中国空间站：我们的太空家园是如何“装修”的？

互推小编 2023-07-20

据中新网自中国载人航天工程办公室消息，北京时间11月9日14时55分，已完成既定任务的天舟四号货运飞船，顺利撤离空间站组合体，转入独立飞行阶段。而在此之前，新华社报道，北京时间11月3日，空间站梦天实验舱顺利完成转位，空间站“T”字基本构型在轨组装完成。同日，央视新闻报道，神舟十四号航天员乘组顺利进入梦天实验舱。

空间站是人类了解并进驻宇宙的前哨，正如“天和”核心舱责任总设计师杨宏院士所言，“空间站是人类设想并实现的、能够在太空长期开展科学实验与观测的平台，对我们开发与利用太空具有极为重要的意义。”那么，空间站建在哪里？空间站里有些什么？航天员在空间站里怎么生活？空间站万一出现故障要怎么办？面对诸如此类的疑问，《中国空间站：我们的太空家园》从设计师的角度解析了太空家园的演化、构成、选址、维护以及未来的发展。

以下内容选自《中国空间站：我们的太空家园》，较原文有删节修改，文中所用插图均来自该书。已获得出版社授权刊发。

《中国空间站：我们的太空家园》，郭睿高芫赫时光著，湖南科学技术出版社2022年10月版。

在太空建家是一条充满荆棘的道路，在人类征服宇宙的征程中，先后有数十位航天员献出了宝贵的生命，而为此牺牲的研制人员更是不计其数。在地面上，房屋出现漏水、断电等质量问题可以通过维修更换来解决；而在太空中，每一个细小的质量问题，甚至是一颗螺丝钉都极有可能危及航天员的生命。所以，中国空间站的建设者必须以最高的“交房标准”，精益求精、反复验证、考虑周全。

参与“天和”核心舱的部分研制人员与航天器合影，杨卓/摄。

打造“毛坯房”——空间站的主体结构

“毛坯房”的组成

空间站的“毛坯房”包括结构和机构两个部分，一静一动，构建起空间站的框架主体。

结构，简单来说就是空间站“毛坯房”里静止的部分，包括外形和内部主体框架，类似房屋的外部墙体以及内部的承重墙，将空间站隔出不同的功能分区。

机构，简单来说就是空间站“毛坯房”里动态的部分，包括舱门等各种活动部件，类似日常家装中的房门、衣柜铰链、窗帘轨道等。

“毛坯房”的设计原则

第一，轻量化。为了实现空间站功能的最大化，设计师通过先进的轻型材料、3D打印工艺、多功能结构复用等手段，对大到框体结构、小到金属配件进行减重设计，尽量控制“毛坯房”的自重，尽可能地为其装载的科学实验设备预留空间。

第二，密封性。空间站密封舱内部为温湿度适宜的大气环境，外部为充斥着高能粒子和存在空间碎片撞击、真空、高低温交变等不稳定因素的极端太空环境。为了航天员的生命安全，密封舱内外要尽可能地物理隔离。

第三，长寿命。“毛坯房”在太空环境下难以维修，需要在至少15年的设计寿命里保持稳固，为航天员“挡风遮雨”。

“毛坯房”的巧设计

太空中漂浮着大量的空间碎片、微流星体等，这些对空间站的安全来说是很大的威胁。为此，“毛坯房”还配备了一套健康监测系统，用于感知撞击、监测压力下降等异常情况。一旦密封舱遭受外力损伤，系统会告知航天员和地面飞控人员，以便于他们快速采取相关措施。

铺设“强电设施”——空间站的能量来源

“强电设施”的组成

空间站的“强电设施”主要包括太阳翼、电路和配电单元三部分。通过太阳翼上面粘贴的太阳能电池片将太阳能转化为电能，在配电单元的统一调配下，电能通过电路源源不断地输送给空间站的各个设备。

“强电设施”的设计原则

第一，大面积可展收。空间站核心舱、“问天”实验舱和“梦天”实验舱各有一对柔性太阳翼。这种太阳翼具有极高的收纳比，以核心舱上的柔性太阳翼为例，单个电池片仅为纸片厚度，但随着在轨犹如“定海神针”般展开后，单翼可以达到67㎡。在地面上，由于大气层的存在，太阳能设备的转化率较低，还会受昼夜、天气等因素的影响。但在太空中，没有稠密的大气，没有乌云蔽日，太阳能就有了大放异彩的“舞台”。因此，空间站的“强电设施”可以通过太阳获得源源不断的能源。

柔性太阳翼。

第二，就近配电。太阳翼收集的电能并不是直接传输到各个设备中使用，而是需要在电能调配控制中心进行统一分配。在空间站内，按区域分布着多个“配电箱”，按照“就近原则”分布在用电设备周围，从而减少线路损耗。

第三，安全用电。在地面上，一旦家里某个电器短路，全屋就会跳闸断电；而在太空之中，空间站无法承受整体断电的风险。因此，在设计电路时，关键设备之间尽可能不使用串联的方式；同时为了保证空间站的用电安全，每一台设备都设置了熔断器，即使某一台设备出现短路也不会影响空间站的整体供电。

“强电设施”的巧设计

相比于其他航天器，空间站的结构非常复杂，各舱段非常容易互相遮挡。这种状态下，如果太阳能电池片不能面对着太阳，再大的太阳翼也无法发电。苏联的“和平号”空间站由于各舱段并不在同一平面，太阳翼相互遮挡问题非常突出，因此损失了40%的发电能力。

中国空间站设计之初就考虑了这个问题，将整个空间站作为一个整体进行了细致地遮挡分析，将各舱段布局于同一平面，以减少舱体相互遮挡。通过两个实验舱对称放置，利用单舱近20m长的主结构及舱段尾部小桁架，将实验舱大面积的太阳电池翼布局于整体构型的两侧，同时配置双自由度驱动机构，使太阳电池翼能够随时保持与太阳光线垂直，保证发电效率始终保持在最高状态。

中国空间站建成后在轨飞行三维模拟图。

当两艘实验舱发射之后，为了保证整体发电效率最优，核心舱的太阳翼将在机械臂的配合下转移到实验舱的两侧，进一步解决了实验舱太阳翼对核心舱太阳翼的遮挡问题。这样，中国空间站各舱段太阳翼能够接收到太阳光的面积得到全面优化，就可以产生更多的能量。

“强电设施”。

安装空调地暖”——空间站的温度控制

“空调地暖”的组成

空间站使用了包括温控涂层、通风系统和流体回路系统等一整套热控制装置。温控涂层是空间站的“隔热服”，让空间站可以不受外部温度剧烈变化的影响；通风系统相当于空间站的“空调”，是保证空间站内气体流通交换的主要装置；流体回路系统就如同空间站的“地暖”，通过覆盖整个空间站的管路传递热量，实现空间站内整体温度的均衡。

“空调地暖”的设计原则

空间站主要采用“半主动控温+被动控温”的设计原则。被动控温依靠的是给空间站穿上“隔热服”，这件神奇的“衣服”一方面能隔绝外部环境的影响，另一方面能维持内部温度。

半主动控温则是依靠流体回路系统有组织地对空间站内的整体热量进行管理。流体回路系统的工作原理是：通过热收集器把设备产生的热量收集起来，通过管路让热量在整个空间站流动起来，通过辐射器把多余的热量排散到太空之中。当空间站内温度不足时，也可以利用这一套系统对舱内的低温区域进行补温。

“空调地暖”的巧设计

在整套流体回路系统中有一个核心部件——热控流体回路泵，它相当于系统的“心脏”，把用于传递热量的介质泵到空间站的各个角落。作为长期高速运转的部件，回路泵的寿命有限，需要定期进行维修更换。为此，设计师在原有舱内流体回路泵的基础上，提出了在空间站舱壁外另外安装一个流体回路泵的构想，为流体回路系统打造舱内舱外“两个心脏”，为空间站的长期稳定运行提供“双保险”。

安装在核心舱壁外的流体回路泵。

舱外流体回路泵的安装极其方便快捷，通过“一钩、二锁、三通、四连”即可完成，可谓大道至简。2021年8月20日，航天员聂海胜在出舱作业时，通过以上简单四步完成了安装舱外流体回路泵的操作。

张开“天地网络”——空间站的通信方式

“天地网络”的组成

“天地网络”由多个终端组成，包括空间站、“天链”通信卫星、地面测控站、测量船等，通过天线和通信链路上的数据解码、译码设备等获取、传递信息。中国空间站以核心舱的测控通信链路作为主要的天地通信途径。

“天地网络”的设计原则

第一，通信全球覆盖。在天地通信中，为了保障信息传递准确、及时，同时在空间站围绕地球快速飞行的过程中保持信号稳定，需要时刻处于通信状态。

第二，高速低延迟。空间站除了要实时传输遥测和图像信息，还要支持航天员在轨生活的网络需求，以及太空授课、天地通话等专项任务。目前，中国空间站向地球传输数据的速度已经达到了1.2Gbps，几乎与5G通信速率一致，语音通话的时延更是在1秒以内，与在地球上打电话几乎没有差异。

“天地网络”的巧设计

空间站的天线和地面上的天线需要在彼此的测控区才能通信。可问题在于空间站和地球都在运动，怎么保证两者能够随时联络呢？为此，设计人员围绕中国空间站建设了一张覆盖全球的“通信网络”。

在地面上，有喀什测控站、青岛测控站等陆基测控站；在海面上，有“远望号”航天测量船这种海基测控站；在太空中，距离地球36000km的地球同步轨道上运行着“天链”中继卫星、“北斗”导航卫星，可以提供稳定的大范围通信和定位支持。海陆空共同构成了为空间站服务的全方位“天地网络”，让空间站始终与地面的“家人”保持联系。

新疆喀什航天跟踪测量站（左）和航行在大洋上的“远望号”航天测量船（右）。图片来源：中国载人航天工程网。

享受“智能家居”——空间站的现代生活

“智能家居”的组成

“智能家居”由空间站测控分系统统一指挥，以无线Wi-Fi网络和有线电缆网络为连接方式，各类交互式仪表、大小家电共同构成了全屋智能家居。航天员可以通过手机、平板、电脑等多种设备，直接操控空间站内各类家电，了解自己的身体健康状况、空间站的运行状态，还可以看电影、听音乐、做运动，为太空生活增添色彩。

“智能家居”的设计原则

第一，网络“全屋”覆盖。空间站的Wi-Fi网络不但在空间站内部构建起一个无线网络空间，还延伸到空间站外部，支持航天员舱外工作时的无线通信需求。

第二，设备种类齐全。空间站的“智能家居”多种多样，不仅有多功能交互式显示屏、智能手机这类控制和显示终端，还有微波炉、冰箱、跑步机等你能想到的各种生活家电。

第三，使用人性化。空间站的“智能家居”可以按照使用者的需要进行调节。比如照明的灯具可以模拟地面生活时的光照变化，设置不同的色温、亮度和照明区域，以减少航天员在太空生活的不适感，同时还能针对航天员工作、就餐、睡眠等不同场景需求，定制情景照明模式；此外，航天员可以在空间站里看电影、刷剧，随时与地面上的家人视频聊天，还可以通过手机控制各类家电。

“智能家居”的巧设计

空间站的设计师始终坚持“以人为本”的理念，为航天员构建一个安全、舒适、便捷的工作生活环境。

“神舟十二号”航天员汤洪波正在用RFID设备识别货包内部货物。图片来源：中国载人航天工程网。

在空间站的舱内外分布着大量的传感器，时刻监测空间站的各项指标，比如压力传感器、氧浓度传感器、二氧化碳分压传感器、火灾监测器等。这些传感器如同航天员的眼睛和耳朵，可以随时监测空间站舱内的运行情况，通过报警的方式提醒航天员留意异常情况。空间站内大量的仪器设备，以及舱壁电路、热控管路的运行都会产生噪声。为了让航天员拥有良好的睡眠环境，设计师用一年多的时间研发了专门的隔振器，将内部空间的噪声隔绝到舒适的范围。

放飞“移动城堡”——空间站的轨道控制

“移动城堡”的组成帮助空间站完成轨道控制的是两种发动机，一种是化学燃料发动机，另一种是电推进发动机。两者都是通过喷射出一定的气流或者离子（统称为工质），从而让空间站具有轨道维持的能力。

“移动城堡”的设计原则

第一，动态维持。在400km的高空，因为还有稀薄的大气，在不控制空间站的情况下，空间站会因大气阻力而每天向地面的方向下降100m左右的高度，为了维持空间站的运行高度，就必须不断地把空间站往高处推一推，让空间站可以在400km左右的高度上维持动态的平衡。

第二，减少化学燃料使用。化学燃料发动机的推力强，效率高，是非常好用的空间站推进装置。可是化学燃料在轨无法重复使用，必须依靠“天舟”货运飞船补加，成本极高。因此，在空间站上，除了常规的轨控发动机外，还使用了电推进发动机共同完成空间站的轨道控制。

“移动城堡”的巧设计

为什么在空间站上既要安装化学燃料发动机，又要安装电推进发动机呢？这是因为两种发动机各有所长，可以说一个是“迅猛刚强”，另一个是“绵延不断”。两种发动机在太空中协同工作，共同完成空间站的姿态控制和轨道维持工作。

相比于化学燃料发动机，电推进发动机喷射出来的工质速度快了十多倍，因此获得的比冲也是十多倍，所以为了达到相同的速度，电推进发动机所消耗的燃料质量只有化学燃料发动机的十分之一。通过电推进发动机的使用，可以减少需要货运飞船补给的化学燃料质量，降低空间站的在轨运营成本。

可是电推进发动机也有一个明显的缺点，那就是每次发射的离子质量很小，因而产生的推力也很小，只有零点几牛的大小，在地面上只能推动一张薄纸，所以无法应用于火箭发射。但是在太空中，空间站可以使用电推进发动机不断喷射离子，长时间积累下，就可以完成对轨道的维持。中国空间站上配置了4台电推进发动机，长期使用可以减少化学燃料的消耗，让空间站可以更加长久地在太空中运行。

原文作者/郭睿高芫赫时光

摘编/何安安

编辑/王青

导语校对/赵琳

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