，还有量子一号和量子二号、晶体、光学和自然等5个实验舱，总质量达到了约130吨，其中实验仪器质量约11.2吨，总的说来我国空间站完全可以说是半个和平号了。

 

 

 

中国载人航天工程网上公布的我国未来载人空间站核心舱图片，可以看到它与和平号空间站核心舱极其相似        我国空间站的具体设计与和平号空间站相当相似，我国空间站空间站核心舱包括节点舱、生活控制舱和资源舱3个组成部分，其中节点舱是一个装有5个对接口的圆形球体，用于对接空间站舱段和宇宙飞船；生活控制舱是航天员太空长期驻留期间太空生活的主要场所，同时也是对空间站进行控制和管理的中心，资源舱则主要为航天员生活和工作提供包括能源电力、姿轨控、环境控制与生命保障等在内的各种支持。这种设计与俄罗斯和平号空间站的核心舱如出一辙，和平号的核心舱代号DOS-7，质量20.4吨、长度13.13米最大直径4.15米，内部增压空间约90立方米，同样基本分为这3个组成部分，甚至同样携带3个太阳翼，在外形上极其相似。考虑到在航天领域我国与俄罗斯进行了大量的技术交流和引进，我国空间站核心舱完全可以说是和平号核心舱DOS-7的翻版，当然如果觉得和平号太过老旧，说是模仿了国际空间站上DOS-8星辰号，也说得过去。和平号空间站曾饱受电力供应不足的困扰，这既有和平号供电系统设计老旧使用松散供电系统的原因，也有和平号作为典型的多舱式空间站，各个舱段太阳翼尺寸不足而且存在互相遮挡的因素。和平号空间站核心舱3个太阳翼的砷化镓太阳能电池板总面积达到98平方米，其功率最高也不过是9~10千瓦，加上光学、晶体和量子各实验舱的太阳翼，和平号空间站的总功率也只有30千瓦左右，其电力供应无法满足实验舱仪器设备正常运行的要求。对比和平号空间站核心舱，我国载人空间站核心舱上的太阳翼尺寸相近，空间站电力供应也并不乐观。苏联时代的和平号空间站，左为核心舱，右为量子号功能舱。我国空间站核心舱无论是舱室划分还是太阳翼设计都与其很相似，节点舱设计和外形更是一模一样

 

        虽然空间站核心舱上极大的借鉴了和平号的设计，不过正如神舟飞船不是简单的复制联盟飞船，在空间站的实验舱上，我国仍有自己的特色。在早期设计中，两个实验舱都是发射质量20~22吨、14.4米长、最大直径4.2米的大型舱段，反映出两个实验舱采用同一平台的设计，与和平号空间站量子、晶体、自然和光学各自设计和长度不一形成鲜明的对比。我国空间站实验舱的外形与现有的天宫一号目标飞行器相似，不过即使是中国载人航天工程网上同一时期的示意图片，仍然有不小的差别。

 

 

 

  2011年空间站证明活动中展示的实验舱的结构示意图，它的增压舱段比《载人航天》2011年第2期封面图上空间站实验舱的增压段要长得多

 空间站征名活动中出现了明显加长的增压舱段，如果这是更晚的优化结果，将是一个很好的预兆，意味着我国空间站可能拥有更大的增压空间，这不仅意味着更大的生活空间，也是更大的试验工作空间，很可能也意味着更大的载荷质量。面对空间站实验舱和天宫系列空间实验室以及货运飞船外形上的相似性，我们可以推测货运飞船和空间站实验舱都是由天宫系列空间实验室演化而来，而某些资料暗示天宫一号目标飞行器的实验舱和神舟飞船的圆柱形轨道舱有一定的继承关系，这样的路线图最大程度的利用了现有成熟系统的资源，提高了新系统的成熟度和可靠性，并降低了新系统的研发成本。我国载人航天小步快跑渐进改良的发展路线还是非常出色的，实现了花小钱办大事的效果，也在空间站研制设计上也体现了自己的特色。对于作者来说，上一次看到这么出色的研制路线图，是标准导弹尤其是EPAA中标准3反导拦截弹的分阶段改进路线。

 

 

2012年10月1日发行的的《航空周刊》载人航天文章的配图美国承认神舟飞船是目前最先进的载人飞船，当然潜台词是(我们美国人)更先进的下一代飞船并不遥远        由于国内外因素影响，我国既没有进行载人航天竞赛的必要，也没有进行载人航天竞赛的本钱。欧洲航天局、印度太空研究组织、日本宇宙开发机构的载人航天项目都困难重重遥遥无期，其中任何一方具备完整的载人航天能力都要至少十年后。美俄在数十年前就建立了完整的载人航天系统，它们联合建立的国际空间站在规模上和技术上都远超我国十年后才能建成的长期驻留的载人空间站，尤其是美国还在推进载人深空探索，计划对数百万甚至上千万千米外的近地小行星进行考察。我国在载人航天领域不上不下的位置，正好给我国按照经济和技术实力独立自主制定载人航天发展计划提供了可能。我国自1999年神舟一号发射以来，经历12年时间只进行了9次神舟飞船和1次天宫一号目标飞行的发射，初步验证了交会对接技术，这个发展速度虽然远逊于冷战时期美苏载人航天竞赛狂飙突进时期的项目进度，但在可靠性和安全性上获得了丰厚的回报，在技术上也有很大的提高。虽然俄罗斯人碍于面子还是照常吹捧联盟飞船，但资金技术更雄厚的美国人，并不吝于承认神舟飞船的先进性。由天宫一号发展而来的大型货运飞船，更是借鉴了欧洲航天局ATV货运飞船的设计，具有将近6吨的货运能力，数倍于俄罗斯现有的进步号货运飞船，这将使我国空间站未来所需的货运飞船补给频率降低到一年一次，大大降低了载人空间站的全寿命成本。同样的，在空间站设计上，我们看到早期设计的优化，体现更多根据我国技术实力而实现的自主创新，也是一种必然。

 

新的空间站设计在实验舱两端增加了巨大的太阳翼，给人耳目一新的感觉，也大大增强了供电能力        我国空间站较早的设计中，尽管实验舱上体现了自己的特色，但从外形看我国空间站和平号的模仿痕迹还是挥之不去。2012年8月香港澳门展出的空间站新设计，则给人耳目一新的感觉。空间站的新设计中最明显的就是实验舱两端的各一对巨大的太阳翼，对比空间站舱段其尺寸及其巨大，完全可以和国际空间站桁架两端的大型太阳翼相比。国际空间站的4对太阳翼供电能力相当强大，每个太阳翼尺寸为115X39英尺(35X12米)，寿命初期每对太阳翼最高可产生32.8千瓦的电能，平均输出功率为约21千瓦。如果按这个数据推测，我国空间站太阳翼最高可产生60千瓦电力，向空间站提供约40千瓦电力，此外新设计中核心舱上还保留了两个太阳翼，按和平号的数据推断可产生至少6千瓦的电力，总功率大大高于和平号空间站，可以为两个实验舱和核心舱提供充足的电力。                使用巨大的太阳翼，是我国空间站载荷质量增加的必然结果。我国空间站较早的设计中号称载荷质量约6~7吨，但2010年底王永志总师接受采访时已经表示，我国空间站的空间应用能力已经提升到10~20吨，而2011年王永志总师进一步提出载荷质量达到约20吨，龚惠兴院士则进一步详细的指出我国空间站可提供的有效载荷质量约为16~17吨。面对实验仪器的成倍增加，继续按照和平号的设计思路增加太阳翼数量完全无法满足需求，借鉴国际空间站的太阳翼设计也就顺理成章了。不过遗憾的是，目前公开的信息太少，我们无法具体获知空间站到底装备什么样的仪器设备，但已经确定了将在实验舱II上放置一部2米口径的大型光学望远镜用于天文观测，号称多功能空间主动光学设施，这将是我国第一部空间主动光学设备，它的观测范围覆盖了从可见光到近红外波段，恰似光学波段的哈勃望远镜和近红外波段的韦伯(JWST)望远镜的杂交，从口径上说比2.4米的哈勃略小，远小于韦伯的6.5米口径，这也折射出我国基础科学领域虽然有很大进步，但距离美国仍有不小的差距。空间站节点舱天顶方向的对接口，与APAS对接机构明显不同。实验舱II的暴露部分，会是多功能空间主动光学设施么？        我国空间站的另一个新设计是大型对接机构，这同样是一个显著的进步。在神舟八号、神舟九号分别与天宫一号对接后，现有的异体同构周边(APAS)对接机构的可靠性已经通过了验证，我国未来载人飞船仍将继续使用异体同构周边对接机构。不过现有的异体同构周边对接机构仍有一些不足，突出表现在对接通道直径只有0.8米，虽然对于航天员显得狭小但通过并无问题，但较大的实验设备就只能拒之门外了。为了加强空间实验能力，美国研制自由号空间站时，由波音公司开发了CBM对接机构，这是一种通过机械臂辅助驳接的对接机构，其外部直径2米内部通道直径1.27米，可以通过较大的实验设备如一体化的国际空间站标准载荷机柜(ISPR)，有利于空间应用实验的开展。在我国空间站的新设计图片上，节点舱天顶方向的对接口没有异体同构周边对接机构的3片导向板，到是和美国的CBM对接机构相当相似。在报道中我们也可以看到一些蛛丝马迹，神舟九号载人交会对接任务成功完成之际，《科技日报》报道研制异体同构周边对接系统的张崇峰及其团队，目前正着力于空间站系统机械臂抱爪式对接机构的研制。

        同样不断进步的还有空间站机械臂，根据航天科技集团的报道，2012年航天科技5院机械臂团队最后赢得了空间站机械臂的竞争，除了现有的六自由度机械臂外，他们还在研制更先进的 七自由度冗余机械臂，进一步具备了爬行能力，进一步提高了我国空间站机械臂的水平，从而使空间站机械臂在空间站建设、维护，航天员出舱操作等诸多领域得到更广泛的应用。通过七自由度冗余机械臂的研制，我国将具备类似国际空间站加拿大机械臂2的先进机械臂研制生产能力，使我国空间站技术上更上一层楼。

        在进行了诸多的改进后，我国空间站的新设计，可以说是一个现代化的和平号，不过更确切地说，是和平号和国际空间站的混血，总体上达到了世界先进水平。如果国际空间站按原定计划在2020年后退役，我国空间站将接过国际空间站的班，成为人类进军太空的重要基地，如果以此为契机大力开展国际合作，恐怕就将成为新时代的“国际空间站”，这并非是我个人的空想，2012年9月11日欧洲航天局官员托马斯·莱特称欧洲正在和中国开展协商，使用中国飞船进入太空，据称欧洲部分航天员还在学习中文，以便在将来的飞行中更好的交流和协作。