文/ 黃希

4月29日，由中國航天科技集團有限公司所屬中國空間技術研究院抓總研制的中國空間站核心艙——“天和”，在太空中順利定位，包含11次飛行任務的中國空間站在軌建造任務由此開啟。

核心艙命名為“天和”，全長16.6米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，是我國目前研制的最大航天器。它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活和工作的主要場所，還能支持開展一定規(guī)模的空間科學實驗和技術試驗。

如何建設中國空間站？中國空間站有哪些特色？如何讓中國的“太空實驗室”發(fā)揮出巨大的科學價值？對于這些問題，中國空間站系統(tǒng)總設計師楊宏一一作答。

是“超級工程”，更是“連環(huán)工程”

15年前，楊宏作為我國首個空間實驗室——“天宮一號”的總設計師，參與了“天宮一號”全流程的設計工作。

2011年，結束“天宮一號”的工作后，他被任命為中國空間站總設計師，迅速參與到中國空間站的方案設計中。

如何實現(xiàn)從“空間實驗室”到長期在近地軌道運行的“載人空間站”的迭代和升級，成為楊宏和他的團隊重點思考的問題。

據(jù)中國載人航天工程總設計師周建平介紹，空間站基本構型有3個艙段——1個核心艙，2個實驗艙。每個艙都是20噸級，三艙組合體質(zhì)量約66噸。空間站整體呈T字構型，核心艙居中，實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接于兩側。其中，核心艙用來控制整個空間站組合體，兩個實驗艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎物理等多方面的科學實驗。

核心艙是空間站的主控艙段，相當于是整個空間站的中樞系統(tǒng)，主要對整個空間站的飛行姿態(tài)、動力性能、載人環(huán)境進行控制。核心艙的大柱段直徑4.2米，小柱段直徑2.8米。大柱段部位主要是航天員開展工作和實驗的地方，小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)，保障航天員的生活和居住。

實驗艙Ⅰ名為“問天”，主要任務是開展艙內(nèi)和艙外空間科學實驗和技術試驗，也是航天員的工作生活場所和應急避難場所。實驗艙Ⅰ配備了航天員出艙活動專用氣閘艙，支持航天員出艙活動，配置了小型機械臂，可進行艙外載荷自動安裝操作。該艙有著核心艙部分關鍵平臺功能，這意味著在需要的時候，它可以執(zhí)行對整個空間站的管理和控制。

實驗艙Ⅱ名為“夢天”，具備和實驗艙Ⅰ類似的功能。該艙配置有貨物專用氣閘艙，在航天員和機械臂的輔助下，支持貨物、載荷自動進出艙。

空間站工程還包括天地往返運輸系統(tǒng)和貨物運輸系統(tǒng)。天地往返運輸系統(tǒng)由神舟載人飛船和長征二號F運載火箭組成，貨物運輸系統(tǒng)主要由天舟貨運飛船和長征七號運載火箭組成，用于航天員和部分物資往返空間站。神舟載人飛船可支持3名航天員實現(xiàn)天地往返，在空間站停靠期間也作為救生船，用于航天員應急救生和返回。

在中國空間站里，航天員的活動空間將得到極大拓展。

有人統(tǒng)計過，神舟七號載人飛船航天員的活動空間大概是7立方米；“天宮一號”航天員有效活動空間約為15立方米，大概相當于一個7平方米房間大小。而在中國空間站里，航天員活動空間擴展到了110立方米。

如果把神舟飛船比作一輛轎車，那么“天宮一號”和“天宮二號”就相當于一室一廳，空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間。

但是，空間站不是“天宮一號”簡單的放大樣。要保證空間站長期安全穩(wěn)定運行、保障航天員長期在軌健康生活和高效率工作，科研人員還需要開展大量的科學技術試驗。與此同時，有些關鍵技術在地面受重力影響，也需要在天上繼續(xù)進行關鍵技術在軌驗證。

中國空間站工程在今明兩年將接續(xù)實施11次飛行任務，包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運飛船發(fā)射以及4次載人飛船發(fā)射，并依次圍繞核心艙完成組裝建造工作。難怪中國空間技術研究院的設計師說空間站的建造就像是“在太空中搭積木”。

這樣高密度任務在我國載人航天工程中從未有過。11次任務環(huán)環(huán)相扣，一系列關鍵技術需要在天上驗證，并進行分段評估，才能進行下一階段建造工作，進而決定“下一步走向”，可謂是“步步驚心”。

舉例來說，天和核心艙上天后，需要根據(jù)自身表現(xiàn)，在48小時內(nèi)評估在軌狀態(tài)，進而為下一個任務——“天舟二號”發(fā)出指令，讓其進入“發(fā)射倒計時”準備階段。兵馬未動，糧草先行。天舟二號貨運飛船上天后，根據(jù)對接狀態(tài)，給下一個任務——神舟十二號載人飛船相應的指令。確認一切正常后，載人飛船才能進入發(fā)射準備階段。隨后的每一次飛行，都是建立在之前任務狀態(tài)正常的基礎上，才能實施后續(xù)任務。任務之間耦合度極高，不允許有任何閃失。

據(jù)介紹，中國空間站提供3個對接口，支持載人飛船、貨運飛船及其他來訪飛行器的對接和?？?。額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達6人，具備十幾噸載荷設備的安裝和支持能力。

與此同時，中國空間站設計壽命不小于10年，具有通過維護維修延長使用壽命的能力，能夠擴展到180噸級，也為后續(xù)發(fā)展留有一定的空間。

是“無紙化操作”，更是“數(shù)字化工程”

提到空間站，大家首先會想到國際空間站。以美國為首的16個成員國組成聯(lián)盟，集合了當時最先進的航天技術，但卻把中國排除在外。

中國空間站憑借一國之力獨立建造，瞄準“整體水平能夠達到世界先進水平、局部能夠超越國際空間站”這個目標來研發(fā)。要實現(xiàn)這個目標，靠的是什么？

對這個問題，楊宏有自己深刻的理解：靠的是新型舉國體制優(yōu)勢，創(chuàng)新引領和航天事業(yè)多年積累的體系作為保障，開展全國大協(xié)作，集智攻關。

他特別指出，要堅持以信息技術來提升載人航天器能力的設計理念。在工程研制中大膽采用先進信息技術能夠給航天器帶來突飛猛進的進步。

傳統(tǒng)的航天器研制和生產(chǎn)，從圖紙到初樣再到正樣，是必經(jīng)之路。

不同于單一航天器的研制，中國空間站建設涉及3個艙段，還包括與貨運飛船、載人飛船的對接，系統(tǒng)之間的關聯(lián)性和耦合性極高，可謂“牽一發(fā)而動全身”。

作為總師，在各個艙段的設計中，如何實現(xiàn)系統(tǒng)間的高效連接，追求最大程度的“一次到位”，成為楊宏關注的焦點問題。

“數(shù)字化”就是破解這個難題的密鑰。

此次在中國空間站研制中實現(xiàn)了“數(shù)字化模型設計”，設計過程中沒有產(chǎn)生一張紙質(zhì)圖紙，這讓研制團隊頗為驕傲。

除了實現(xiàn)各個艙段的“友好耦合”外，空間站艙內(nèi)設備也需要做到“布局優(yōu)化”，讓航天員的工作生活更便利。

“就像我們自己家里搞裝修一樣，除了布線，室內(nèi)還要裝空調(diào)、照明燈，哪個先裝，哪個后裝，都需要統(tǒng)籌考慮。采用數(shù)字化建模之后，各個系統(tǒng)就可以在自己的模塊內(nèi)反復迭代，直到生成一個在參數(shù)范圍內(nèi)的最理想、和其他系統(tǒng)匹配度最高的模型，生產(chǎn)方拿到設計模型后，直接進入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。”楊宏說，恰恰就是采用這種方式，讓設計和生產(chǎn)沒有誤差，一氣呵成。就連艙內(nèi)最難辦的1000多條異性管路，都能一次安裝到位，沒有返工。

還有一個小細節(jié)也能看到“數(shù)字化手段”的功勞。在太空中運行的航天器講究“質(zhì)量配平”，大概意思就是艙體布局重量相當。一般情況下，這很難依靠已有的設備實現(xiàn)“完全配平”，需要額外的“配重”來達到平衡。此次在空間站中，因為有數(shù)字化手段引入，輕松實現(xiàn)了艙內(nèi)布局優(yōu)化的目標。

值得一提的是，此次艙內(nèi)實現(xiàn)了WiFi全覆蓋。航天員所有的生理參數(shù)都通過網(wǎng)絡實時下傳。先進信息技術的采用，會讓航天員如同在地面上一樣看劇、打視頻電話，太空生活會更加豐富。

是“高可靠產(chǎn)品”，更是“高品質(zhì)樣板”

空間站就是航天員在太空中賴以生存的家，設計師們需要把航天員的安全問題放在首位。

經(jīng)過載人航天“三步走”中“前兩步”的實施，人的“安全性”問題已經(jīng)得到了充分驗證。即便如此，研制團隊還是做了大量功課，針對能想到的風險都做了詳盡的預案。

拿安全性來說，航天員在太空中最怕什么？一怕失壓，二怕失火。

太空是一個真空環(huán)境。宇宙飛船上的密封艙有適合航天員生活和工作的環(huán)境，艙外活動用的航天服，也具有維持正常生活的大氣壓和氧氣。一旦密封艙或航天服遭流星、太空垃圾襲擊或其他機械損傷，哪怕是一個很小的洞或裂縫，空氣都會很快跑光，航天員將會面臨生命危險。

所以，密封問題非常關鍵。研制團隊針對國際空間站出現(xiàn)的泄漏問題進行了充分的舉一反三。對艙內(nèi)所有的密封環(huán)節(jié)，進行一一復查。

此外，針對空間碎片問題，中國空間站配備了一套撞擊打擊預防系統(tǒng)，能夠對“不速之客”——空間碎片，進行定位感知，通過對空間站實施升軌或者降軌，對空間碎片進行規(guī)避。

這就跟我們坐飛機遇到不穩(wěn)定的強烈氣流，飛機通過改變高度實現(xiàn)規(guī)避的原理是一樣的。

此外，針對防失火問題，艙內(nèi)所有的材料都采用阻燃材料，對高壓用電也進行了嚴格控制。如果發(fā)生重大險情，航天員緊急撤離和快速撤離模式可立即啟動，幫助航天員在5分鐘內(nèi)快速逃離危險區(qū)。

除了在安全性上做足功課外，設計師們也在想辦法提高航天員的太空生活舒適度，注意私密性，極大地提高了航天員的“太空生活質(zhì)量”。

在中國空間站上，滿足乘員輪換期間短期可達6人的居住條件。6人可各自擁有獨立的睡眠區(qū)和生活區(qū)，設計師們對通風、噪聲、燈光等細節(jié)都有非常周密的考慮。

我們都有這樣的感受，通風對室內(nèi)環(huán)境很重要。但是，風大了會著涼，風小了空氣無法流動。在密封的艙體內(nèi)，必須要靠風扇讓空氣流動起來。為了防止航天員著涼，航天員睡眠區(qū)和工作區(qū)的風速都是不同的。經(jīng)過多次測試，設計團隊最終將中國空間站工作區(qū)風速設定為每秒0.08米，睡眠區(qū)風速則為每秒0.05米。

艙內(nèi)有大量設備，設備轉動起來不可避免會帶來噪聲，并通過艙體結構進行傳導，人在這樣嘈雜的環(huán)境中待久了顯然會很不舒服。

楊宏坦言，設計團隊花了一年半時間進行噪聲問題攻關，“付出了很大的辛苦”。楊宏帶著總體設計人員和502所的技術人員協(xié)同攻關，最終通過加隔振器的方式有效過濾掉了噪聲，使工作區(qū)的噪聲從71分貝降到了58分貝，睡眠區(qū)從58分貝降到了49分貝。對人體而言，理想的睡眠環(huán)境是30到50分貝。對比國際空間站“工作區(qū)72分貝，睡眠區(qū)55分貝”的噪聲參數(shù)，楊宏對中國空間站的噪聲處理結果很滿意。

此外，中國空間站還將是一個“智能家居”環(huán)境，航天員通過平板電腦遙控指揮艙內(nèi)的家用電器，在太空廚房里還能使用冰箱、飲水機、微波爐。

在太空中，航天員將按照北京時間來作息?？臻g站環(huán)繞地球一圈是90分鐘，航天員24小時內(nèi)最多能看到16次日出日落。為了讓航天員生物鐘不受影響，設計師在艙內(nèi)設置了情景照明系統(tǒng)，就像波音787、空客380客機一樣，定時將燈光變成黃昏模式、日間模式。這些細節(jié)上的周到考慮，都是為了給航天員打造一個宜居環(huán)境。

是中國智造，更是中國創(chuàng)造

楊宏把空間站的建造比作是“搭臺唱戲”，中國空間站既是為中國科學家，也是為全球科學家提供的科學探索平臺。這一初衷，注定了中國空間站是開放的。

秉承這樣的設計思想，中國空間站在集納當前北斗、天鏈等先進航天技術的基礎上，采用了很多先進的民用技術和商用技術。

艙內(nèi)的電器都是我們耳熟能詳?shù)募矣秒娖髌放啤o線WiFi數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)了艙內(nèi)無纜化，確保了艙內(nèi)環(huán)境井然有序。

在空間站的天地通話環(huán)節(jié)上，將看不到航天員戴著耳機與地面連線的場景，骨傳導耳機技術運用其中，將會大大減少航天員的用耳負擔。

地面物流技術也被設計師應用其中。伴隨著貨運飛船的陸續(xù)抵達，貨物的打包、開包、整理、安裝的工作量巨大，國際空間站上已經(jīng)有100多件物品找不到了?！熬拖窦依镆粯?，一個人放的東西，如何能確保其他人都能找到，這里面學問也不小?！睏詈昱e例說道。

借鑒國內(nèi)物流巨頭先進的貨物管理技術，中國空間站建立了一套物流管理系統(tǒng)，航天員能夠通過掃描二維碼的方式，識別貨物的位置信息和產(chǎn)品信息，同時對產(chǎn)品信息的庫存數(shù)量都能做到動態(tài)掌控，一進一出，都有臺賬，確保航天員的工作生活更便捷。