? ? ? ? 25個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、霍爾電推力器、高光電轉(zhuǎn)換效率柔性三結(jié)砷化鎵太陽能電池翼、七自由度大型空間機(jī)械臂、全自主快速交會(huì)對接等，這些是天宮空間站基于后發(fā)優(yōu)勢應(yīng)用的一系列具有當(dāng)代國際先進(jìn)水平的高技術(shù)裝備，使得我們的空間站具備了以近百噸級規(guī)模比肩400噸級國際空間站的先決條件。

? ? ? ? 近大半年來，天和核心艙組合體（天宮空間站）一系列高技術(shù)裝備的表現(xiàn)確實(shí)非常搶眼，但它最大的“后招”并不在于此。

? ? ? ? 因?yàn)閮H憑高技術(shù)的堆砌并不能滿足高效運(yùn)營需求，所以天宮空間站從設(shè)計(jì)伊始就特別注重各艙段各系統(tǒng)間的高效融合，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新了“1+1=1”的設(shè)計(jì)理念，使得空間站綜合效能呈幾何級躍升。這主要得益于單獨(dú)由一國研制空間站的模式優(yōu)勢，省去了類似國際空間站“門戶壁壘”的種種麻煩。

? ? ? ? 天宮空間站的建造過程分為“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”與“在軌建造”兩個(gè)階段，自去年4月底發(fā)射天和一號試驗(yàn)核心艙八個(gè)多月以來，后續(xù)又分別發(fā)射了天舟二號貨運(yùn)飛船、神舟十二號載人飛船、天舟三號貨運(yùn)飛船、神舟十三號載人飛船。連續(xù)實(shí)施了航天員長期在軌駐留、再生生保、空間物資補(bǔ)給、出艙活動(dòng)、柔性太陽電池翼驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂艙外作業(yè)、大型柔性組合體控制、在軌維修和艙外操作等驗(yàn)證任務(wù)。

? ? ?? ?神舟十三號任務(wù)是“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”階段的收官之戰(zhàn)，目前3名航天員正在執(zhí)行為期半年的長期駐留任務(wù)，該乘組進(jìn)駐天和一號試驗(yàn)核心艙以來先后實(shí)施了兩次太空出艙、天和機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)位天舟二號、手控遙操作天舟二號對接總計(jì)4次重大任務(wù)，再有3個(gè)月時(shí)間神舟十三號乘組就將返回地球。

? ? ? ??之后將結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段工作就“天和一號試驗(yàn)核心艙”是否具備進(jìn)入在軌建造階段條件進(jìn)行評估，評估通過后，天和一號試驗(yàn)核心艙直接在軌轉(zhuǎn)正為“天和一號核心艙”。

? ? ? ? 進(jìn)入“在軌建造”階段后任務(wù)節(jié)奏會(huì)更快，我們會(huì)在5個(gè)月時(shí)間里密集實(shí)施4次發(fā)射，分別是天舟四號貨運(yùn)飛船、神舟十四號載人飛船、問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ、夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ（為了驗(yàn)證在軌輪換能力以及銜接運(yùn)營階段，后續(xù)還有天舟五號與神舟十五號），這意味著神舟十四號飛行乘組將肩負(fù)重任。

? ? ? ? 天和核心艙的強(qiáng)大功能已經(jīng)足夠震撼，然而對于天宮空間站而言這只是一個(gè)起點(diǎn)，進(jìn)入在軌建造任務(wù)階段后，“問天實(shí)驗(yàn)艙”與“夢天實(shí)驗(yàn)艙”更為強(qiáng)大的多樣化功能將為我們帶來更加全新的體驗(yàn)。

? ? ? ? 這兩個(gè)重量級艙段也是體現(xiàn)天宮空間站“1+1=1”原始創(chuàng)新理念的關(guān)鍵艙段，這一理念又衍生出了“整站三艙核心組合體”的設(shè)計(jì)原則，該原則的落地與生根發(fā)芽又有著很多難以言說的妙用，這次我就結(jié)合兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙來研究一下究竟什么是“整站三艙核心組合體”。

? ? ? ? 問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ?qū)χ貌季钟谔旌凸?jié)點(diǎn)艙兩側(cè)（第四象限與第二象限），因此在規(guī)格上盡可能做到了統(tǒng)一，比如發(fā)射質(zhì)量均為20噸級，最大直徑均為4.2米，兩艙軸向長度尺寸也均為17.9米。

? ? ? ?這個(gè)軸向長度尺寸可不簡單，不僅超過了天和一號核心艙的16.6米軸向長度，也超過了國際空間站任一艙段的軸向長度，進(jìn)而使得問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ雙雙成為當(dāng)今世界最長的單體載人航天器。

? ? ? ?之所以能夠有如此超大規(guī)模的單體尺寸，也得益于長征五號B型大推力火箭的強(qiáng)大運(yùn)力，以及該火箭軸向長度約21米的超大型整流罩。

? ? ? ? 所以，這也是為什么天宮空間站能以近百噸級身板媲美400噸級國際空間站的先決條件，因?yàn)閱闻撘?guī)模足夠大，也為空間站綜合效能提升創(chuàng)造了先決條件。

? ? ? ? 問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的對接位置皆位于天和核心艙的側(cè)向，而航天器直接側(cè)向交會(huì)對接又是世界載人航天領(lǐng)域的一個(gè)“大忌”，因?yàn)樽粉櫤教炱髋c目標(biāo)航天器處于不同的軌道面，兩個(gè)航天器接觸時(shí)速度大，控制難度高，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

? ? ? ?? 比如，天宮空間站與國際空間站的來訪飛船無一例外都是軸向?qū)踊蛘呤菑较驅(qū)?，這兩類對接方式都是同一個(gè)軌道面，相對速度可以趨近于零。

? ? ? ??國際空間站靠泊飛船均為軸向或徑向?qū)樱瑹o側(cè)向?qū)语w船。

? ? ? ?? 雖然航天器側(cè)向交會(huì)對接難度大，但側(cè)向位置也不能浪費(fèi)掉。以國際空間站為例，它的桁架都是側(cè)向布局，再比如希望號實(shí)驗(yàn)艙也是在側(cè)向位置，這種側(cè)向?qū)佣际强繖C(jī)械臂進(jìn)行轉(zhuǎn)位對接。

? ? ? ? 天宮空間站的問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ也是如此，它們分別先后對接天和核心艙前向?qū)涌?，再由機(jī)械臂轉(zhuǎn)位至側(cè)向停泊口對接。

? ? ? ?“轉(zhuǎn)位組裝”事關(guān)空間站在軌建造任務(wù)成敗，比如問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ如果無法成功轉(zhuǎn)位，就將占據(jù)前向?qū)涌冢罄m(xù)夢天艙及其它來訪航天器都將無法實(shí)施前向?qū)樱苯佑绊懝こ炭傮w目標(biāo)的達(dá)成，因而此項(xiàng)任務(wù)不容有失。

? ? ? ? 為了確保萬無一失，實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位準(zhǔn)備了兩個(gè)方案，首選方案是實(shí)驗(yàn)艙自備的轉(zhuǎn)位機(jī)械臂，該臂可以與天和核心艙節(jié)點(diǎn)艙三四象限的機(jī)械臂適配器對接，進(jìn)而帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位機(jī)械臂轉(zhuǎn)位動(dòng)作相對復(fù)雜，要完成上翻、旋轉(zhuǎn)、下翻三項(xiàng)操作，但它具有結(jié)構(gòu)簡單可靠的優(yōu)勢。

? ? ? ? 實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位的備選方案是依托核心艙天和機(jī)械臂實(shí)施，該臂承載能力可達(dá)25噸，此方案優(yōu)勢是轉(zhuǎn)位過程簡單。天和機(jī)械臂可以與實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂適配器對接，直接帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙水平轉(zhuǎn)位，雖然轉(zhuǎn)位過程不復(fù)雜，但對機(jī)械臂位姿精度控制要求更高。前不久，由神舟十三號乘組實(shí)施的天和機(jī)械臂輔助天舟二號轉(zhuǎn)位試驗(yàn)就是為此項(xiàng)任務(wù)做準(zhǔn)備。

? ? ? ?? 今年5月至9月，長征5B遙三與長征5B遙四兩枚火箭將分別搭載一個(gè)實(shí)驗(yàn)艙在文昌航天發(fā)射場擇機(jī)實(shí)施發(fā)射任務(wù)，首先發(fā)射的是問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ。

? ? ? ? 問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ分為工作艙、氣閘艙、資源艙三部分。工作艙高效集成布置了多臺實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，是載荷專家在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的重要場所。同時(shí)配置了3個(gè)睡眠區(qū)與1個(gè)衛(wèi)生間，加上天和核心艙小柱段的生活設(shè)施，天宮空間站總計(jì)會(huì)有6個(gè)睡眠區(qū)與2個(gè)衛(wèi)生間，相當(dāng)于是六室兩衛(wèi)。

? ? ?? 要知道400噸級的國際空間站總共也就只有8個(gè)睡眠區(qū)，如果站內(nèi)人員規(guī)模超過這一數(shù)值，就只能“打地鋪”搭建臨時(shí)睡眠區(qū)。

除了大量的在軌實(shí)驗(yàn)設(shè)備，問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ為什么還要配置這么多生活設(shè)施？有兩個(gè)作用：

首先是作為乘組在軌輪換時(shí)另外三名航天員的生活區(qū)，比如今年完成在軌建造任務(wù)之際，神舟十五號乘組也將進(jìn)駐，屆時(shí)天宮空間站將呈現(xiàn)6人同時(shí)在軌盛況。

? ? ? ? 那么，另外一個(gè)作用呢？請大家先把視線轉(zhuǎn)移到天和核心艙，該艙小柱段與節(jié)點(diǎn)艙之間有一個(gè)雙向承壓艙門，在航天員執(zhí)行出艙活動(dòng)時(shí)最后關(guān)閉的一扇門就是“雙向承壓艙門”，出艙活動(dòng)進(jìn)行時(shí)節(jié)點(diǎn)艙是真空環(huán)境，而生活控制艙（大柱段加壓密封艙+小柱段）則是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，雙向承壓艙門受力方向發(fā)生變化。

如果只是服務(wù)于出艙任務(wù)，小柱段與節(jié)點(diǎn)艙之間的艙門大可不必設(shè)計(jì)為雙向承壓，那么，為什么要雙向承壓呢？

? ? ? ?這就涉及到問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ的另一個(gè)功能，該艙段將是天宮空間站的應(yīng)急避難場所，一旦天和核心艙出現(xiàn)問題，比如艙體失壓，或者空間碎片撞擊，在危及航天員在軌安全時(shí)，航天員將進(jìn)入問天艙應(yīng)急避難，并關(guān)閉節(jié)點(diǎn)艙雙向承壓艙門。

? ? ? ? 此時(shí)天和核心艙的生活控制艙氣壓降低，甚至可能是真空狀態(tài)，而節(jié)點(diǎn)艙內(nèi)則是1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，小柱段與節(jié)點(diǎn)艙之間的艙門受力方向再次發(fā)生變化，而這就是雙向承壓艙門的應(yīng)用需求。

? ? ? ? 關(guān)閉雙向承壓艙門后，節(jié)點(diǎn)艙將與問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ“連為一體”，這就保留了航天員進(jìn)入神舟飛船的生命通道，此時(shí)該艙段預(yù)備的生活設(shè)施將派上用場（3個(gè)睡眠區(qū)與1個(gè)衛(wèi)生間）。

? ? ? ? 如果出現(xiàn)天和核心艙與在軌神舟飛船同時(shí)故障的險(xiǎn)情，在軌航天員可在問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ待援。

? ? ? ?載人航天，人命關(guān)天，安全永遠(yuǎn)是第一位的。為此，問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ備份了天和核心艙的能源管理系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和載人環(huán)境系統(tǒng)等關(guān)鍵平臺功能，具備對組合體進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制的能力。例如，問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與核心艙一樣配置了獨(dú)立的生命保障系統(tǒng)，天和核心艙大柱段前錐段配置的控制力矩陀螺在問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ也有同類配置。

? ? ? ? 與問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ后錐段連接的是供航天員出艙活動(dòng)使用的“人員專用氣閘艙”，其出艙口朝向與天和核心艙節(jié)點(diǎn)氣閘艙出艙口朝向天頂方向不同，前者將面向地球一側(cè)出艙，如此設(shè)計(jì)可以盡可能避免陽光直射的干擾。

? ? ? ? 將人員專用氣閘艙配置在問天艙末端有一個(gè)天然優(yōu)勢，就是它不會(huì)像天和核心艙節(jié)點(diǎn)氣閘艙那樣在執(zhí)行出艙活動(dòng)時(shí)阻斷各艙段之間的通道，屆時(shí)后者的氣閘艙功能將成為備份。

? ? ? ? 作為備份的天和核心艙節(jié)點(diǎn)氣閘艙有兩個(gè)作用：

1.若出艙活動(dòng)實(shí)施前，問天氣閘艙出現(xiàn)故障，則可以用天和氣閘艙出艙；

2.若出艙活動(dòng)實(shí)施過程中，問天氣閘艙故障，艙外航天員還可以轉(zhuǎn)移至天和氣閘艙，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)進(jìn)艙。進(jìn)艙前需要空間站內(nèi)另一名航天員穿上艙外航天服打開天和氣閘艙艙門。

? ? ? ? 第二個(gè)作用是很有特色的，與之對比在國際空間站宇航員如果身著EMU型艙外服出艙，他是無法從另外一個(gè)氣閘艙回艙的，這就是文章開頭所說“門戶壁壘”的表現(xiàn)，因?yàn)闅忾l艙標(biāo)準(zhǔn)不一。

? ? ? ?? 問天氣閘艙第二象限艙外還配置有一部小型七自由度空間機(jī)械臂，展開長度5米，有3噸承載能力，它雖然沒有天和機(jī)械臂的“大力出奇跡”，卻有著更高的控制精度，可以執(zhí)行更加精細(xì)的操作。比如問天艙艙外配置有大量載荷掛點(diǎn)用于實(shí)驗(yàn)載荷的暴露實(shí)驗(yàn)，小型機(jī)械臂就可以用來抓取相關(guān)載荷設(shè)備。

? ? ? ? 同時(shí)，小型機(jī)械臂可以與天和機(jī)械臂對接（級聯(lián)組合），進(jìn)而構(gòu)成一部長度達(dá)15米的超長機(jī)械臂，基于天和機(jī)械臂的艙表爬行功能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間站外表面的全觸達(dá)。

? ? ? ?小型機(jī)械臂的工作場所不會(huì)局限于問天艙，在夢天艙它會(huì)有更大的施展舞臺。

再來看夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ，這也是一個(gè)有故事的實(shí)驗(yàn)艙。

? ? ? ?與天和核心艙第2象限停泊口對接的夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ由工作艙、貨物氣閘艙、資源艙三部分組成。資源艙與問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ資源艙大致一樣，工作艙也是放置實(shí)驗(yàn)機(jī)柜的主要場所，亮點(diǎn)在貨物氣閘艙。

? ? ? 貨物氣閘艙配套有“展開式暴露實(shí)驗(yàn)平臺”，該平臺基于在軌展開功能旨在突破運(yùn)載火箭整流罩尺寸限制，可以形象地將其看作是“可以享受日光浴的大陽臺”。軌道空間的日光浴當(dāng)然不是人類可以享受的，然而有暴露實(shí)驗(yàn)需求的載荷卻是非常喜歡的。

? ? ? ? 暴露實(shí)驗(yàn)也被稱為艙外實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)載荷直接暴露于空間環(huán)境中經(jīng)受微重力、高真空、空間輻射、高低溫交變、原子氧、微流星等各種極端環(huán)境，這是在地球上無法找到的獨(dú)特實(shí)驗(yàn)場地，研究與應(yīng)用范圍非常廣泛，比如在航天工程材料、電子元器件、生物學(xué)、空間物理學(xué)都有廣泛的實(shí)驗(yàn)需求。

? ? ? ? 參與暴露實(shí)驗(yàn)的載荷只有通過在軌回收并返回地面，才能進(jìn)行更為細(xì)致地研究，那么暴露實(shí)驗(yàn)載荷是如何進(jìn)出空間站的呢？

? ? ? ? 主要有兩種辦法，一種是由航天員在執(zhí)行艙外活動(dòng)時(shí)進(jìn)行艙外載荷的安裝或回收，比如十三年前神舟七號首次太空出艙活動(dòng)中，航天員翟志剛就從軌道艙艙外取回了進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)的固體潤滑材料，此種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率并不是很高。

? ? ? ? 因此誕生了第二種辦法，就是通過貨物氣閘艙實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)載荷自動(dòng)進(jìn)出空間站，夢天艙貨物氣閘艙就屬此類。

? ? ? ? 貨物氣閘艙配置有內(nèi)艙門與外艙門，兩種艙門不得同時(shí)開啟。內(nèi)艙門開啟時(shí)貨物氣閘艙與夢天艙加壓艙連為一體，航天員可操作暴露實(shí)驗(yàn)平臺的貨物，外艙門開啟后實(shí)驗(yàn)載荷暴露于艙外空間。

? ? ??? 貨物氣閘艙艙內(nèi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、位置調(diào)整機(jī)構(gòu)、適配器等服務(wù)于實(shí)驗(yàn)載荷布放的裝置，實(shí)驗(yàn)載荷暴露于艙外空間后還可由機(jī)械臂進(jìn)行照料管理。此種貨物氣閘艙相較于國際空間站希望號實(shí)驗(yàn)艙的貨物氣閘艙效率提升了多個(gè)數(shù)量級，后者單次運(yùn)輸只能裝夾一次，效率低下。

? ? ?? ?另外需要指出的是，貨物氣閘艙不僅服務(wù)于艙外暴露實(shí)驗(yàn)，還可以用于其他艙內(nèi)外貨物的轉(zhuǎn)移、小型衛(wèi)星發(fā)射、對地觀測等多樣化任務(wù)。

? ? ? ? 據(jù)統(tǒng)計(jì)，包括問天艙在內(nèi)，天宮空間站總計(jì)有多達(dá)67個(gè)艙外暴露應(yīng)用載荷掛點(diǎn)，同時(shí)還預(yù)置了多個(gè)大型載荷掛點(diǎn)，艙外實(shí)驗(yàn)資源非常充裕。

? ? ? ? 在天宮空間站任務(wù)實(shí)施之前我們的空間暴露實(shí)驗(yàn)資源是非常有限的，不難預(yù)見，當(dāng)空間站正式投入運(yùn)營之后，旺盛的空間實(shí)驗(yàn)需求將得以充分釋放，這將極大促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的提速發(fā)展。

? ? ? ? 天宮空間站僅憑近百噸級身板就能布置多達(dá)25個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，而400噸級國際空間站也才31個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜，由此可見前者應(yīng)用支持能力的提升非常顯著。在軌科研實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ尼尫烹x不開強(qiáng)大的能源系統(tǒng)，我們的發(fā)電能力足夠嗎？答案是足夠的，而且是綽綽有余的。

? ? ? ? 問天艙與夢天艙的資源艙外表面在上升發(fā)射段采用壓緊安裝方式各配置有兩部手風(fēng)琴式柔性三結(jié)砷化鎵太陽能電池翼，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30%，電池翼展開面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了天和核心艙太陽能電池翼，由于電池翼面積尺寸過大，以致于在對接天和核心艙之前被設(shè)計(jì)為半展開，完成對接后再完全展開。

? ? ? ? 兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位組裝任務(wù)完成后，還將擇機(jī)對核心艙太陽能電池翼進(jìn)行在軌電力重構(gòu)，指的是對核心艙兩部太陽能電池翼進(jìn)行在軌拆卸，再轉(zhuǎn)位至實(shí)驗(yàn)艙太陽能電池翼桁架處安裝，旨在提高空間站組合體太陽能電池翼整體受曬率，進(jìn)而提升總發(fā)電功率。

? ? ? ? 核心艙在軌電力重構(gòu)流程大致是這樣：核心艙兩部太陽能電池翼由展開狀態(tài)轉(zhuǎn)為收攏結(jié)構(gòu)（也就是說我們的太陽翼具備多次展收功能），之后由艙外航天員使用手持電動(dòng)螺絲刀將其拆下來，同時(shí)機(jī)械臂參與配合此項(xiàng)任務(wù)，完成拆卸的太陽能電池翼再由機(jī)械臂轉(zhuǎn)位至實(shí)驗(yàn)艙末端，艙外航天員完成最后的轉(zhuǎn)位安裝工作，最后空間站電力供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行電力重構(gòu)，由實(shí)驗(yàn)艙完成對核心艙的反向供電。

? ? ? ? 天宮空間站在軌電力重構(gòu)任務(wù)有兩大考驗(yàn)，首先考驗(yàn)航天員執(zhí)行復(fù)雜艙外作業(yè)的能力，此項(xiàng)任務(wù)在世界載人航天史上也屬首次。再就是考驗(yàn)空間站電力供應(yīng)系統(tǒng)的在軌重構(gòu)能力。

? ? ? ? 為什么說天宮空間站的電力供應(yīng)綽綽有余呢？首先有硬指標(biāo)支撐，我們的發(fā)電功率重量比達(dá)到了每噸0.41千瓦，這是人類載人航天領(lǐng)域有史以來的最高水平，超過了國際空間站的每噸0.26千瓦。

? ? ? ?另外，天宮空間站最大拓展構(gòu)型可支持能力是180噸，擴(kuò)展艙段中另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙甚至無需配置大面積太陽能電池翼，依托空間站既有發(fā)電能力就可滿足用電需求，也就是說當(dāng)前構(gòu)型下天宮空間站的發(fā)供電能力中很大一部分都是儲備電力。

? ? ? 今年是載人航天工程立項(xiàng)三十周年，本著“造船為建站，建站為應(yīng)用”的原則，三十年前載人航天工程擬定了三步走規(guī)劃，終極目標(biāo)就是建成長期有人照料的空間站，而當(dāng)年的我們是無論如何也不敢奢望如今的天宮。

? ? ? ? 三十年前暢想的空間站只是一個(gè)20噸級艙段，這個(gè)艙段既是核心艙又是實(shí)驗(yàn)艙，可開展的在軌實(shí)驗(yàn)規(guī)模非常有限。

? ? ? ? 后來家底逐漸厚了起來，進(jìn)入21世紀(jì)后才有了三艙結(jié)構(gòu)布局的空間站，但此三艙非彼三艙。

? ? ? ? 首先從外觀來看，最直接的區(qū)別就是實(shí)驗(yàn)艙太陽翼，新太陽翼對比舊太陽翼有三點(diǎn)明顯變化：

1.剛性太陽翼變?yōu)槿嵝蕴栆?，結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅度降低，對長期運(yùn)行的高可靠性要求更高；

2.柔性太陽翼結(jié)構(gòu)尺寸大幅增加，發(fā)電能力增強(qiáng)；

3.太陽翼安裝位置由艙體表面轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)艙末端小桁架，從而由單自由度驅(qū)動(dòng)升級為雙自由度驅(qū)動(dòng)，發(fā)電能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

?? ? ? ?再回過頭來看夢天艙，該艙段也是我們由弱到強(qiáng)的一個(gè)見證。

? ? ? ? 在早期設(shè)計(jì)規(guī)劃中，夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ還有一臺巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，旨在進(jìn)行巡天天文觀測，其設(shè)計(jì)初衷也是為了體現(xiàn)空間站的在軌科研特色。然而空間站實(shí)驗(yàn)機(jī)柜、控制力矩陀螺等設(shè)備會(huì)帶來不可避免的振動(dòng)，這將對空間天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生干擾。另外，來訪飛行器對接、艙外行走等不同任務(wù)也要求空間站進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，進(jìn)一步干擾巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測指向，怎么辦呢？

? ? ? ? 就在巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡正式立項(xiàng)沒多久的時(shí)間里，多位一線參研專家先后建議讓巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡成為一個(gè)獨(dú)立的航天器，并與天宮空間站共軌飛行，軌道高度400公里。

? ? ? ? 這樣一來困擾空間站與巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行矛盾就迎刃而解了，既解決了巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的振動(dòng)與指向問題，也解放了天宮空間站實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的空間，工程總體很快就采納了這一建議。

? ? ? ? 隨后，原巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡安裝位置就拓展為了貨物專用氣閘艙與可展開暴露實(shí)驗(yàn)平臺，巡天光學(xué)艙與天宮空間站共軌飛行后，可以定期與天宮空間站前向?qū)涌趯友a(bǔ)加推進(jìn)劑，也可進(jìn)行在軌升級與維修，使得空間站資源得到最大化利用。這在人類空間天文觀測史上也屬首創(chuàng)運(yùn)營模式，昔日哈勃空間望遠(yuǎn)鏡如果需要在軌升級或維修還需要單獨(dú)發(fā)射成本高昂的航天飛機(jī)。

? ? ? ? 巡天光學(xué)艙共軌飛行模式也體現(xiàn)了天宮空間站的太空母港設(shè)計(jì)理念，該艙只是天宮空間站接待的第一個(gè)客戶，未來還會(huì)有其他近地軌道航天器與空間站對接進(jìn)行在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加及維修與升級。

? ?? ? ?夢天艙一個(gè)局部改動(dòng)，就觸發(fā)了天宮空間站整體設(shè)計(jì)與運(yùn)營模式的跨越式升級，而這就是我們在量的積累過程中不斷觸發(fā)新的質(zhì)變。

? ? ? ? 文章開頭提到的整站三艙核心組合體設(shè)計(jì)原則，在夢天艙身上也將得到進(jìn)一步體現(xiàn)，該艙段同樣備份了核心艙重要平臺功能的相關(guān)支持設(shè)備。

? ? ? ? 以國際空間站為例，這座空間站可以用一個(gè)詞來形容，那就是“貌合神離”，NASA艙段與非NASA艙段首先在熱控流體回路上不兼容，艙段對接口、飛船對接口更是“五花八門”。同時(shí)整座空間站又十分依賴僅有的一個(gè)核心艙進(jìn)行姿軌控，即星辰號服務(wù)艙，該艙段一旦出現(xiàn)問題就會(huì)拖累整個(gè)空間站，能源系統(tǒng)桁架太陽能電池翼對非NASA艙段太陽能電池翼存在較為突出的遮擋問題。

? ? ? ? 反觀我們，創(chuàng)新的三艙核心艙組合體實(shí)現(xiàn)了多個(gè)維度的高效整合，從而構(gòu)建了一個(gè)更為牢不可破的“核心”：艙外航天活動(dòng)有雙氣閘艙備份，姿軌控有天和艙+問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ備份，夢天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ也能在空間站整站關(guān)鍵功能備份上打“助攻”，同時(shí)三艙構(gòu)建了高速信息網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)各艙段之間的互操作，能源系統(tǒng)具備雙向供電能力，來訪飛行器有電力缺口時(shí)由空間站供電，空間站有電力缺口時(shí)飛船可以反向供電，而在國際空間站上則只能實(shí)現(xiàn)單向供電。

? ? ? ?在創(chuàng)新的同時(shí)，我們又特別注重總結(jié)吸收以往載人空間站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)：

? ? ? ??比如和平號空間站，它的太陽能電池翼遮擋問題十分突出，主要原因是設(shè)計(jì)伊始沒有考慮到這個(gè)問題，艙段同時(shí)布置于多個(gè)平面，天宮空間站吸取了這個(gè)教訓(xùn)，除徑向?qū)拥纳裰埏w船外，所有艙段都布置于一個(gè)平面。

? ? ? ? 國際空間站的桁架設(shè)計(jì)有效化解了NASA艙段的太陽能電池翼相互遮擋問題，天宮空間站吸收了這項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)又解決了桁架在軌組裝效率低整體進(jìn)度慢的問題，采用兩實(shí)驗(yàn)艙對置布局辦法，形成了近40米跨度的桁架結(jié)構(gòu)。

? ? ? ? 針對國際空間站桁架對非NASA艙段的太陽能電池翼遮擋問題，我們又創(chuàng)新了在軌電力重構(gòu)設(shè)計(jì)（前文已有介紹）。

? ? ? ? 再就是建造進(jìn)度問題，國際空間站主要艙段在軌組裝前后歷時(shí)十四年，尤其是前中期階段大規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法到位，在軌科研實(shí)驗(yàn)效應(yīng)無法發(fā)揮，屬于空耗資金，直到去年該空間站最后一個(gè)大型艙段科學(xué)號實(shí)驗(yàn)艙才部署到位，若以此為時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算，國際空間站整個(gè)建造周期會(huì)更長，反觀天宮空間站從首個(gè)核心艙發(fā)射，到完成在軌組裝建造僅需一年多時(shí)間，在軌科研實(shí)驗(yàn)設(shè)備能夠在很短的時(shí)間周期內(nèi)投入大規(guī)模應(yīng)用。

? ? ? ??70噸級高效融合的三艙核心組合體（不計(jì)算對接飛船）整體效能已經(jīng)足以媲美400噸級的國際空間站，同時(shí)前者在設(shè)計(jì)伊始就統(tǒng)籌考慮了后續(xù)擴(kuò)展事項(xiàng)，這里的擴(kuò)展包括兩方面工作：

? ? ? ? 一方面是現(xiàn)有艙段的艙外空間擴(kuò)展，比如天和核心艙大柱段外預(yù)留一個(gè)大型載荷掛點(diǎn)，問天號實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ預(yù)留一個(gè)大型載荷掛點(diǎn)與一個(gè)擴(kuò)展暴露實(shí)驗(yàn)平臺掛點(diǎn)；

? ? ? ? 擴(kuò)展的另一個(gè)方面就是艙段擴(kuò)容，在三艙核心組合體支持下，天宮空間站還可以再增加三個(gè)艙段，進(jìn)而擴(kuò)展至180噸級（兩個(gè)核心艙+4個(gè)實(shí)驗(yàn)艙+巡天光學(xué)艙+一艘天舟貨運(yùn)飛船+兩艘神舟載人飛船），屆時(shí)天宮空間站的在軌支持能力將毫無爭議地全面反超國際空間站。

? ? ? ? ?一座強(qiáng)大的近地軌道載人空間站可以為我們帶來什么？錢學(xué)森對此早有預(yù)判，他認(rèn)為航天技術(shù)的發(fā)展在21世紀(jì)是決定勝負(fù)的關(guān)鍵問題。

? ? ? ? 大洋彼岸SpaceX公司近年來的表現(xiàn)可以說是非常搶眼，他們的獵鷹9號垂直回收復(fù)用火箭已經(jīng)爐火純青，垂直回收任務(wù)規(guī)模已經(jīng)突破百次，星鏈衛(wèi)星更是在該型火箭的支持下成批成批地上天，在軌衛(wèi)星規(guī)模已經(jīng)是四位數(shù)，背后的衛(wèi)星批產(chǎn)能力更是不容小覷。在此基礎(chǔ)上又推出當(dāng)前人類最大運(yùn)力的超重-星艦運(yùn)載火箭，用以支持星鏈衛(wèi)星更大規(guī)模的組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)。

? ? ? ? 該公司一系列強(qiáng)大能力的養(yǎng)成并不是無源之水，如果這家公司離開他所在的國度就不可能有如此造詣。而這一切都是量的積累的結(jié)果，在國際空間站工程引領(lǐng)下，他們可以常年保持較大密度較大規(guī)模的空天領(lǐng)域發(fā)展需求，由此培育孵化了一大批成果，SpaceX公司自身就是這批成果的其中之一，比如從早期到現(xiàn)在，該公司一直是國際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)的主力，現(xiàn)在又成了國際空間站NASA艙段唯一的載人天地往返業(yè)務(wù)承包商（波音公司暫且不計(jì)）。

? ? ? ? 天宮空間站同樣是我們強(qiáng)勢入圍開創(chuàng)航天新局的一個(gè)里程碑，每年可進(jìn)行的在軌實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將高達(dá)數(shù)百項(xiàng)，在技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、人體研究、生物學(xué)、物理科學(xué)等一大批前沿領(lǐng)域預(yù)期將持續(xù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破，必將促進(jìn)一大批行業(yè)技術(shù)的快速迭代，從而助力產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，同時(shí)又可為航天工程技術(shù)的快速迭代厚植培育沃土，也能為深空載人探測積累經(jīng)驗(yàn)并試驗(yàn)新技術(shù)新裝備。

? ? ? ? 總而言之，一句話，載人空間站有和沒有是完全不一樣的。（完）