北京時間2021年4月29日11：23，搭載“天和一號”核心艙的“長征五號B”遙二運載火箭，在文昌發(fā)射場發(fā)射升空，核心艙順利進(jìn)入預(yù)定軌道，為中國空間站的建造建立了基礎(chǔ)與核心。

截至2022年4月29日，“天和一號”核心艙（以下簡稱“天和”或“天和”核心艙）已經(jīng)飛行了一周年，這是我國目前規(guī)模最大系統(tǒng)最復(fù)雜的航天器，在空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段經(jīng)歷了一段豐富多彩而充滿技術(shù)含量的太空之旅！

大火箭提供大舞臺，我國規(guī)模最大的航天器

所謂運載火箭能力有多大，太空探索舞臺就有多大。在中國航天史上，運載火箭的運力一直是航天發(fā)射規(guī)模的約束條件。上世紀(jì)，我國低軌運力最強的是“長征二號E”運載火箭，其近地軌道（LEO）運力為9.2噸，這個運力直到“長征七號”火箭才被超越，后者LEO運力達(dá)到了14噸。2020年“長征五號B”火箭在文昌發(fā)射場成功首飛，其LEO運力達(dá)到了25噸，將我國低軌航天發(fā)射能力提升了一大步，為“天和”核心艙的發(fā)射提供了前提條件。

“天和”核心艙負(fù)責(zé)中國空間站組合體的控制和管理，總長16.6米，艙體最大直徑4.2米，由節(jié)點艙、小柱段、大柱段、后端通道及資源艙組成，其起飛質(zhì)量達(dá)到了22.5噸，是目前我國自主研制的規(guī)模最大的航天器。而就在“天和”發(fā)射的1年之前，“長征五號B”遙一火箭發(fā)射了新一代載人飛船試驗船深空版，其起飛質(zhì)量也達(dá)到了21.6噸，略遜于“天和”核心艙。

航天飛機之后世界質(zhì)量最大的航天器

2011年7月21日美國“亞特蘭蒂斯號”航天飛機在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心著陸，世界航天告別了航天飛機。自那以后，世界范圍內(nèi)20噸級的載荷發(fā)射次數(shù)并不多，包括歐洲ATV自動貨運飛船，起飛質(zhì)量約20噸；美國“獵戶座”飛船，其深空版起飛質(zhì)量可達(dá)25噸，但是2014年首飛只配備了模擬服務(wù)艙，返回艙的質(zhì)量為12噸；中國新一代載人飛船深空版，起飛質(zhì)量21.6噸；俄羅斯“科學(xué)號”實驗艙，起飛質(zhì)量20.3噸，這些都不及“天和”達(dá)到22.5噸的起飛質(zhì)量，后者是美國航天飛機退役之后質(zhì)量最大的航天器。

此外，21世紀(jì)以來，除了美國的航天飛機，“天和”核心艙是世界發(fā)射升空的質(zhì)量第二大的單體航天器，第一大單體航天器是國際空間站美國“命運號”實驗艙（destiny laboratory module），發(fā)射質(zhì)量達(dá)到了24噸 [1]，由美國“亞特蘭蒂斯號”航天飛機于2001年2月7日發(fā)射升空，對接于“團(tuán)結(jié)號”節(jié)點艙（unity node module）。

龐大的系統(tǒng)工程！我國系統(tǒng)最復(fù)雜的航天器

巨大的體量是外在，為太空探索提供了舞臺，復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計是內(nèi)核，支撐了眾多的空間應(yīng)用，“天和”核心艙是一個精致的“大個子”。

規(guī)劃了豐富的功能區(qū)。艙內(nèi)配置有工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)、鍛煉區(qū)以及物品存放區(qū)等，其中工作區(qū)分布于大柱段和節(jié)點艙，睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)分布于小柱段，就餐區(qū)分布于大柱段，鍛煉區(qū)在大柱段和小柱段均有分布，物品存放區(qū)則位于后端通道上，系統(tǒng)而完備的功能區(qū)設(shè)計，為航天員工作和生活提供舒適良好的保障條件。

設(shè)計了能力強大的分系統(tǒng)。和運載火箭一樣，“天和”核心艙由多個各司其職的分系統(tǒng)構(gòu)成，包括推進(jìn)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、測控通信系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和機構(gòu)系統(tǒng)、數(shù)管系統(tǒng)、GNC系統(tǒng)、總體電路系統(tǒng)、環(huán)控生保系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)、艙外服系統(tǒng)、載荷任務(wù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理、核心處理、數(shù)管綜合管理等眾多分系統(tǒng)，而每一個分系統(tǒng)又擁有一個復(fù)雜而完備的結(jié)構(gòu)，“天和”核心艙的復(fù)雜程度會超乎大部分人的預(yù)料。

以熱控分系統(tǒng)為例，這是空間站控制冷暖的“大管家”，該分系統(tǒng)主要分為主動熱控和被動熱控兩大部分。其中，主動熱控主要由流體回路子系統(tǒng)、信息控制子系統(tǒng)和儀器區(qū)通風(fēng)子系統(tǒng)三個部分組成。流體回路子系統(tǒng)在空間站周身設(shè)置了內(nèi)含特殊液體的管路，并在艙外安裝了用于散熱的熱控輻射器和提供流體動力的擴展泵組，該子系統(tǒng)主要分為外回路、低溫內(nèi)回路、中溫內(nèi)回路。如果把整個流體回路子系統(tǒng)比作中央空調(diào)，外回路就相當(dāng)于空調(diào)的室外機，低溫內(nèi)回路、中溫內(nèi)回路就相當(dāng)于室內(nèi)機，低溫內(nèi)回路主要為航天員服務(wù)，負(fù)責(zé)冷干降溫和除濕及再生生保設(shè)備散熱，溫度在露點以下；中溫內(nèi)回路主要為設(shè)備服務(wù)，負(fù)責(zé)帶走密封艙大部分設(shè)備熱量，并將熱量引到艙壁需要補熱的部位，進(jìn)行熱量的綜合利用，保持溫度錯開露點，這樣就避免了艙內(nèi)出現(xiàn)大面積結(jié)露點。

除了流體回路子系統(tǒng)外，主動熱控還包括儀器區(qū)通風(fēng)子系統(tǒng)、信息控制子系統(tǒng)，儀器區(qū)通風(fēng)子系統(tǒng)采用的是風(fēng)冷，用于一些不方便通過流體回路子系統(tǒng)散熱的設(shè)備，通過吹風(fēng)散熱，相當(dāng)于裝了一些“風(fēng)扇”。信息控制子系統(tǒng)是主動熱控的“大腦”，可以采集數(shù)據(jù)、控制各種泵、閥等機電產(chǎn)品，并負(fù)責(zé)整站的測溫、控溫等工作，同時，信息子系統(tǒng)還可以自主發(fā)現(xiàn)并處理流體回路子系統(tǒng)的故障，實現(xiàn)了空間站主動熱控的自主健康管理。

與主動熱控平行，熱控分系統(tǒng)還包含被動熱控，這主要分為密封艙外壁和密封艙內(nèi)壁兩個部分，其中密封艙外壁包括熱控材料、涂層、熱輻射器等，比如白色多層隔熱材料，艙外發(fā)動機區(qū)域的高溫隔熱屏（用于防護(hù)高溫羽流）；密封艙內(nèi)壁則包覆著保溫泡沫，防止低溫壁面出現(xiàn)結(jié)露。

“管中窺豹，可見一斑”，一個熱控分系統(tǒng)都如此復(fù)雜，由眾多分系統(tǒng)組成的“天和”核心艙則是一個十分龐大的系統(tǒng)工程，也是目前我國系統(tǒng)最復(fù)雜的航天器。

來自“天宮”的浪漫，在近地空間“搭積木”

在整個關(guān)鍵技術(shù)驗證階段，“天和”核心艙先后迎來了“天舟二號”貨運飛船、“神舟十二號”載人飛船、“天舟三號”飛船以及“神舟十三號”飛船，經(jīng)歷了6種組合體構(gòu)型、8次交會對接、3次分離撤離。

在“天和”發(fā)射入軌時，處于最簡單的單艙結(jié)構(gòu)（標(biāo)記為組合體狀態(tài)一）；“天舟二號”上行后對接于“天和”后向端口，形成軸向中后兩艙組合體（組合體狀態(tài)二）；“神舟十二號”上行對接于前向端口，形成軸向前中后三艙組合體（組合體狀態(tài)三）；“神舟十二號”撤離下行騰出前向端口，恢復(fù)軸向中后兩艙組合體（組合體狀態(tài)四，構(gòu)型同狀態(tài)二）；“天舟二號”繞飛對接于前向端口，形成軸向前中兩艙組合體（組合體狀態(tài)五）。

“天舟三號”上行對接于后向端口，形成軸向前中后三艙組合體（組合體狀態(tài)六，構(gòu)型同狀態(tài)三）；“神舟十三號”上行對接于徑向端口，形成四艙“T”型組合體（組合體狀態(tài)七）；“天舟二號”撤離下行，形成三艙“L”型組合體（組合體狀態(tài)八）；“神舟十三號”撤離下行，形成軸向中后兩艙組合體（組合體狀態(tài)九，構(gòu)型同狀態(tài)二）；“天舟三號”繞飛對接于前向端口，形成軸線前中兩艙組合體（組合體狀態(tài)十，構(gòu)型同狀態(tài)五），合并同類項，在關(guān)鍵技術(shù)驗證階段“天和”共經(jīng)歷了6種組合體構(gòu)型。

在關(guān)鍵技術(shù)驗證階段，“天和”先后迎來了“天舟二號”、“神舟十二號”、“天舟三號”、“神舟十三號”，各自上行時均需進(jìn)行一次交會對接，同時“天舟二號”、“天舟三號”分別完成了一次從后向端口至前向端口的繞飛對接，此外，“天舟二號”在執(zhí)行機械臂輔助艙段轉(zhuǎn)位和手控遙操作試驗時進(jìn)行了2次交會對接，這一階段“天和”共經(jīng)歷了8次交會對接，其中“天舟二號”獨占4次。

在關(guān)鍵技術(shù)驗證階段，“天和”先后經(jīng)歷了“神舟十二號”、“神舟十三號”、“天舟二號”下行，完成了3次分離撤離。在短短一年時間里，“天和”經(jīng)歷了迎來4次、送往3次，進(jìn)行了2次“讓位”、2次試驗，在10種組合體狀態(tài)下經(jīng)歷了6種組合體構(gòu)型，中國航天將“積木”搭到了近地空間。

順利“畢業(yè)”！性能優(yōu)于設(shè)計！

在軌一年，“天和”開展了物化再生生保、大型組合體控制、柔性太陽電池翼與驅(qū)動機構(gòu)、機械臂技術(shù)、航天員出艙技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)驗證工作。經(jīng)評估結(jié)果符合預(yù)期，目前功能性能優(yōu)于設(shè)計。

就在“天和”在軌一周年之際，4月29日中國載人航天工程辦公室在北京組織召開了《空間站任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)驗證階段評估報告》評審會，空間站任務(wù)關(guān)鍵技術(shù)驗證階段任務(wù)目標(biāo)已全部實現(xiàn)，工程各系統(tǒng)已準(zhǔn)備到位，具備轉(zhuǎn)入空間站建造階段條件。

中國空間站“天和一號”核心艙是一型“內(nèi)外兼修”航天器，外在上作為中國規(guī)模最大的航天器為中國的太空探索提供了廣闊的舞臺，內(nèi)在上作為中國系統(tǒng)最復(fù)雜的航天器為中國的太空探索提供了強大的工具。在繁忙的空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段，“天和”是這一階段工作的核心所在，迎來送往之間，空間站在“分分合合”中經(jīng)歷了多種組合體構(gòu)型的轉(zhuǎn)換，儼然在近地空間“搭積木”，并以高于設(shè)計的功能性能表現(xiàn)完美畢業(yè)。你好！“天和一號”，下個路口見！

作者：大白高國

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參考資料

[1]數(shù)據(jù)引自中國航天科技集團(tuán)官網(wǎng)
http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4787/c829068/content.html