刚刚发射的天和核心舱意味着什么?

回形针PaperClip2021-04-29
在空间站这个「太空积木」中,必须有第一块到位的积木。它就是核心舱。

编者按:本文来自微信公众号“回形针PaperClip”(ID:papercliptv),作者:候知健,36氪经授权发布。

2021 年 4 月 29 日 11 时 22 分 30 秒,长征五号 B 遥二运载火箭搭载中国空间站「天和核心舱」,在海南文昌航天发射场发射升空。

近年来,我们也许习惯了中国航天的高频次发射。但这次的发射对于中国载人航天事业,具有并不亚于中国人首次进入太空、航天员首次出舱活动的重要意义。

什么是空间站核心舱?它是做什么用的?此次发射的天和号又有哪些技术特点?怎样理解它的价值?看到这则新闻,你想必会产生这些疑问。

让我们一步一步,从最简单的开始说起。

什么是空间站?

如果不追溯到各民族早期的神话传说概念或者早期的科幻小说,比如 1869 年美国作家爱德华的「砖砌月球空间站」,那么,空间站这个概念的最初提出,是由俄国在 20 世纪初完成的。

法国科幻作家儒勒的登月小说中,提出了很多载人飞船和空间站相关的有趣设想 |《空间站系统和应用》

早期的空间站外形风格非常活泼发散,但在各种现实条件的逼迫下,设计方案变得越来越趋同 |《空间站系统和应用》

1903 年,俄国航天之父康斯坦丁提出设想,在接近地球的太空环境中,建造一个带有自主能源供应系统、生命保障系统的空间站,可以供人居住。1971 年,苏联率先发射了人类历史上第一个空间站,礼炮 1 号。

如果严格按今天的标准评判,一些早期太空站是不能算真正空间站的。比如美国 1973 年发射的天空实验室(Skylab),饮水都是自带的、不能再供应;而且没有推进系统,所以无法长期维持在轨道上。

来源:NASA

来源:《载人航天出版工程——空间站系统和应用》

在今天,一个真正意义上的空间站,必须同时具备 4 个特征——这是把它与卫星、飞船、航天飞机等其他空间系统有效区分开来的关键。它们分别是:

a. 空间站必须是一个轨道系统

这意味着它必须位于环绕星体的太空轨道上,虽然在今天这还仅仅局限于地球,但在未来,建造环绕月球、甚至火星的空间站,在技术上都是可以实现的。

b. 空间站必须足够大

特别是功能较为完备的空间站,经常需要2枚甚至更多的火箭发射它的组件,然后在太空轨道上进行组装。

航天员在太空中维修空间站的一个电源控制器 | NASA

c. 空间站必须能长期、反复使用,且能支持多种用途

这意味着空间站的设备、组件,必须能够在使用过程中、在太空轨道环境下进行修理、替换,而且需要地面持续不断的对它进行物资补给。

d. 空间站必须是一个具备载人功能的系统

这意味着它必须具备很多额外的设计,比如舱体结构中要有保护航天员免遭太空辐射和微小流星体伤害的保护层,要有各种维持生存环境(比如足够气压)的生命保障系统,紧急情况下能让航天员迅速返回地球的交通工具等。

为什么要有核心舱?

越是功能完善的空间站,它就需要越大的空间,安装更多更复杂的各种设备,支持更多航天员的生存、生活、工作。但遗憾的是,人类的火箭并不能无限制地把尺寸和吨位做大,它首先会失去经济上的可承受性,继而又会很快失去技术上的可能性。

空间站尺寸的主要限制因素,是发射火箭体积和形状。考虑这一点,大型空间站的最优总体设计,就是采用多个圆筒结构的舱体进行「太空拼积木」。

火箭整流罩内的天和号核心舱,已经是国内能发射的最大的航天器 | Vivo

采用圆筒结构的优势有很多,包括更容易做的又轻巧又结实,并能最有效率的利用运载火箭的内部空间。这些不同的舱体在地面先后发射到太空以后,会在轨道上进行组装,并最终形成完整的太空站系统。

既然采用了分体设计,那么不同组件在发射秩序上,就必然有先有后。而且,不同舱体承担的功能也各有侧重——因为把所有舱体都做成一样的,必然带来极大的浪费,并把总体性能拉低到一个非常凄惨的水平。

和平号空间站代表了现代大型空间的主流成熟设计,「圆筒插圆筒」是最显著的外观特征之一 | NASA

所以,在空间站这个「太空积木」中,必须有第一块到位的积木,作为整个系统完整组装的基点。它就是核心舱。

这样的地位决定了核心舱也必然是整个空间站的核心舱室。后续的功能舱室都要围绕它建设,它必须能够支持这些舱室的运转;作为第一个上天的舱室,它需要具备宇航员的维生能力。

如今,我们对它的了解已经越来越多。

2016 年 4 月,中国载人航天工程办公室发布了《空间站工程研制进展》,详细介绍了中国空间站的发展动态。2018 年,中国空间站核心舱在第 12 届珠海航展上首次对外公开展出。

来源:《中国航天》

借由这些信息,我们得以窥探天和核心舱和未来空间站的技术特点。

天和号有哪些特点?

中国未来的空间站被命名为「天宫」。整个空间站采用水平对称T形构型,将由核心舱和 2 个实验舱组成。设计寿命 10 年,额定乘员 3 人,新旧乘员组轮换时可支持 6 人。

中国空间站的基本构型 |《我国空间站工程总体构想》

作为核心舱的天和号是空间站的主控舱段,是管理和控制中心,也是航天员生活的主要场所。它要负责整个空间站的电源电路、环境控制、生命保障功能,包括气体压力、成分、温度、湿度的调节,水的回收管理,微生物控制和废弃物管理等等,可以满足航天员长期太空飞行的生活需求。

来源:《中国载人空间站方案的变迁》

天和号核心舱带有一个大型机械臂,它前方较为细长的部分是节点舱。天和号核心舱尾部可以连接货运飞船,而节点舱的前部有一个转位基座,可以连接载人飞船、两个实验舱,还有一个对天方向的出舱口,用于航天员出舱活动。

在空间站的建造过程中,天和号核心舱的节点舱端口的对接口,会首先完成与实验舱的对接;然后通过转位基座或者机械臂的操作,把实验舱转移到节点舱左/右侧的两个停泊口,实现长期停靠。

载人航天工程办公室发布的《空间站工程研制进展》清楚呈现了未来空间站的组建过程》

按照现有资料,中国空间站核心舱和实验舱均为 20 吨级,合体质量(不含飞船)约 66 吨。乍看起来,与重达 400 多吨的国际空间站有较大差距。

不过,以天和号核心舱为代表,国产空间站采用了模块化的总体设计思路,预留了额外的机电热接口。它可以再对接一个新的带节点舱的核心舱,这意味着,能够扩展出一个总规模翻倍的空间站。

最大构型下,国产空间站可以扩展到 2 核心舱、4 实验舱、4 舱外实验平台、并同时连接 3 艘飞船。此时整个空间站系统规模达到 180 吨,可以支持 6 名长期乘员。

基本构型与最大构型对比 |《我国空间站工程总体构想》

得到天和号核心舱的支持后,中国空间站的实验舱就能充分发挥作用了,它们主要用于空间科学实验、空间应用和空间技术实验。

其中,实验舱 I 最为重要,它除了存放用于进行科学实验的设备材料、航天员的消耗品和补给货物外,还承担了天和号核心舱一部分功能的备份任务。一旦核心舱的相关设备出现故障,它就会挺身而出、保障空间站的正常运转。

天和号意味着什么?

1992 年,中国载人航天发展正式确立了「三步走」的战略。

第一步是先把人送入太空并安全返回。这已在 2003~2005 年期间,由神舟系列飞船搭载杨利伟、费俊龙、聂海胜等航天员实现。

第二步是突破空间站建造的一些关键技术,包括航天员出舱活动,飞船与空间实验室的交会对接,并解决一定规模较小、需要航天员短期照料的空间应用问题。这已在 2011~2019 年期间,由天宫一号、二号空间实验室实现。

中国载人航天的第三步,是建造真正意义上的空间站,解决较大规模、需要航天员长期照料的空间应用问题。刚刚发射的空间站核心舱「天和」号,正是第三步的关键所在。

按照目前的计划,今明两年,中国将接续实施 3 次空间站舱段发射,4 次货运飞船及 4 次载人飞船发射,于 2022 年,即载人航天工程正式启动整整三十年之际,完成空间站在轨建造。

天和号的发射,预示着国产空间站的建造即将在较短的时间内建成。中国在世界航天领域中的地位和影响力,将会踏入一个全新的阶段。

参考文献:

[1] ‍中国载人航天工程办公室. (2016). 空间站工程研制进展.

[2] 周建平. (2013). 我国空间站工程总体构想.

载人航天, (02): 1-10.

[3] 张雪松. (2016). 中国载人空间站方案的变迁.

太空探索, 000(007): 28-33.

[4] 毛新愿. (2019). 中国空间站为什么要这样设计?

卫星与网络, No.198(11): 52-57.

[5] 厄思斯特・梅瑟施米德, 莱茵霍尔德・伯特兰, 梅瑟施米德, 伯特兰, & 周建平. (2013).

空间站系统和应用, 中国宇航出版社.

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