中国“天宫”空间站长什么样

　　周建平

　　2022年底，我国的“天宫”空间站全面建成，迈出了我国太空探索的坚定一步。

　　作为我国首个空间站，“天宫”到底长什么样？下一步又将如何发展？请听中国工程院院士、中国载人航天工程总设计师周建平在央视财经频道“中国经济大讲堂”节目中为我们详细解读。

　　目前，我们已经建成了三舱构型的中国空间站。三舱构型，包括“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱，我们也称为基本构型。

　　通过我们未来长时间的努力，一定能够推进中国空间科学进入世界一流的行列。——周建平

　　目前太空中只有两个空间站

　　2023年元旦，习近平总书记在新年贺词中向全世界宣布，中国完成了空间站的建造。

　　1992年，中国载人航天工程正式立项，我们开始打造自己的“太空家园”。在设计之初，我们瞄准了世界第三代空间站的技术水平，不断突破，持续创新，历时30年，自主完成了载人航天工程、空间实验室工程和“天宫”空间站的建造，建成了完全独立自主运行的国家级太空实验室。

　　在当下的太空中，只有美国、俄罗斯等多国建造、维护的国际空间站和中国“天宫”空间站这两个空间站。可以说，中国载人航天技术已经成功跻身世界前列。

　　那么，建成的中国空间站是一个什么样的基本情况呢？

　　中国空间站发射入轨，三个舱初始的总质量约为67.5吨，这个质量是国际空间站的1/6。整个密封舱的空间是300多立方米，航天员的活动空间是122立方米，这个活动空间是国际空间站的1/3。在科学研究方面，我们的空间站安装了25个实验机柜，是国际空间站的4/5，建成了国家太空实验室。太空实验室要覆盖空间科学研究的主要领域，设备必须具备足够的先进性。目前，我们的“天和”核心舱实际上已经具备了国际空间站的“曙光号”核心舱、“星辰号”服务舱、“团结号”节点舱三个舱段的功能。从这个角度来看，中国空间站的建设已经能够基本满足科学家科研任务的需要。

　　繁忙的“太空运输队”

　　中国空间站在离地近400公里的近地轨道飞行。载人天地往返系统要把航天员送到太空中去，短期生活和工作一段时间，再安全地返回地面。我们用长征二号F运载火箭和神舟系列载人飞船来运送航天员。

　　载人飞船工程在起步时，曾经面临一个重大的路径选择问题。1992年专家委员会论证的时候，有不同的路径选择。美国当时发展了航天飞机，苏联发展了“暴风雪号”航天飞机，欧洲、日本也都在论证搞航天飞机。那么中国的载人航天工程怎么起步？科学家、专家、工程师团队进行了大量的论证，最终我们选择了载人飞船的道路。

　　这是一个非常重要的选择。当时的基本考虑是，虽然航天飞机作为一个可重复使用的航天器有很多优点，但是它也面临着一些问题。比如，航天飞机这种结构形式不能实现救生，也就是当出现飞行故障时，航天员的安全得不到保障。而且，要建造一个可重复使用的航天器，就当时的技术水平来讲难度非常大。后来的实践证明，我们选择从载人飞船起步，用返回舱返回，可以有力地保证航天员的安全。

　　长征二号F运载火箭和神舟载人飞船是一个载人天地往返运输系统。那么，它们可以用来运货吗？可以，但是运不了太多。实际上，神舟飞船是人货混装的，可以运输大约300千克的货物上行。但是，300千克的运输能力肯定远远不能满足需要，更经济的运输方式是搞一个货运系统，可以运送大量物资到空间站。这个系统就是长征七号运载火箭和天舟系列货运飞船。

　　天舟货运飞船是非常有特点的，其最大的发射重量可以达到14吨。它有三种构型：一种是全密封货运飞船，目前空间站组合体上停靠的货船就是这种形式。另两种是半密封货运飞船和全开放货运飞船，它们在今后将用于运输大型的科学实验设施以及维修设备。

　　天舟货运飞船还有一个特点，其运送的上行货物占整船发射重量的比重达到0.51，也就是说51%是运送货物的重量。这在目前世界上已经研发的不同型号的货运飞船里是最高的。我们不断地在提高效率，减少成本。大家会看到，天舟六号将保证我们的航天员在轨生活和工作9个月时间，而不是之前的6个月。

　　如果把空间站比作太空港，那么往返于地面与空间站之间的运输飞船，像神舟系列载人飞船和天舟系列货运飞船，就是“太空运输队”的成员，它们可以将大量的物资和多批次航天员乘组有序、安全地运送到空间站。

　　飞船完成往返运输，要和目的地连接，需要完成一个交会对接。空间交会对接技术是载人航天活动三大关键技术之一，被誉为“太空之吻”，难度极高。2011年开始，从试验到实战，我国空间交会对接技术从无到有，至今已成功实施了20余次精准可靠的对接。更重要的是，我们用货运飞船完成了一次两小时的快速交会对接，这是一个世界纪录。

　　集工作、生活于一体的“太空家园”

　　再来说说航天员的“太空工作室”。

　　我们的空间站里有6个航天员的舱位，核心舱里有3个，“问天”实验舱里也有3个，每个舱位的活动空间约是2米×2米。航天员的活动空间约为122立方米，如果按地面的概念讲，使用面积超过60平方米，相当于三室两厅，还带个储藏间。空间站的核心舱和实验舱各设两个卫生间，同时载人飞船也带有卫生间。在天上和在地球上不一样，由于微重力，太空中四面八方都能活动，所以说空间是比较宽敞的。

　　空间站里是一个什么样的环境呢？气温是19℃到26℃，可以调节。为了达到这个温度，我们探索了相当长一段时间。在神舟飞船研制早期，我们设定的温度是17℃到25℃，这是参照国外的标准制定的。但是在使用过程中发现，这个环境温度偏低。经过一段时间的飞行，我们终于找到了更适合中国人太空飞行的环境温度。

　　空间站里的湿度是35%到55%，非常舒适。气体成分是与海平面相同的氧氮混合气体。为什么用氧氮混合气体？这是出于安全性的考虑。因为如果是纯氧环境的话，容易出现火灾事故，所以我们选择了氧氮混合气体。在太空里保证这样的一个环境条件，是我们的付出中最大的一部分，比食品、服装等加起来都多。

　　在太空里一个人每天大约要消耗10千克的各类物资，包括食品、水以及净化用的材料和包装。3个人一天就是30千克，一个月近1吨，一年要超过10吨。这样的话就会带来很高的成本，代价很大。怎样才能保证长期的经济的运行呢？就要想办法实现物资循环利用。

　　航天员在空间站长期驻留，依靠的是再生生命保障技术。这个技术就像一个保护伞，为航天员在空间站建立起一个类似地球的循环系统，通过物理、化学方法来实现水、氧气等物质的循环、利用和再生。我国空间站的再生生命保障系统包括电解制氧子系统、二氧化碳去除子系统、微量有害气体去除子系统、尿处理子系统、水处理子系统和二氧化碳还原子系统这六个子系统。通过冷凝干燥组件，收集航天员的汗液、呼出的水气，净化为可供饮用的再生水。同时，尿液也能收集处理，成为可以饮用的纯净水。循环水可以电解制氧，其副产品氢气还可以与舱内收集的二氧化碳反应再次得到氧气。航天员在轨工作一年，如果不采用再生生命保障技术，大约需要超过10吨的物资，而采用了再生生命保障技术后，仅需要3吨多的物资就可以满足航天员的生活需要，大大降低了对地面物资的依赖。

　　早期的时候，我们面临很多难题。比如，尿液的处理难度很大，因为尿液中包含了很复杂的成分，我们的研制人员在这方面做了很多努力，当核心舱发射入轨以后，我们基本上实现了尿液的再生利用。

　　二氧化碳的处理就更复杂了。最早我们用的是物理吸附的方法，把二氧化碳吸附后再解析，向真空排放掉。后来科研人员把关键设备研发出来了，电解制氧可以产生氢气，再与二氧化碳产生催化反应，生成氧气和甲烷。这样的话，通过二氧化碳，不光解决了净化的问题，也解决了再回收、再利用的问题。

　　这样，我们的空间站实现了高效的资源回收和再利用，环境保障问题得到了很好的解决。

　　空间站的动力来自哪里

　　太空虽然是一个微重力环境，但是仍然有非常稀薄的大气存在，大气产生的阻力会导致空间站的轨道衰减。比如，在太阳活动剧烈的年份，大气阻力会使空间站的轨道高度每天降低100多米。建成后的空间站三舱构型重达67.5吨，如果加上到访的天舟货运飞船和神舟载人飞船，重量将超过100吨。那么，如何让这样一个庞然大物在近地轨道上克服大气阻力稳定运行呢？

　　动力是现代社会非常重要的要素，对航天器来说更是如此。中国空间站有一个很大的特点：我们既有化学推进的发动机系统，也有电推进系统，这是全球首创的。什么是化学推进？化学推进靠燃烧，在推力室产生高温高压的气体，然后从喷管喷出，获得巨大的推力。化学推进需要消耗推进剂。电推进则是惰性气体在电离和电场的情况下加速，获得一个极高的喷出速度，从喷管喷出。它最大的特点就是比冲非常高。我们现在用的电推进比在轨的化学推进的比冲高五六倍，这也是中国空间站的一个特点。

　　一般来说，电推进以前主要用在高轨卫星的轨道保持或深空探测上，在空间站这么大的一个组合体上用电推进技术维持空间站的轨道，中国是世界上第一家。其中也经过了很复杂的研制过程。因为当我们定这件事情的时候，电推进的技术水平和能力都非常有限，当时只能达到80毫牛这个水平。重量超过100吨的空间站，能不能用电推进技术？我们一开始采用并联的方法，但即使320毫牛也不够大。关键是我们对电推进这项技术的足够重视，最终促进了国内电推进技术的快速提高和发展。到今天，我国的电推进技术水平已经达到了几牛顿这样的推力水平，应该说中国空间站的带动和促进起到了非常显著的作用。

　　电源是非常重要的一种能源，无论是维持空间站的运转还是保障航天员的生活、通信、科学实验等等，电是少不了的。所以，中国空间站在设计之初，就一直坚持要提供丰富的能源，而且一定要保证高可靠、高安全、长寿命。我们空间站的能源主要依靠两个实验舱上的两对太阳翼大帆板来满足，一对太阳翼有55米长，面积达270多平方米，可以发电15千瓦。两个实验舱上的两对太阳翼再加上核心舱的太阳翼，一共有38千瓦的发电能力。而且，我们在太阳电池的技术、储能电池的技术方面都有了很大进步。

　　我们空间站的太阳翼采用了柔性的太阳翼。它有一个好处——可以一片一片地收纳在太阳翼盒子里，再依靠一个桁架式的结构，把它展开出去。现在，空间站建造完成以后，核心舱的太阳翼帆板的位置就可以腾出来，更有利于今后空间站的其他操作活动。大家可以在不久的将来看到，我们的航天员和机械臂将协同把这一对核心舱上的太阳翼帆板拆下来，再把它挪到两个实验舱的尾部上去。这会是一个很复杂的舱外活动，需要航天员多次出舱完成。它也将成为中国空间站能力提高的一个重要的标志性事件。

　　神秘的太空实验室

　　中国空间站完成在轨建造以后，将转入为期10年以上的应用与发展阶段。在应用阶段，航天员将在舱内外空间进行大规模科学实验。目前已有17个国家的科学实验项目通过审批，即将入驻中国空间站。未来，空间站可以开展哪些科学实验？有哪些科学发现值得期待呢？

　　近地轨道空间主要有几类资源。

　　一类是微重力。地面上没有那么高的微重力水平，而近地轨道上有一个持续的微重力。在航天员的太空授课中，我们就能看到很多在地面上看不到的现象。

　　第二类资源是高真空、高洁净的环境。真空对人的生存是个挑战，但同时高真空也是一种资源。地球大气的保护使地面生物避开了宇宙射线的影响，但同时它也妨碍了我们观察宇宙。所以，真空环境的太空是研究宇宙起源和演化、研究空间天文的非常有利的场景。

　　还有一类资源是辐射。比如，太阳能就是绝大多数航天器进入太空后主要的能源来源。

　　我们空间站的科学研究就是围绕这些资源来进行布局的。中国空间站上分布了25个空间应用系统实验机柜，以及多个舱外载荷挂点，今后还有扩展的实验平台。我们已经完成了水稻在太空中从种子再到种子的整个培养过程。我们带上去的水稻种子在空间站里发芽、生长、开花结籽，其种子又再一次在空间站里完成了培养生长。在这个过程中，我们研究了微重力情况下水稻的发育情况，包括什么样的水稻基因对重力比较敏感。

　　科学是一个探索的事业，有很多激动人心的科学发现在等待着我们。中国空间站的巡天空间望远镜就是一个值得我们期待的科学设施。中国巡天空间望远镜计划于2024年前后发射。巡天空间望远镜有什么特点呢？它的口径为2米，分辨率与哈勃望远镜相当，但是它的视场角大约是哈勃望远镜的350倍，所以它可以“巡天”，能够观察大约17500平方度的天区范围。哈勃望远镜是不能巡天的，它到现在为止一共只看到几百平方度的范围，尽管如此，它已经为我们带来了大量的科学发现。中国巡天空间望远镜有非常丰富的光谱手段，我相信它一定能源源不断地给我们带来激动人心的科学发现。

　　目前，我们已经建成了三舱构型的中国空间站。三舱构型，包括“天和”核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱，我们也称为基本构型。其实，在设计的时候，我们就考虑了扩展的问题。空间站今后可以增加新的舱段，扩展为四舱的十字构型，还可以扩展成六舱的干字构型，可以发展到180吨重量的规模。当然这个扩展并不是那么简单，要有停靠的节点，要有能源的扩展，还要有信息的扩展和环境的控制、姿态的控制、轨道的控制等等，涉及整个系统。

　　另外，中国的载人登月计划已经正式立项实施，我们将利用载人月球探测发展新一代运载火箭和载人登月飞船的机会，同步研发出新的飞船，新的飞船最多可以容纳7名成员。

　　中国空间站的设计寿命是10年，今后我们将不断地通过维修、升级等手段来延长它的服务寿命，我相信可以延续到15年、20年、25年甚至30年。通过我们未来长时间的努力，一定能够推进中国空间科学进入世界一流的行列。(记者：徐蓓 整理 来源：解放日报) 【编辑:周驰】