+毛新愿

人類目前共出現(xiàn)了四代空間站，中國建設(shè)的天宮空間站是一個(gè)相當(dāng)于第三代水平的空間站，總大小在80-100噸級，有潛力擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)艙成為100+噸級，預(yù)計(jì)在2022年完成，壽命十年，亦可通過維護(hù)延期。

相較而言，它比起目前420噸級的第四代空間站——國際空間站的確要小一圈，但天宮空間站對于我國而言已經(jīng)是最佳方案了。

我們先來看看前三代空間站的歷史和特點(diǎn)。

1.基本背景

上世紀(jì)60年代末，蘇聯(lián)在登月項(xiàng)目的競爭中落敗于美國后，便掀起了新一波的競爭：空間站建設(shè)。長期以來的載人航天實(shí)驗(yàn)、尤其是阿波羅登月的成功，驗(yàn)證了人類可長時(shí)間在太空中生存的可能性。在設(shè)想中，通過建立長期駐人的空間站，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋全球的軍事偵察甚至潛在的作戰(zhàn)目的。蘇聯(lián)于是將航天發(fā)展重心押在長期可駐人空間站上，與此同時(shí)可發(fā)射大型任務(wù)的質(zhì)子系列火箭也完全成熟。

2.第一代和第二代空間站

早在美國還在進(jìn)行阿波羅登月的1971年，蘇聯(lián)便把絕密的禮炮一號（Salyut）送入太空，并在后續(xù)項(xiàng)目中嘗試裝載武器。

圖1 我國“天宮”空間站

禮炮號空間站簡要信息

圖2 蘇聯(lián)禮炮7號空間站

在1971-1982年間，蘇聯(lián)共計(jì)發(fā)射了9個(gè)重達(dá)18-20噸的空間站，其中7個(gè)取得成功，技術(shù)上分為兩代。

第一代為實(shí)驗(yàn)飛行器性質(zhì)，僅有一個(gè)對接口，意味著一次僅能對接一艘飛船，我國的天宮一號和二號也是類似功能。它們主要用來驗(yàn)證交會(huì)對接、出艙行走、長期在軌駐留等實(shí)驗(yàn)，用完就沒有太大意義了。

第二代為長期駐留空間站，此時(shí)已經(jīng)帶有兩個(gè)對接口，可一次對接兩艘飛船。其中，三個(gè)軍用的禮炮空間站還進(jìn)行了秘密的武器試驗(yàn)，例如在禮炮三號上安裝了圖-22轟炸機(jī)自衛(wèi)航炮作為攻擊武器，無奈由于無法解決武器發(fā)射時(shí)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)問題被迫放棄。

蘇聯(lián)的第二代空間站已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，禮炮6和7號都獲得了巨大成功。

在蘇聯(lián)的壓力下，美國方面也毅然轉(zhuǎn)向空間站建設(shè)。由于龐大登月火箭土星五號的存在，他們只需將其中一級（Saturn IV-B）改裝成空間站結(jié)構(gòu)，即可一次性發(fā)射超大空間站進(jìn)入太空，比起蘇聯(lián)的單模塊空間站擁有巨大的優(yōu)勢。

1973年5月14日，美國用一枚土星五號運(yùn)載火箭，將巨大的天空實(shí)驗(yàn)室空間站送入太空。它重約80噸，內(nèi)部體積達(dá)到了368立方米，大約相當(dāng)于一棟120平方米的房子飛在空中，前后接待了三批宇航員，載人任務(wù)于1974年2月8日結(jié)束，任務(wù)非常短暫，隨后天空實(shí)驗(yàn)室被封閉，于1979年7月11日返回地球大氣層燒毀。

從性質(zhì)來講，天空實(shí)驗(yàn)室僅有一個(gè)對接口，也屬于第一代空間站。這也符合它的定位，很大程度上是為了應(yīng)對蘇聯(lián)壓力而趕鴨子上架的。無論是火箭還是空間站都極其昂貴，載人飛船還是阿波羅登月飛船，太貴了，即便是財(cái)大氣粗的美國也無力以該火箭維持空間站的運(yùn)行。

3.第三代空間站

但蘇聯(lián)方面則繼續(xù)發(fā)展第三代空間站作為載人航天的延續(xù)。

天空實(shí)驗(yàn)室任務(wù)周期內(nèi)，蘇聯(lián)恰好處在禮炮2號無法使用、宇宙-557空間站剛剛失敗、禮炮3號尚未發(fā)射的階段。在政治和軍事壓力下，蘇聯(lián)官方提出了更新一代大型空間站的任務(wù)，第三代空間站于1976年開始論證，正是和平號空間站的前身。

和平號空間站的最大特點(diǎn)是模塊化組裝，這意味著空間站建設(shè)需要通過近地軌道集合的方式完成，降低了每次航天發(fā)射的載重需求，每一個(gè)模塊也可以在保證接口一致的情況下具有完全不同的獨(dú)立功能。計(jì)劃中的和平號核心艙，也由禮炮7號升級而來，更新了太陽能陣列（從硅材料到鎵）、新型計(jì)算設(shè)備、增加接駁塢站到6個(gè)等，總重升級到20.4噸，宇航員活動(dòng)的加壓空間達(dá)到90立方米，火箭可以滿足需求。在隨后10年內(nèi)，通過一系列重要任務(wù)，和平號逐漸完成了主體的搭建，期間蘇聯(lián)解體，新成立的俄羅斯重新恢復(fù)了與美國的航天合作，和平號也因?yàn)楹兔绹教祜w機(jī)計(jì)劃合作而修改了一定建設(shè)方案（原計(jì)劃對接蘇聯(lián)暴風(fēng)雪號航天飛機(jī)），新增了光譜號、對接艙和自然號三個(gè)艙段，全貌如圖4。

建成后的和平號成為了一個(gè)圍繞核心艙建設(shè)、總重129.7噸、350立方米內(nèi)部加壓空間的龐然大物，運(yùn)轉(zhuǎn)在距離地球上空400千米的高處。由于對接艙的存在，和平號能夠直接與美國的五架航天飛機(jī)對接（實(shí)際上是亞特蘭蒂斯號7次，發(fā)現(xiàn)號1次，奮進(jìn)號1次），如果考慮到航天飛機(jī)自身重量，整個(gè)空間站的最大重量可以高達(dá)249噸。期間，先后有31艘聯(lián)盟載人飛船（其中1次為新型聯(lián)盟TM飛船無人測試）和62艘進(jìn)步號貨運(yùn)飛船對接和平號，取得了巨大成就。

和平號空間站是禮炮號系列空間站的技術(shù)結(jié)晶，作為國際空間站發(fā)射前全球最重要的空間站，也是唯一的第三代空間站，它奠定了多艙模塊化組裝、積木式結(jié)構(gòu)方式搭建長期可駐留空間站技術(shù)的發(fā)展，將主體結(jié)構(gòu)、能源控制系統(tǒng)、軌道和姿態(tài)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、環(huán)境與生命維持系統(tǒng)、宇航員生活與工作區(qū)域、載人和貨運(yùn)駁接、出艙行走和氣閘艙、科學(xué)研究等模塊優(yōu)化布局糅合或分列在不同艙段內(nèi)，效率大大提升。

圖3 美國天空實(shí)驗(yàn)室空間站

圖4 和平號空間站的結(jié)構(gòu)圖

和平號實(shí)現(xiàn)了83.2%生命周期內(nèi)駐人（4592/5519天），共計(jì)接納了來自12個(gè)國家的135名宇航員在此工作與生活，他們完成了78次出艙行走并完成海量實(shí)驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)指標(biāo)都遠(yuǎn)超此前所有載人航天任務(wù)的總和。于此同時(shí)和平號上的宇航員也成為研究人體航天醫(yī)學(xué)的最佳數(shù)據(jù)來源，在任務(wù)周期內(nèi)，和平號有多人創(chuàng)造了單次滯空記錄，人類歷史上三次達(dá)到或超過一年的記錄均來自和平號空間站宇航員：Valeri Polyakov滯空438天，Sergei Avdeyev實(shí)現(xiàn)380天，Vladimir Titov和Musa Manarov實(shí)現(xiàn)365天。

這說明第三代空間站已經(jīng)足夠強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)絕大多數(shù)空間科學(xué)研究和應(yīng)用功能，我國的天宮也是這個(gè)思路。

4.第四代空間站

90年代初，隨著蘇聯(lián)解體、俄羅斯獨(dú)立，和平號成為了兩個(gè)超級大國航天和平合作的契機(jī)。在蘇聯(lián)計(jì)劃發(fā)展下一個(gè)和平號空間站時(shí)，美國也在計(jì)劃發(fā)展自家的自由號空間站（Freedom）。俄羅斯獨(dú)立后，二者的空間站方案一拍即和，決定共建一個(gè)空間站，同時(shí)接受世界上主要國家加入的申請，這個(gè)方案便是自1998年運(yùn)行到今天的國際空間站，它已經(jīng)是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的第四代空間站。相比第三代空間站，桁架結(jié)構(gòu)的使用使得整個(gè)空間站結(jié)構(gòu)更大、功能更加復(fù)雜。隨著和平號的隕落，國際空間站成為整個(gè)人類載人航天的寵兒。

國際空間站的建設(shè)比起和平號復(fù)雜許多，它需要的組合部分更多，功能要求更強(qiáng)?？梢詮慕ㄔO(shè)過程明顯看出，桁架質(zhì)量甚至超過了普通艙段。自從1998年11月20日俄羅斯發(fā)射第一個(gè)主要艙段曙光號起，一直到今天仍在進(jìn)行建設(shè)過程，主要建設(shè)過程由美國的航天飛機(jī)計(jì)劃完成。由于大型結(jié)構(gòu)的使用，它絕大部分建設(shè)甚至只能由航天飛機(jī)完成，然而航天飛機(jī)極其昂貴，平均每15億美元一次任務(wù)！

圖5 國際空間站

時(shí)至今日，國際空間站已經(jīng)成長為一個(gè)寬109米、長73米、高20米、重達(dá)419噸、內(nèi)部容積916立方米的空間巨無霸，相當(dāng)于一棟七層樓高的小型體育場。自從2000年11月2日首次載人任務(wù)以來，它已經(jīng)連續(xù)保持了19年載人飛行，駐扎國際空間站的宇航員被叫作遠(yuǎn)征隊(duì)（Expedition）成員，每批保持在6位。目前國際空間站還有每年8次左右貨運(yùn)對接和4次左右載人對接，一個(gè)批次的宇航員停留時(shí)間大概半年左右。

20年來的運(yùn)轉(zhuǎn)，國際空間站完成了數(shù)不清的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為人類科技進(jìn)步和航天技術(shù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。它是人類載人航天的最高技術(shù)體現(xiàn)，也孕育了各個(gè)國家的各種載人航天相關(guān)器具，例如美國的航天飛機(jī)（載人/貨運(yùn)）、龍飛船（貨運(yùn)）、龍-2飛船（載人）、天鵝座（貨運(yùn)），俄羅斯的進(jìn)步號（貨運(yùn)）和聯(lián)盟號（載人），歐盟的ATV（貨運(yùn)），日本的HTV（貨運(yùn)）。它的特殊環(huán)境也促使了國際上關(guān)于天文觀測、對地遙感、航天醫(yī)學(xué)、植物育種等多方面技術(shù)的快速進(jìn)步，成為一個(gè)獨(dú)一無二的科研平臺。目前它依然處在很好的運(yùn)營狀態(tài)，服役時(shí)間在逐漸延期。

國際空間站主要艙段建設(shè)時(shí)間表

人類航天四代載人空間站技術(shù)特點(diǎn)

5.我國天宮和國際空間站為什么設(shè)計(jì)方案不同？

可以從前文明顯感覺到空間站的發(fā)展歷程有以下特點(diǎn)：

a.相對于第一和二代空間站，第三代空間站已經(jīng)是一個(gè)非常大、全方位的跨越。第四代空間站的確可以依賴桁架式結(jié)構(gòu)做到更大更強(qiáng)，但并沒有巨大的優(yōu)勢。具體的區(qū)別前文已經(jīng)介紹過了。

b.大型空間站往往需要更加強(qiáng)力的運(yùn)載器具，國際空間站離了極其昂貴的航天飛機(jī)是根本不可能建成的，但這也導(dǎo)致它的建造費(fèi)用爆增，20年來總費(fèi)用超過了2000億美元！我國目前最強(qiáng)的長征-5與俄羅斯質(zhì)子K是同一級別火箭，不足以建設(shè)大型桁架式的結(jié)構(gòu)（體積問題），或者強(qiáng)行改第四代空間站方案建造費(fèi)用將是個(gè)天文數(shù)字；

c.國際空間站的運(yùn)營費(fèi)用已經(jīng)極高，例如國際空間站常年保持6人在軌生存，半年左右進(jìn)行輪換。目前俄羅斯聯(lián)盟號載人飛船是唯一運(yùn)載工具，一張船票就需要8100萬美元，太貴了！而維持運(yùn)行也需要大量貨運(yùn)飛船前往，費(fèi)用極其高昂。每年單美國就需要花費(fèi)15億美元預(yù)算在國際空間站，這個(gè)價(jià)格基本足夠中國完成嫦娥探月工程。

因而，對于我國而言，選擇建立一個(gè)第三代空間站已經(jīng)足夠完成絕大部分任務(wù)目標(biāo)。長期保持3人在軌運(yùn)行，用現(xiàn)有的長征-5（重型建設(shè)工作）、長征-7（天舟貨運(yùn)飛船）和長征-2F（神舟載人飛船）火箭即可支撐，性價(jià)比顯然要高很多。如果順利，2020年開建，2022年就可建成并投入至少10年的運(yùn)營。

實(shí)際上，天宮空間站方案也很靈活。在運(yùn)行中，天宮空間站將同一個(gè)光學(xué)艙段共軌飛行。該光學(xué)艙是一個(gè)十幾噸的大型巡天望遠(yuǎn)鏡，在很多指標(biāo)上都接近甚至超過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，視場角是哈勃的300多倍。這種方案減少了對望遠(yuǎn)鏡的干擾，同時(shí)如果望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)類似哈勃曾經(jīng)遭遇的質(zhì)量問題時(shí)，也方便維護(hù)升級。

同時(shí)，核心艙還保有備用對接口等，如有需要可以將天宮空間站進(jìn)一步升級成更大版本。這些設(shè)計(jì)理念是非常先進(jìn)實(shí)用的。

我國航天依然處在追趕階段，有太多地方需要花錢，即便再怎么多快好省也要避免航天人“巧婦難為無米之炊”的窘境，天宮空間站保持一個(gè)超高性價(jià)比建設(shè)和運(yùn)營方案，對于我國是最優(yōu)解。