2021 年 4 月 29 日 11 時(shí) 22 分 30 秒，長(zhǎng)征五號(hào) B 遙二運(yùn)載火箭搭載中國(guó)空間站「天和核心艙」，在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。
近年來(lái)，我們也許習(xí)慣了中國(guó)航天的高頻次發(fā)射。但這次的發(fā)射對(duì)于中國(guó)載人航天事業(yè)，具有并不亞于中國(guó)人首次進(jìn)入太空、航天員首次出艙活動(dòng)的重要意義。什么是空間站核心艙？它是做什么用的？此次發(fā)射的天和號(hào)又有哪些技術(shù)特點(diǎn)？怎樣理解它的價(jià)值？看到這則新聞，你想必會(huì)產(chǎn)生這些疑問(wèn)。讓我們一步一步，從最簡(jiǎn)單的開始說(shuō)起。如果不追溯到各民族早期的神話傳說(shuō)概念或者早期的科幻小說(shuō)，比如 1869 年美國(guó)作家愛(ài)德華的「磚砌月球空間站」，那么，空間站這個(gè)概念的最初提出，是由俄國(guó)在 20 世紀(jì)初完成的。法國(guó)科幻作家儒勒的登月小說(shuō)中，提出了很多載人飛船和空間站相關(guān)的有趣設(shè)想 |《空間站系統(tǒng)和應(yīng)用》早期的空間站外形風(fēng)格非常活潑發(fā)散，但在各種現(xiàn)實(shí)條件的逼迫下，設(shè)計(jì)方案變得越來(lái)越趨同 |《空間站系統(tǒng)和應(yīng)用》1903 年，俄國(guó)航天之父康斯坦丁提出設(shè)想，在接近地球的太空環(huán)境中，建造一個(gè)帶有自主能源供應(yīng)系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)的空間站，可以供人居住。1971 年，蘇聯(lián)率先發(fā)射了人類歷史上第一個(gè)空間站，禮炮 1 號(hào)。如果嚴(yán)格按今天的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，一些早期太空站是不能算真正空間站的。比如美國(guó) 1973 年發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室（Skylab），飲水都是自帶的、不能再供應(yīng)；而且沒(méi)有推進(jìn)系統(tǒng)，所以無(wú)法長(zhǎng)期維持在軌道上。來(lái)源：《載人航天出版工程——空間站系統(tǒng)和應(yīng)用》在今天，一個(gè)真正意義上的空間站，必須同時(shí)具備 4 個(gè)特征——這是把它與衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)等其他空間系統(tǒng)有效區(qū)分開來(lái)的關(guān)鍵。它們分別是：a. 空間站必須是一個(gè)軌道系統(tǒng)這意味著它必須位于環(huán)繞星體的太空軌道上，雖然在今天這還僅僅局限于地球，但在未來(lái)，建造環(huán)繞月球、甚至火星的空間站，在技術(shù)上都是可以實(shí)現(xiàn)的。特別是功能較為完備的空間站，經(jīng)常需要2枚甚至更多的火箭發(fā)射它的組件，然后在太空軌道上進(jìn)行組裝。航天員在太空中維修空間站的一個(gè)電源控制器 | NASAc. 空間站必須能長(zhǎng)期、反復(fù)使用，且能支持多種用途這意味著空間站的設(shè)備、組件，必須能夠在使用過(guò)程中、在太空軌道環(huán)境下進(jìn)行修理、替換，而且需要地面持續(xù)不斷的對(duì)它進(jìn)行物資補(bǔ)給。d. 空間站必須是一個(gè)具備載人功能的系統(tǒng)這意味著它必須具備很多額外的設(shè)計(jì)，比如艙體結(jié)構(gòu)中要有保護(hù)航天員免遭太空輻射和微小流星體傷害的保護(hù)層，要有各種維持生存環(huán)境（比如足夠氣壓）的生命保障系統(tǒng)，緊急情況下能讓航天員迅速返回地球的交通工具等。
越是功能完善的空間站，它就需要越大的空間，安裝更多更復(fù)雜的各種設(shè)備，支持更多航天員的生存、生活、工作。但遺憾的是，人類的火箭并不能無(wú)限制地把尺寸和噸位做大，它首先會(huì)失去經(jīng)濟(jì)上的可承受性，繼而又會(huì)很快失去技術(shù)上的可能性。空間站尺寸的主要限制因素，是發(fā)射火箭體積和形狀。考慮這一點(diǎn)，大型空間站的最優(yōu)總體設(shè)計(jì)，就是采用多個(gè)圓筒結(jié)構(gòu)的艙體進(jìn)行「太空拼積木」。火箭整流罩內(nèi)的天和號(hào)核心艙，已經(jīng)是國(guó)內(nèi)能發(fā)射的最大的航天器 | Vivo采用圓筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)有很多，包括更容易做的又輕巧又結(jié)實(shí)，并能最有效率的利用運(yùn)載火箭的內(nèi)部空間。這些不同的艙體在地面先后發(fā)射到太空以后，會(huì)在軌道上進(jìn)行組裝，并最終形成完整的太空站系統(tǒng)。既然采用了分體設(shè)計(jì)，那么不同組件在發(fā)射秩序上，就必然有先有后。而且，不同艙體承擔(dān)的功能也各有側(cè)重——因?yàn)榘阉信擉w都做成一樣的，必然帶來(lái)極大的浪費(fèi)，并把總體性能拉低到一個(gè)非常凄慘的水平。和平號(hào)空間站代表了現(xiàn)代大型空間的主流成熟設(shè)計(jì)，「圓筒插圓筒」是最顯著的外觀特征之一 | NASA所以，在空間站這個(gè)「太空積木」中，必須有第一塊到位的積木，作為整個(gè)系統(tǒng)完整組裝的基點(diǎn)。它就是核心艙。這樣的地位決定了核心艙也必然是整個(gè)空間站的核心艙室。后續(xù)的功能艙室都要圍繞它建設(shè)，它必須能夠支持這些艙室的運(yùn)轉(zhuǎn)；作為第一個(gè)上天的艙室，它需要具備宇航員的維生能力。如今，我們對(duì)它的了解已經(jīng)越來(lái)越多。2016 年 4 月，中國(guó)載人航天工程辦公室發(fā)布了《空間站工程研制進(jìn)展》，詳細(xì)介紹了中國(guó)空間站的發(fā)展動(dòng)態(tài)。2018 年，中國(guó)空間站核心艙在第 12 屆珠海航展上首次對(duì)外公開展出。借由這些信息，我們得以窺探天和核心艙和未來(lái)空間站的技術(shù)特點(diǎn)。中國(guó)未來(lái)的空間站被命名為「天宮」。整個(gè)空間站采用水平對(duì)稱T形構(gòu)型，將由核心艙和 2 個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成。設(shè)計(jì)壽命 10 年，額定乘員 3 人，新舊乘員組輪換時(shí)可支持 6 人。中國(guó)空間站的基本構(gòu)型 |《我國(guó)空間站工程總體構(gòu)想》作為核心艙的天和號(hào)是空間站的主控艙段，是管理和控制中心，也是航天員生活的主要場(chǎng)所。它要負(fù)責(zé)整個(gè)空間站的電源電路、環(huán)境控制、生命保障功能，包括氣體壓力、成分、溫度、濕度的調(diào)節(jié)，水的回收管理，微生物控制和廢棄物管理等等，可以滿足航天員長(zhǎng)期太空飛行的生活需求。來(lái)源：《中國(guó)載人空間站方案的變遷》天和號(hào)核心艙帶有一個(gè)大型機(jī)械臂，它前方較為細(xì)長(zhǎng)的部分是節(jié)點(diǎn)艙。天和號(hào)核心艙尾部可以連接貨運(yùn)飛船，而節(jié)點(diǎn)艙的前部有一個(gè)轉(zhuǎn)位基座，可以連接載人飛船、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，還有一個(gè)對(duì)天方向的出艙口，用于航天員出艙活動(dòng)。在空間站的建造過(guò)程中，天和號(hào)核心艙的節(jié)點(diǎn)艙端口的對(duì)接口，會(huì)首先完成與實(shí)驗(yàn)艙的對(duì)接；然后通過(guò)轉(zhuǎn)位基座或者機(jī)械臂的操作，把實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)艙左/右側(cè)的兩個(gè)停泊口，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期停靠。載人航天工程辦公室發(fā)布的《空間站工程研制進(jìn)展》清楚呈現(xiàn)了未來(lái)空間站的組建過(guò)程按照現(xiàn)有資料，中國(guó)空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙均為 20 噸級(jí)，合體質(zhì)量（不含飛船）約 66 噸。乍看起來(lái)，與重達(dá) 400 多噸的國(guó)際空間站有較大差距。不過(guò)，以天和號(hào)核心艙為代表，國(guó)產(chǎn)空間站采用了模塊化的總體設(shè)計(jì)思路，預(yù)留了額外的機(jī)電熱接口。它可以再對(duì)接一個(gè)新的帶節(jié)點(diǎn)艙的核心艙，這意味著，能夠擴(kuò)展出一個(gè)總規(guī)模翻倍的空間站。最大構(gòu)型下，國(guó)產(chǎn)空間站可以擴(kuò)展到 2 核心艙、4 實(shí)驗(yàn)艙、4 艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、并同時(shí)連接 3 艘飛船。此時(shí)整個(gè)空間站系統(tǒng)規(guī)模達(dá)到 180 噸，可以支持 6 名長(zhǎng)期乘員。基本構(gòu)型與最大構(gòu)型對(duì)比 |《我國(guó)空間站工程總體構(gòu)想》在得到天和號(hào)核心艙的支持后，中國(guó)空間站的實(shí)驗(yàn)艙就能充分發(fā)揮作用了，它們主要用于空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間應(yīng)用和空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)。其中，實(shí)驗(yàn)艙 I 最為重要，它除了存放用于進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備材料、航天員的消耗品和補(bǔ)給貨物外，還承擔(dān)了天和號(hào)核心艙一部分功能的備份任務(wù)。一旦核心艙的相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障，它就會(huì)挺身而出、保障空間站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1992 年，中國(guó)載人航天發(fā)展正式確立了「三步走」的戰(zhàn)略。第一步是先把人送入太空并安全返回。這已在 2003~2005 年期間，由神舟系列飛船搭載楊利偉、費(fèi)俊龍、聶海勝等航天員實(shí)現(xiàn)。第二步是突破空間站建造的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括航天員出艙活動(dòng)，飛船與空間實(shí)驗(yàn)室的交會(huì)對(duì)接，并解決一定規(guī)模較小、需要航天員短期照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。這已在 2011~2019 年期間，由天宮一號(hào)、二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。中國(guó)載人航天的第三步，是建造真正意義上的空間站，解決較大規(guī)模、需要航天員長(zhǎng)期照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。剛剛發(fā)射的空間站核心艙「天和」號(hào)，正是第三步的關(guān)鍵所在。按照目前的計(jì)劃，今明兩年，中國(guó)將接續(xù)實(shí)施 3 次空間站艙段發(fā)射，4 次貨運(yùn)飛船及 4 次載人飛船發(fā)射，于 2022 年，即載人航天工程正式啟動(dòng)整整三十年之際，完成空間站在軌建造。天和號(hào)的發(fā)射，預(yù)示著國(guó)產(chǎn)空間站的建造即將在較短的時(shí)間內(nèi)建成。中國(guó)在世界航天領(lǐng)域中的地位和影響力，將會(huì)踏入一個(gè)全新的階段。[1] 中國(guó)載人航天工程辦公室. (2016). 空間站工程研制進(jìn)展.[2] 周建平. (2013). 我國(guó)空間站工程總體構(gòu)想.[3] 張雪松. (2016). 中國(guó)載人空間站方案的變遷.[4] 毛新愿. (2019). 中國(guó)空間站為什么要這樣設(shè)計(jì)?衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò), No.198(11): 52-57.[5] 厄思斯特?梅瑟施米德, 萊茵霍爾德?伯特蘭, 梅瑟施米德, 伯特蘭, & 周建平. (2013).空間站系統(tǒng)和應(yīng)用, 中國(guó)宇航出版社.