我國未來空間站的設(shè)計
神舟九號載人交會對接任務(wù)勝利完成后，2012年8月神舟九號代表團分別訪問了香港和澳門，在公開展覽中展示了大量神舟九號任務(wù)的實物和圖片，其中包括神舟九號飛船的返回艙和主降落傘、載人任務(wù)的太空服實物、太空活動的照片和太空拍攝的地球美景。過去的歷史固然是輝煌的一頁，但未來更待可期，我國載人航天工程未來將發(fā)射兩個太空實驗室，并在2020年左右建成可長期駐留的空間站。神舟九號代表團的展覽圖片中，也展出了未來空間站的想象圖。雖然這個未來載人空間站還是一個核心艙外加兩個實驗艙的基礎(chǔ)設(shè)計，但是在細節(jié)上有了不小的優(yōu)化， 反應(yīng)了我國載人空間站在技術(shù)上的進步，這對我這樣關(guān)注載人航天工程的航天愛好者來說，是很令人興奮的。
網(wǎng)友有限時間在澳門拍攝的清晰圖片，可以看到和早期設(shè)計有了很大不同
最主要是增加了兩個巨大的太陽翼(以下我國空間站最新設(shè)計圖片均為網(wǎng)友有限時間拍攝)
雖然載人航天工程總設(shè)計師王永志院士曾在論文中提到，我國載人空間站設(shè)計經(jīng)歷了“由小艙到大艙，由單艙到三艙”的演變，但是我國空間站的早期論證方案仍然藏在深宮人未知。如果看近年來公開的我國未來空間站的設(shè)計，完全可以看作是蘇聯(lián)和平號空間站的翻版，只不過對接的艙段更少而已，所以質(zhì)量也更小。我國載人航天工程并不是沒有創(chuàng)新，新的大型貨運飛船更類似歐洲ATV飛船，提供了基于聯(lián)盟飛船改進而來的進步貨運飛船數(shù)倍的運輸能力，不過這更多的屬于配套飛船，空間站主體設(shè)計仍然酷似和平號。面對這樣的設(shè)計，不僅很多外國航天愛好者，就是我這樣的中國航天愛好者，都忍不住想要諷刺：是不是時光倒流，怎么2001年墜落的和平號還在天上？
2011年我國空間站的設(shè)計方案，由一個核心艙和兩個實驗艙組成，對接了一艘貨運飛船和一艘載人的神舟飛船 作為921載人航天工程的三步走計劃的第三步，空間站項目是我國載人航天的重中之重。不同于蘇聯(lián)禮炮和鉆石系列分不清屢戰(zhàn)屢敗還是屢敗屢戰(zhàn)的悲壯歷史，也不同于美國從巨型的天空實驗室到先進的自由號空間站的先進性，我國載人空間站項目既無法承受蘇聯(lián)人如此多的失敗，也沒有美國那么先進的技術(shù)。從發(fā)展計劃上說，我國載人空間站要一步到位達到和平號空間站的水平，并為下一代載人航天器積累技術(shù)和運行經(jīng)驗，用我國航天人自己的話來說“中國空間站建設(shè)起點高、難度大”。自2010年9月25日中國空間站建設(shè)立項以來，我國航天部門組建了空間站團隊，進行了大量論證研究，盡管總體設(shè)計上大力借鑒了和平號空間站的，但仍盡可能地體現(xiàn)中國特色和中國航天的自主創(chuàng)新。 官方刊物的封面圖以權(quán)威展示了我國空間站當(dāng)時的設(shè)計，2011年中國載人航天工程網(wǎng)還開展了一次中國空間站征名活動，披露了空間站的部分信息。從官方圖片看，我國空間站以一個帶多對接口的核心艙為核心，對接實驗艙和宇宙飛船構(gòu)成了完整的空間站，而征名活動中具體說明了這個空間站的諸多技術(shù)指標(biāo)。我國空間站基本艙段只有一個核心艙和兩個實驗艙，它們都是具備獨立飛行能力的飛行器，發(fā)射質(zhì)量也都在20~22噸，空間站總質(zhì)量約為66噸，根據(jù)其他來源的報道，王永志總師曾提到這個空間站的實驗載荷質(zhì)量約6~7噸。我國未來載人空間站的規(guī)模要比蘇聯(lián)時代開始建設(shè)、俄羅斯時期最后完成的和平號空間站要小得多，俄羅斯的和平號空間站包括一個核心艙，還有量子一號和量子二號、晶體、光學(xué)和自然等5個實驗艙，總質(zhì)量達到了約130噸，其中實驗儀器質(zhì)量約11.2噸，總的說來我國空間站完全可以說是半個和平號了。
中國載人航天工程網(wǎng)上公布的我國未來載人空間站核心艙圖片，可以看到它與和平號空間站核心艙極其相似 我國空間站的具體設(shè)計與和平號空間站相當(dāng)相似，我國空間站空間站核心艙包括節(jié)點艙、生活控制艙和資源艙3個組成部分，其中節(jié)點艙是一個裝有5個對接口的圓形球體，用于對接空間站艙段和宇宙飛船；生活控制艙是航天員太空長期駐留期間太空生活的主要場所，同時也是對空間站進行控制和管理的中心，資源艙則主要為航天員生活和工作提供包括能源電力、姿軌控、環(huán)境控制與生命保障等在內(nèi)的各種支持。這種設(shè)計與俄羅斯和平號空間站的核心艙如出一轍，和平號的核心艙代號DOS-7，質(zhì)量20.4噸、長度13.13米最大直徑4.15米，內(nèi)部增壓空間約90立方米，同樣基本分為這3個組成部分，甚至同樣攜帶3個太陽翼，在外形上極其相似?？紤]到在航天領(lǐng)域我國與俄羅斯進行了大量的技術(shù)交流和引進，我國空間站核心艙完全可以說是和平號核心艙DOS-7的翻版，當(dāng)然如果覺得和平號太過老舊，說是模仿了國際空間站上DOS-8星辰號，也說得過去。和平號空間站曾飽受電力供應(yīng)不足的困擾，這既有和平號供電系統(tǒng)設(shè)計老舊使用松散供電系統(tǒng)的原因，也有和平號作為典型的多艙式空間站，各個艙段太陽翼尺寸不足而且存在互相遮擋的因素。和平號空間站核心艙3個太陽翼的砷化鎵太陽能電池板總面積達到98平方米，其功率最高也不過是9~10千瓦，加上光學(xué)、晶體和量子各實驗艙的太陽翼，和平號空間站的總功率也只有30千瓦左右，其電力供應(yīng)無法滿足實驗艙儀器設(shè)備正常運行的要求。對比和平號空間站核心艙，我國載人空間站核心艙上的太陽翼尺寸相近，空間站電力供應(yīng)也并不樂觀。蘇聯(lián)時代的和平號空間站，左為核心艙，右為量子號功能艙。我國空間站核心艙無論是艙室劃分還是太陽翼設(shè)計都與其很相似，節(jié)點艙設(shè)計和外形更是一模一樣
雖然空間站核心艙上極大的借鑒了和平號的設(shè)計，不過正如神舟飛船不是簡單的復(fù)制聯(lián)盟飛船，在空間站的實驗艙上，我國仍有自己的特色。在早期設(shè)計中，兩個實驗艙都是發(fā)射質(zhì)量20~22噸、14.4米長、最大直徑4.2米的大型艙段，反映出兩個實驗艙采用同一平臺的設(shè)計，與和平號空間站量子、晶體、自然和光學(xué)各自設(shè)計和長度不一形成鮮明的對比。我國空間站實驗艙的外形與現(xiàn)有的天宮一號目標(biāo)飛行器相似，不過即使是中國載人航天工程網(wǎng)上同一時期的示意圖片，仍然有不小的差別。
2011年空間站證明活動中展示的實驗艙的結(jié)構(gòu)示意圖，它的增壓艙段比《載人航天》2011年第2期封面圖上空間站實驗艙的增壓段要長得多
空間站征名活動中出現(xiàn)了明顯加長的增壓艙段，如果這是更晚的優(yōu)化結(jié)果，將是一個很好的預(yù)兆，意味著我國空間站可能擁有更大的增壓空間，這不僅意味著更大的生活空間，也是更大的試驗工作空間，很可能也意味著更大的載荷質(zhì)量。面對空間站實驗艙和天宮系列空間實驗室以及貨運飛船外形上的相似性，我們可以推測貨運飛船和空間站實驗艙都是由天宮系列空間實驗室演化而來，而某些資料暗示天宮一號目標(biāo)飛行器的實驗艙和神舟飛船的圓柱形軌道艙有一定的繼承關(guān)系，這樣的路線圖最大程度的利用了現(xiàn)有成熟系統(tǒng)的資源，提高了新系統(tǒng)的成熟度和可靠性，并降低了新系統(tǒng)的研發(fā)成本。我國載人航天小步快跑漸進改良的發(fā)展路線還是非常出色的，實現(xiàn)了花小錢辦大事的效果，也在空間站研制設(shè)計上也體現(xiàn)了自己的特色。對于作者來說，上一次看到這么出色的研制路線圖，是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)彈尤其是EPAA中標(biāo)準(zhǔn)3反導(dǎo)攔截彈的分階段改進路線。
2012年10月1日發(fā)行的的《航空周刊》載人航天文章的配圖美國承認(rèn)神舟飛船是目前最先進的載人飛船，當(dāng)然潛臺詞是(我們美國人)更先進的下一代飛船并不遙遠 由于國內(nèi)外因素影響，我國既沒有進行載人航天競賽的必要，也沒有進行載人航天競賽的本錢。歐洲航天局、印度太空研究組織、日本宇宙開發(fā)機構(gòu)的載人航天項目都困難重重遙遙無期，其中任何一方具備完整的載人航天能力都要至少十年后。美俄在數(shù)十年前就建立了完整的載人航天系統(tǒng)，它們聯(lián)合建立的國際空間站在規(guī)模上和技術(shù)上都遠超我國十年后才能建成的長期駐留的載人空間站，尤其是美國還在推進載人深空探索，計劃對數(shù)百萬甚至上千萬千米外的近地小行星進行考察。我國在載人航天領(lǐng)域不上不下的位置，正好給我國按照經(jīng)濟和技術(shù)實力獨立自主制定載人航天發(fā)展計劃提供了可能。我國自1999年神舟一號發(fā)射以來，經(jīng)歷12年時間只進行了9次神舟飛船和1次天宮一號目標(biāo)飛行的發(fā)射，初步驗證了交會對接技術(shù)，這個發(fā)展速度雖然遠遜于冷戰(zhàn)時期美蘇載人航天競賽狂飆突進時期的項目進度，但在可靠性和安全性上獲得了豐厚的回報，在技術(shù)上也有很大的提高。雖然俄羅斯人礙于面子還是照常吹捧聯(lián)盟飛船，但資金技術(shù)更雄厚的美國人，并不吝于承認(rèn)神舟飛船的先進性。由天宮一號發(fā)展而來的大型貨運飛船，更是借鑒了歐洲航天局ATV貨運飛船的設(shè)計，具有將近6噸的貨運能力，數(shù)倍于俄羅斯現(xiàn)有的進步號貨運飛船，這將使我國空間站未來所需的貨運飛船補給頻率降低到一年一次，大大降低了載人空間站的全壽命成本。同樣的，在空間站設(shè)計上，我們看到早期設(shè)計的優(yōu)化，體現(xiàn)更多根據(jù)我國技術(shù)實力而實現(xiàn)的自主創(chuàng)新，也是一種必然。
新的空間站設(shè)計在實驗艙兩端增加了巨大的太陽翼，給人耳目一新的感覺，也大大增強了供電能力 我國空間站較早的設(shè)計中，盡管實驗艙上體現(xiàn)了自己的特色，但從外形看我國空間站和平號的模仿痕跡還是揮之不去。2012年8月香港澳門展出的空間站新設(shè)計，則給人耳目一新的感覺?？臻g站的新設(shè)計中最明顯的就是實驗艙兩端的各一對巨大的太陽翼，對比空間站艙段其尺寸及其巨大，完全可以和國際空間站桁架兩端的大型太陽翼相比。國際空間站的4對太陽翼供電能力相當(dāng)強大，每個太陽翼尺寸為115X39英尺(35X12米)，壽命初期每對太陽翼最高可產(chǎn)生32.8千瓦的電能，平均輸出功率為約21千瓦。如果按這個數(shù)據(jù)推測，我國空間站太陽翼最高可產(chǎn)生60千瓦電力，向空間站提供約40千瓦電力，此外新設(shè)計中核心艙上還保留了兩個太陽翼，按和平號的數(shù)據(jù)推斷可產(chǎn)生至少6千瓦的電力，總功率大大高于和平號空間站，可以為兩個實驗艙和核心艙提供充足的電力。 使用巨大的太陽翼，是我國空間站載荷質(zhì)量增加的必然結(jié)果。我國空間站較早的設(shè)計中號稱載荷質(zhì)量約6~7噸，但2010年底王永志總師接受采訪時已經(jīng)表示，我國空間站的空間應(yīng)用能力已經(jīng)提升到10~20噸，而2011年王永志總師進一步提出載荷質(zhì)量達到約20噸，龔惠興院士則進一步詳細的指出我國空間站可提供的有效載荷質(zhì)量約為16~17噸。面對實驗儀器的成倍增加，繼續(xù)按照和平號的設(shè)計思路增加太陽翼數(shù)量完全無法滿足需求，借鑒國際空間站的太陽翼設(shè)計也就順理成章了。不過遺憾的是，目前公開的信息太少，我們無法具體獲知空間站到底裝備什么樣的儀器設(shè)備，但已經(jīng)確定了將在實驗艙II上放置一部2米口徑的大型光學(xué)望遠鏡用于天文觀測，號稱多功能空間主動光學(xué)設(shè)施，這將是我國第一部空間主動光學(xué)設(shè)備，它的觀測范圍覆蓋了從可見光到近紅外波段，恰似光學(xué)波段的哈勃望遠鏡和近紅外波段的韋伯(JWST)望遠鏡的雜交，從口徑上說比2.4米的哈勃略小，遠小于韋伯的6.5米口徑，這也折射出我國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域雖然有很大進步，但距離美國仍有不小的差距。空間站節(jié)點艙天頂方向的對接口，與APAS對接機構(gòu)明顯不同。實驗艙II的暴露部分，會是多功能空間主動光學(xué)設(shè)施么？ 我國空間站的另一個新設(shè)計是大型對接機構(gòu)，這同樣是一個顯著的進步。在神舟八號、神舟九號分別與天宮一號對接后，現(xiàn)有的異體同構(gòu)周邊(APAS)對接機構(gòu)的可靠性已經(jīng)通過了驗證，我國未來載人飛船仍將繼續(xù)使用異體同構(gòu)周邊對接機構(gòu)。不過現(xiàn)有的異體同構(gòu)周邊對接機構(gòu)仍有一些不足，突出表現(xiàn)在對接通道直徑只有0.8米，雖然對于航天員顯得狹小但通過并無問題，但較大的實驗設(shè)備就只能拒之門外了。為了加強空間實驗?zāi)芰Γ绹兄谱杂商柨臻g站時，由波音公司開發(fā)了CBM對接機構(gòu)，這是一種通過機械臂輔助駁接的對接機構(gòu)，其外部直徑2米內(nèi)部通道直徑1.27米，可以通過較大的實驗設(shè)備如一體化的國際空間站標(biāo)準(zhǔn)載荷機柜(ISPR)，有利于空間應(yīng)用實驗的開展。在我國空間站的新設(shè)計圖片上，節(jié)點艙天頂方向的對接口沒有異體同構(gòu)周邊對接機構(gòu)的3片導(dǎo)向板，到是和美國的CBM對接機構(gòu)相當(dāng)相似。在報道中我們也可以看到一些蛛絲馬跡，神舟九號載人交會對接任務(wù)成功完成之際，《科技日報》報道研制異體同構(gòu)周邊對接系統(tǒng)的張崇峰及其團隊，目前正著力于空間站系統(tǒng)機械臂抱爪式對接機構(gòu)的研制。 同樣不斷進步的還有空間站機械臂，根據(jù)航天科技集團的報道，2012年航天科技5院機械臂團隊最后贏得了空間站機械臂的競爭，除了現(xiàn)有的六自由度機械臂外，他們還在研制更先進的 七自由度冗余機械臂，進一步具備了爬行能力，進一步提高了我國空間站機械臂的水平，從而使空間站機械臂在空間站建設(shè)、維護，航天員出艙操作等諸多領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。通過七自由度冗余機械臂的研制，我國將具備類似國際空間站加拿大機械臂2的先進機械臂研制生產(chǎn)能力，使我國空間站技術(shù)上更上一層樓。
在進行了諸多的改進后，我國空間站的新設(shè)計，可以說是一個現(xiàn)代化的和平號，不過更確切地說，是和平號和國際空間站的混血，總體上達到了世界先進水平。如果國際空間站按原定計劃在2020年后退役，我國空間站將接過國際空間站的班，成為人類進軍太空的重要基地，如果以此為契機大力開展國際合作，恐怕就將成為新時代的“國際空間站”，這并非是我個人的空想，2012年9月11日歐洲航天局官員托馬斯·萊特稱歐洲正在和中國開展協(xié)商，使用中國飛船進入太空，據(jù)稱歐洲部分航天員還在學(xué)習(xí)中文，以便在將來的飛行中更好的交流和協(xié)作。
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