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我國(guó)未來空間站的設(shè)計(jì)
神舟九號(hào)載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)勝利完成后,，2012年8月神舟九號(hào)代表團(tuán)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(hào)任務(wù)的實(shí)物和圖片,，其中包括神舟九號(hào)飛船的返回艙和主降落傘,、載人任務(wù)的太空服實(shí)物、太空活動(dòng)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(guó)載人航天工程未來將發(fā)射兩個(gè)太空實(shí)驗(yàn)室,，并在2020年左右建成可長(zhǎng)期駐留的空間站,。神舟九號(hào)代表團(tuán)的展覽圖片中，也展出了未來空間站的想象圖,。雖然這個(gè)未來載人空間站還是一個(gè)核心艙外加兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的基礎(chǔ)設(shè)計(jì),，但是在細(xì)節(jié)上有了不小的優(yōu)化， 反應(yīng)了我國(guó)載人空間站在技術(shù)上的進(jìn)步,，這對(duì)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(shí)間在澳門拍攝的清晰圖片,，可以看到和早期設(shè)計(jì)有了很大不同 最主要是增加了兩個(gè)巨大的太陽翼(以下我國(guó)空間站最新設(shè)計(jì)圖片均為網(wǎng)友有限時(shí)間拍攝) 雖然載人航天工程總設(shè)計(jì)師王永志院士曾在論文中提到,，我國(guó)載人空間站設(shè)計(jì)經(jīng)歷了“由小艙到大艙，由單艙到三艙”的演變,，但是我國(guó)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(guó)未來空間站的設(shè)計(jì)，完全可以看作是蘇聯(lián)和平號(hào)空間站的翻版,，只不過對(duì)接的艙段更少而已,，所以質(zhì)量也更小。我國(guó)載人航天工程并不是沒有創(chuàng)新,，新的大型貨運(yùn)飛船更類似歐洲ATV飛船,，提供了基于聯(lián)盟飛船改進(jìn)而來的進(jìn)步貨運(yùn)飛船數(shù)倍的運(yùn)輸能力，不過這更多的屬于配套飛船,，空間站主體設(shè)計(jì)仍然酷似和平號(hào),。面對(duì)這樣的設(shè)計(jì)，不僅很多外國(guó)航天愛好者,，就是我這樣的中國(guó)航天愛好者,，都忍不住想要諷刺：是不是時(shí)光倒流,，怎么2001年墜落的和平號(hào)還在天上？
2011年我國(guó)空間站的設(shè)計(jì)方案,，由一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙組成,，對(duì)接了一艘貨運(yùn)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(jì)劃的第三步，空間站項(xiàng)目是我國(guó)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(guó)從巨型的天空實(shí)驗(yàn)室到先進(jìn)的自由號(hào)空間站的先進(jìn)性，我國(guó)載人空間站項(xiàng)目既無法承受蘇聯(lián)人如此多的失敗,，也沒有美國(guó)那么先進(jìn)的技術(shù),。從發(fā)展計(jì)劃上說，我國(guó)載人空間站要一步到位達(dá)到和平號(hào)空間站的水平,，并為下一代載人航天器積累技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),，用我國(guó)航天人自己的話來說“中國(guó)空間站建設(shè)起點(diǎn)高、難度大”,。自2010年9月25日中國(guó)空間站建設(shè)立項(xiàng)以來,，我國(guó)航天部門組建了空間站團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行了大量論證研究,，盡管總體設(shè)計(jì)上大力借鑒了和平號(hào)空間站的,，但仍盡可能地體現(xiàn)中國(guó)特色和中國(guó)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(guó)空間站當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì),，2011年中國(guó)載人航天工程網(wǎng)還開展了一次中國(guó)空間站征名活動(dòng),，披露了空間站的部分信息。從官方圖片看,，我國(guó)空間站以一個(gè)帶多對(duì)接口的核心艙為核心,，對(duì)接實(shí)驗(yàn)艙和宇宙飛船構(gòu)成了完整的空間站，而征名活動(dòng)中具體說明了這個(gè)空間站的諸多技術(shù)指標(biāo),。我國(guó)空間站基本艙段只有一個(gè)核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,，它們都是具備獨(dú)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(bào)道，王永志總師曾提到這個(gè)空間站的實(shí)驗(yàn)載荷質(zhì)量約6~7噸,。我國(guó)未來載人空間站的規(guī)模要比蘇聯(lián)時(shí)代開始建設(shè),、俄羅斯時(shí)期最后完成的和平號(hào)空間站要小得多，俄羅斯的和平號(hào)空間站包括一個(gè)核心艙,，還有量子一號(hào)和量子二號(hào),、晶體、光學(xué)和自然等5個(gè)實(shí)驗(yàn)艙,，總質(zhì)量達(dá)到了約130噸,，其中實(shí)驗(yàn)儀器質(zhì)量約11.2噸,，總的說來我國(guó)空間站完全可以說是半個(gè)和平號(hào)了。
中國(guó)載人航天工程網(wǎng)上公布的我國(guó)未來載人空間站核心艙圖片,，可以看到它與和平號(hào)空間站核心艙極其相似 我國(guó)空間站的具體設(shè)計(jì)與和平號(hào)空間站相當(dāng)相似,，我國(guó)空間站空間站核心艙包括節(jié)點(diǎn)艙、生活控制艙和資源艙3個(gè)組成部分,，其中節(jié)點(diǎn)艙是一個(gè)裝有5個(gè)對(duì)接口的圓形球體,，用于對(duì)接空間站艙段和宇宙飛船；生活控制艙是航天員太空長(zhǎng)期駐留期間太空生活的主要場(chǎng)所,，同時(shí)也是對(duì)空間站進(jìn)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(jì)與俄羅斯和平號(hào)空間站的核心艙如出一轍,，和平號(hào)的核心艙代號(hào)DOS-7,，質(zhì)量20.4噸、長(zhǎng)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(gè)組成部分，甚至同樣攜帶3個(gè)太陽翼,，在外形上極其相似,。考慮到在航天領(lǐng)域我國(guó)與俄羅斯進(jìn)行了大量的技術(shù)交流和引進(jìn),，我國(guó)空間站核心艙完全可以說是和平號(hào)核心艙DOS-7的翻版,，當(dāng)然如果覺得和平號(hào)太過老舊，說是模仿了國(guó)際空間站上DOS-8星辰號(hào),，也說得過去,。和平號(hào)空間站曾飽受電力供應(yīng)不足的困擾，這既有和平號(hào)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)老舊使用松散供電系統(tǒng)的原因,，也有和平號(hào)作為典型的多艙式空間站,，各個(gè)艙段太陽翼尺寸不足而且存在互相遮擋的因素。和平號(hào)空間站核心艙3個(gè)太陽翼的砷化鎵太陽能電池板總面積達(dá)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(shí)驗(yàn)艙的太陽翼,，和平號(hào)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(shí)驗(yàn)艙儀器設(shè)備正常運(yùn)行的要求。對(duì)比和平號(hào)空間站核心艙,，我國(guó)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,。
雖然空間站核心艙上極大的借鑒了和平號(hào)的設(shè)計(jì),，不過正如神舟飛船不是簡(jiǎn)單的復(fù)制聯(lián)盟飛船,，在空間站的實(shí)驗(yàn)艙上，我國(guó)仍有自己的特色,。在早期設(shè)計(jì)中,，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙都是發(fā)射質(zhì)量20~22噸、14.4米長(zhǎng),、最大直徑4.2米的大型艙段,，反映出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙采用同一平臺(tái)的設(shè)計(jì)，與和平號(hào)空間站量子,、晶體,、自然和光學(xué)各自設(shè)計(jì)和長(zhǎng)度不一形成鮮明的對(duì)比。我國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)艙的外形與現(xiàn)有的天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器相似,，不過即使是中國(guó)載人航天工程網(wǎng)上同一時(shí)期的示意圖片,，仍然有不小的差別。
空間站征名活動(dòng)中出現(xiàn)了明顯加長(zhǎng)的增壓艙段,，如果這是更晚的優(yōu)化結(jié)果，將是一個(gè)很好的預(yù)兆,，意味著我國(guó)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(yàn)工作空間,，很可能也意味著更大的載荷質(zhì)量,。面對(duì)空間站實(shí)驗(yàn)艙和天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室以及貨運(yùn)飛船外形上的相似性，我們可以推測(cè)貨運(yùn)飛船和空間站實(shí)驗(yàn)艙都是由天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室演化而來,，而某些資料暗示天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器的實(shí)驗(yàn)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(guó)載人航天小步快跑漸進(jìn)改良的發(fā)展路線還是非常出色的，實(shí)現(xiàn)了花小錢辦大事的效果,，也在空間站研制設(shè)計(jì)上也體現(xiàn)了自己的特色,。對(duì)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(jìn)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(guó)承認(rèn)神舟飛船是目前最先進(jìn)的載人飛船,，當(dāng)然潛臺(tái)詞是(我們美國(guó)人)更先進(jìn)的下一代飛船并不遙遠(yuǎn) 由于國(guó)內(nèi)外因素影響，我國(guó)既沒有進(jìn)行載人航天競(jìng)賽的必要,，也沒有進(jìn)行載人航天競(jìng)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(jī)構(gòu)的載人航天項(xiàng)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(guó)際空間站在規(guī)模上和技術(shù)上都遠(yuǎn)超我國(guó)十年后才能建成的長(zhǎng)期駐留的載人空間站,，尤其是美國(guó)還在推進(jìn)載人深空探索，計(jì)劃對(duì)數(shù)百萬甚至上千萬千米外的近地小行星進(jìn)行考察,。我國(guó)在載人航天領(lǐng)域不上不下的位置,，正好給我國(guó)按照經(jīng)濟(jì)和技術(shù)實(shí)力獨(dú)立自主制定載人航天發(fā)展計(jì)劃提供了可能。我國(guó)自1999年神舟一號(hào)發(fā)射以來,，經(jīng)歷12年時(shí)間只進(jìn)行了9次神舟飛船和1次天宮一號(hào)目標(biāo)飛行的發(fā)射,，初步驗(yàn)證了交會(huì)對(duì)接技術(shù),，這個(gè)發(fā)展速度雖然遠(yuǎn)遜于冷戰(zhàn)時(shí)期美蘇載人航天競(jìng)賽狂飆突進(jìn)時(shí)期的項(xiàng)目進(jìn)度,，但在可靠性和安全性上獲得了豐厚的回報(bào)，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(guó)人，并不吝于承認(rèn)神舟飛船的先進(jìn)性,。由天宮一號(hào)發(fā)展而來的大型貨運(yùn)飛船,，更是借鑒了歐洲航天局ATV貨運(yùn)飛船的設(shè)計(jì)，具有將近6噸的貨運(yùn)能力,，數(shù)倍于俄羅斯現(xiàn)有的進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船,，這將使我國(guó)空間站未來所需的貨運(yùn)飛船補(bǔ)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(jì)上，我們看到早期設(shè)計(jì)的優(yōu)化,，體現(xiàn)更多根據(jù)我國(guó)技術(shù)實(shí)力而實(shí)現(xiàn)的自主創(chuàng)新,，也是一種必然。 新的空間站設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)了供電能力 我國(guó)空間站較早的設(shè)計(jì)中，盡管實(shí)驗(yàn)艙上體現(xiàn)了自己的特色,，但從外形看我國(guó)空間站和平號(hào)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(jì),，則給人耳目一新的感覺?？臻g站的新設(shè)計(jì)中最明顯的就是實(shí)驗(yàn)艙兩端的各一對(duì)巨大的太陽翼,，對(duì)比空間站艙段其尺寸及其巨大，完全可以和國(guó)際空間站桁架兩端的大型太陽翼相比,。國(guó)際空間站的4對(duì)太陽翼供電能力相當(dāng)強(qiáng)大,，每個(gè)太陽翼尺寸為115X39英尺(35X12米)，壽命初期每對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)推測(cè)，我國(guó)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(jì)中核心艙上還保留了兩個(gè)太陽翼，按和平號(hào)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(hào)空間站,，可以為兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙和核心艙提供充足的電力。 使用巨大的太陽翼,，是我國(guó)空間站載荷質(zhì)量增加的必然結(jié)果,。我國(guó)空間站較早的設(shè)計(jì)中號(hào)稱載荷質(zhì)量約6~7噸，但2010年底王永志總師接受采訪時(shí)已經(jīng)表示,，我國(guó)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(jìn)一步提出載荷質(zhì)量達(dá)到約20噸，龔惠興院士則進(jìn)一步詳細(xì)的指出我國(guó)空間站可提供的有效載荷質(zhì)量約為16~17噸,。面對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的成倍增加,，繼續(xù)按照和平號(hào)的設(shè)計(jì)思路增加太陽翼數(shù)量完全無法滿足需求，借鑒國(guó)際空間站的太陽翼設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)艙II上放置一部2米口徑的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測(cè),，號(hào)稱多功能空間主動(dòng)光學(xué)設(shè)施，這將是我國(guó)第一部空間主動(dòng)光學(xué)設(shè)備,，它的觀測(cè)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(yuǎn)鏡和近紅外波段的韋伯(JWST)望遠(yuǎn)鏡的雜交，從口徑上說比2.4米的哈勃略小,，遠(yuǎn)小于韋伯的6.5米口徑,，這也折射出我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域雖然有很大進(jìn)步，但距離美國(guó)仍有不小的差距。 空間站節(jié)點(diǎn)艙天頂方向的對(duì)接口,，與APAS對(duì)接機(jī)構(gòu)明顯不同,。實(shí)驗(yàn)艙II的暴露部分，會(huì)是多功能空間主動(dòng)光學(xué)設(shè)施么,？ 我國(guó)空間站的另一個(gè)新設(shè)計(jì)是大型對(duì)接機(jī)構(gòu),，這同樣是一個(gè)顯著的進(jìn)步。在神舟八號(hào),、神舟九號(hào)分別與天宮一號(hào)對(duì)接后,，現(xiàn)有的異體同構(gòu)周邊(APAS)對(duì)接機(jī)構(gòu)的可靠性已經(jīng)通過了驗(yàn)證，我國(guó)未來載人飛船仍將繼續(xù)使用異體同構(gòu)周邊對(duì)接機(jī)構(gòu),。不過現(xiàn)有的異體同構(gòu)周邊對(duì)接機(jī)構(gòu)仍有一些不足,，突出表現(xiàn)在對(duì)接通道直徑只有0.8米，雖然對(duì)于航天員顯得狹小但通過并無問題,，但較大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就只能拒之門外了,。為了加強(qiáng)空間實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ绹?guó)研制自由號(hào)空間站時(shí),，由波音公司開發(fā)了CBM對(duì)接機(jī)構(gòu),，這是一種通過機(jī)械臂輔助駁接的對(duì)接機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)備如一體化的國(guó)際空間站標(biāo)準(zhǔn)載荷機(jī)柜(ISPR),，有利于空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的開展。在我國(guó)空間站的新設(shè)計(jì)圖片上,，節(jié)點(diǎn)艙天頂方向的對(duì)接口沒有異體同構(gòu)周邊對(duì)接機(jī)構(gòu)的3片導(dǎo)向板,，到是和美國(guó)的CBM對(duì)接機(jī)構(gòu)相當(dāng)相似,。在報(bào)道中我們也可以看到一些蛛絲馬跡,，神舟九號(hào)載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功完成之際，《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道研制異體同構(gòu)周邊對(duì)接系統(tǒng)的張崇峰及其團(tuán)隊(duì),，目前正著力于空間站系統(tǒng)機(jī)械臂抱爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)的研制,。
同樣不斷進(jìn)步的還有空間站機(jī)械臂，根據(jù)航天科技集團(tuán)的報(bào)道,，2012年航天科技5院機(jī)械臂團(tuán)隊(duì)最后贏得了空間站機(jī)械臂的競(jìng)爭(zhēng),，除了現(xiàn)有的六自由度機(jī)械臂外，他們還在研制更先進(jìn)的 七自由度冗余機(jī)械臂,，進(jìn)一步具備了爬行能力,，進(jìn)一步提高了我國(guó)空間站機(jī)械臂的水平，從而使空間站機(jī)械臂在空間站建設(shè),、維護(hù),，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(jī)械臂的研制，我國(guó)將具備類似國(guó)際空間站加拿大機(jī)械臂2的先進(jìn)機(jī)械臂研制生產(chǎn)能力,，使我國(guó)空間站技術(shù)上更上一層樓,。 在進(jìn)行了諸多的改進(jìn)后，我國(guó)空間站的新設(shè)計(jì),，可以說是一個(gè)現(xiàn)代化的和平號(hào),，不過更確切地說，是和平號(hào)和國(guó)際空間站的混血,，總體上達(dá)到了世界先進(jìn)水平,。如果國(guó)際空間站按原定計(jì)劃在2020年后退役，我國(guó)空間站將接過國(guó)際空間站的班,，成為人類進(jìn)軍太空的重要基地,，如果以此為契機(jī)大力開展國(guó)際合作，恐怕就將成為新時(shí)代的“國(guó)際空間站”,，這并非是我個(gè)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(guó)開展協(xié)商，使用中國(guó)飛船進(jìn)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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