2021年4月29日11时23分，长征五号B大型运载火箭成功将载人航天工程空间站“天和”核心舱精准送入预定轨道，“天和”核心舱的发射，意味着空间站建设拉开了帷幕。兵马未动，粮草先行，5月29日晚8时55分，长征七号运载火箭将天舟二号货运飞船送入太空，为后续即将升空的神舟十二号载人飞船计划提前做好了准备。
（搭载着中国空间站天和核心舱的长征五号B遥二运载火箭，在我国文昌航天发射场点火升空）
2022年，我国还将先后发射“问天”实验舱I、“梦天”实验舱II与“天和”核心舱依次对接，从而建成我国第一座空间大厦。
一、太空“大三居”
我国建造的第一座空间站“天宫”，没有走美苏先建造单舱式，再建造多舱式空间站的老路，而是一上来就建造多舱式空间站。它采用以“天和”核心舱、“问天”实验舱I和“梦天”实验舱II三舱为基本构型，是太空“大三居”。
这三个舱每个质量都是20吨级，依次发射成功后，将在轨通过交会对接和转位，形成水平对称的T字构型，即“天和”核心舱居中，“问天”实验舱I和“梦天”实验舱II对接于两侧。
其中，核心舱作为空间站组合体控制和管理主份舱段，具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验能力。
（图表：中国空间站未来结构示意图。（新华社记者 曲振东 编制））
“问天”和“梦天”实验舱均作为支持大规模舱内外空间科学实验和技术试验载荷支持舱段。同时“问天”实验舱还作为组合体控制和管理的备份舱段，具备成员出舱活动能力；“梦天”实验舱则具备载荷自动进出舱能力。
“天宫”空间站在轨运行寿命不小于10年，通过维修维护延长使用寿命，预计可以工作15年。它能长期载3人，半年一轮换。每个乘组2～3人。由于轮换时间6～10天，所以空间站最多有6个人。
另外，在发射了3个舱后，我国还将发射与“天宫”空间站共轨飞行的“巡天”光学舱。它将搭载2米口径的巡天望远镜。这台望远镜的分辨率与美国“哈勃空间望远镜”相当，但视场角是后者的200多倍，可在大范围巡天科学研究方面显身手。如果在轨10年，可以对40%以上的天区，约17500平方度天区进行观测。
“巡天”光学舱用于研究天体形成与演化，包括恒星、星系、行星、黑洞及类星体等形成及演化规律；研究暗物质暗能量，通过引力透镜效应观测星系微弱变形效应；研究宇宙学，重构早期宇宙密度摄动。
我国空间站系统的一大创新就是，“巡天”光学舱在需要时可与“天宫”空间站主体对接，开展推进剂补加、设备维护和载荷设备升级等活动。
二、核心作用大
最先发射“天和”核心舱对建造“天宫”空间站至关重要。它全长16.6米，发射质量22.5吨，是未来空间站的管理和控制中心。它可支持3名航天员长期在轨驻留，支持开展舱内外空间科学实验和技术试验，是我国目前研制和发射的最大航天器。
（这是展出的空间站核心舱实物（工艺验证舱）。新华社记者梁旭摄）
“天和”核心舱的体积非常大，长度比五层楼房还要高，直径比火车和地铁的车厢还要宽不少，体积比目前在轨飞行的“国际空间站”的任何一个舱位都大，所以航天员入驻后，活动空间非常宽敞，可让航天员在太空中更加舒适的长期生活。由于核心舱在设计上比过去有了很大突破，所以供航天员工作生活的空间可达50立方米。对接上两个实验舱后，空间站整体空间可达110立方米。
此外，核心舱的重量相当于三辆大客车的空重重量，同样也超过“国际空间站”上的任何一个舱段。如果此前发射的“神舟”飞船是一辆轿车，天宫一号目标飞行器和天宫二号空间实验室就相当于一室一厅的房子，而“天宫”空间站就是三室两厅还带储藏间，算是“豪宅”了。
“天和”核心舱是空间站组合体控制和管理的主份舱段，具备交会对接、转位与停泊、乘组长期驻留、航天员出舱、保障空间科学实验等能力。它用于统一管理和控制空间站组合体，支持实验舱、载人飞船和货运飞船等飞行器与其交会对接和在轨组装，提供航天员生活和工作场所，具备接纳航天员长期访问和物资补给的能力，同时支持部分学科的科学研究，配置大机械臂，具有气闸舱功能。
（这是展出的空间站核心舱实物（工艺验证舱）。新华社记者梁旭摄）
今年将用“天和”核心舱对空间站组装建造、舱外操作、航天员长期驻留等空间站关键技术验证。飞行验证结束后，将对它及空间站建造技术进行全面评估，满足要求后，2022年开始先后发射两个实验舱对接，开始进行空间站的全面建造，2022年竣工。
我国空间站预留扩展接口和扩展支持能力，在三舱构型基础上具备对接扩展舱段的能力，根据空间科学研究、空间应用和国际合作的需要，适时进行扩展，由T字构型扩展成干字构型。
三、舱内很舒适
“天和”核心舱由节点舱、生活控制舱（包括大柱段和小柱段）、后端通道和资源舱组成。其最大直径4.2米（大柱段），最小直径2.8米（小柱段）。发射升空后，它可为航天员提供太空科学和居住环境，支持长期在轨驻留，承接载人飞船和货运飞船的对接停靠。
节点舱有3个对接口和2个停泊口，可对接2个实验舱、2艘载人飞船。还充当了气闸舱的作用，供早期出舱。其前向接口与生活控制舱相连，左右两个方向专门用于“问天”和“梦天”实验舱的停泊，轴向和对地向对接口主要用于飞船的对接或停泊。
生活控制舱分小柱段和大柱段，能够提供三名航天员生活、工作空间以及配套支持系统。小柱段有三个睡眠区，每名航天员都有一个独立的睡眠区，还有卫生间。大柱段是乘组工作、控制、锻炼和休闲的地方。舱内有空间站统一控制系统、厨房、卫生间、科学仪器、通信设备、计算机系统、消防系统和空气处理系统等，这当然包括空调和WiFi等，因此环境非常舒适。
在密封的生活控制舱内，配置了工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区和锻炼区六个区域。其中在就餐区配置了微波炉、冰箱、饮水机和折叠桌等家居，在锻炼区配置了太空跑台、太空自行车和抗阻拉力器等健身器材，以满足航天员日常锻炼。
此外，舱内情景照明可由手机APP控制。说到手机，核心舱不仅配上了，可以实现在轨航天员之间通话和天地通话；还配了天地视频通话设备，可以实现与地面的双向视频通话；此外，也有可以支持航天员收发电子邮件的测控通信网和相关设备。中国的“太空之家”真是太舒适、太便利了！
资源舱是非密封舱，为空间站提供电力、推进燃料等必需资源。末端接口对接用于对接“天舟”货运飞船，以接收太空快递。
四、采用新技术
“天和”核心舱采用了不少新技术。例如，在小柱段外围配置有一部承载力达25吨的10米长“七自由度大型空间机械臂”。它首尾两端配置相同，可经由在空间站外壁布置的“电力数据抓取夹具”，实现机械臂在舱体表面的爬行移动。无论是舱段转位、大设备的移动，还是航天员自身移动，都可用该机械臂完成，是中国空间站组装建造、运营管理、维护服务和空间应用的核心装备，是辅助航天员工作的“最佳助理”。
为了让航天员实现更久的在轨停留，“天和”设计了完整的可再生生命保障系统。航天员呼出的水蒸气会通过冷凝水方式回收，排泄的尿液也会回收净化，重新作为饮用水和生活用水使用。电解制氧时产生的氢气与航天员呼出的二氧化碳，将通过化学反应生成氧气，这也能够降低氧气的补给需求。
核心舱采用了大面积可展收柔性太阳电池翼，双翼展开面积可达134平方米，这是我国首次采用柔性太阳电池翼作为航天器的能量来源。与传统刚性、半刚性的太阳电池翼相比，柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高，单翼即可为空间站提供9千瓦的电能，在满足舱内所有设备正常运转的同时，也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。
比起传统的刚性、半刚性太阳电池翼，柔性翼全部收拢后只有一本书的厚度，仅为刚性太阳翼的1/15。基板采用超薄型轻质复合材料，对用来防护空间环境的胶层的涂覆厚度也进行了严格控制。
核心舱上的另一个创新是，除了配备了常规的化学能轨控发动机和姿控发动机外，额外配置了四台大功率霍尔电推进发动机，其效率比化学能发动机高几倍，可有效节省核心舱自带推进剂的消耗，减少用货运飞船为空间站补给燃料的压力。
由此可见，“天和”核心舱的发射和运行，为后续空间站的建造奠定了坚实基础。
五、有时代特征
“天宫”空间站具有鲜明的中国特色和时代特征，采用转位机构和机械臂结合，进行舱段转移、对接，在航天员和机械臂协同下，可以完成复杂舱外建造和操作活动。空间站靠力矩陀螺进行姿态控制，即利用动量交换原理，通过改变角动量方向来产生控制力矩。其优点是精度和可靠性很高。
2022年发射的2个实验舱都能单独飞行，各配置了1个小型机械臂，与核心舱对接后可对核心舱功能予以备份和增强，用于科学实验和技术试验，都支持航天员长期在轨驻留。
“问天”实验舱I兼有组合体控制与应用实验功能，主要任务是支持开展密封舱内专项实验和舱外试验，备份核心舱部分平台功能，存放航天员消耗品、空间站备品备件和补给货物。它配置了主份气闸舱，支持航天员出舱活动。该实验舱是主要的舱内实验场所，拥有最多的通用科研载荷空间。
“梦天”实验舱II的主要任务是支持密封舱内应用和舱外试验，配置货物专用气闸舱，在航天员和机械臂配合下，支持载荷和设备自动进出舱。它加长了增压工作舱，其多功能实验舱的货物气闸舱更是匠心独具。
2022年对接在核心舱的两个实验舱，在短桁架上装有4个2对柔性太阳电池翼。它们比核心舱上的太阳电池翼更大，每个单翼翼展约为30米。也采用“三结砷化镓电池”，光电转换效率达到了30%以上。每个功率20千瓦，总功率可达80千瓦。加上核心舱电池翼发电，空间站总功率可达100千瓦以上，从而能很好满足空间站的需求。
（图表：我国计划2022年前后建成可载3人的空间站，新华社记者 肖潇 编制）
我国空间站达到世界第三代空间站水平，属于经济适用型，特点是起点高，效益高，技术新，保障强。虽与国外的和平号、“国际空间站”相比，我国的规模相对较小，但从建造成本和应用效益的角度综合分析，这是符合中国国情和实际需要的理性选择。我国既不贪大求全，但又规模适度，与“国际空间站”相比，我国空间站载荷支持效率更高，可提供多种标准接口，有望取得较高的工程应用效益。
六、应用条件好
我国空间站运行于倾角41～42°、轨道高度340～450千米的近圆低地球轨道，约90分钟绕地球一圈，采用近似三轴稳定对地指向。其轨道完全脱离了地球大气，处于地球电离层F2层，适于开展巡天类空间天文观测和特定空间物理研究；对地球观测而言，空间站轨道覆盖南北纬42°以内、地球人口居住90％的区域，与一般地球遥感卫星采用的太阳同步轨道相比，空间站轨道的交点地方时在不断变化，可实现对同一地区可变光照条件下的观测；由于轨道高度较低，相同对地观测仪器的空间分辨率较高。
“天宫”可提供长时间的微重力环境，微重力水平为10-3～10-4g。在微重力条件下，地面重力效应导致的流体中的浮力对流、重力沉降、液体压力梯度等现象基本消失，地面重力效应所掩盖的一些次级效应凸显，导致流体形态和物理（化学）过程等发生显着变化，影响或改变流动和燃烧机制，也影响到相关的材料（包括生物材料）加工及制备过程；微重力还会对一些基础物理的实验条件产生重要影响，能够以更高的指标和精度开展实验，对重要的基础物理理论进行验证。此外，各种生物包括人类的生存和进化一直是在重力环境下实现的，微重力环境对生物体及其各层次的影响十分显着。因此，微重力环境是开展相关科学研究独特而宝贵的资源。
这些都为航天员在空间站开展空间应用提供了很好地条件。我国航天员乘组均具有执行空间实验及其它任务的能力，包括对有效载荷进行在轨操作、状态监视、样品更换、回收处置等，以及按要求完成有效载荷项目的在轨建设和扩展。航天员乘组还具有舱内外载荷维修与更换能力。
中国载人航天工程利用空间站支持能力、微重力和辐射环境、航天员较长在轨驻留、天地往返等有利条件，共规划安排了11个空间科学与应用研究方向，包括航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理学、空间物理与空间环境、空间地球科学及应用、航天元器件与部件、航天新技术、空间应用新技术等方向。
七、建站为应用
在我国实施载人航天工程之初就流行着一句话：“造船为建站，建站为应用”。建造空间站的最终目的是开展科学应用。它将用于科技研究、科普教育和国际合作等，目标是取得有重大科学价值的研究成果和取得有重大战略意义的应用成果。
空间站应用主要领域包括航天医学实验、空间科学研究与应用以及航天技术试验三大类。“天宫”空间站的三个舱段舱内将布置13个科学实验柜，它们支持航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理以及航天新技术等广泛领域的空间科学实（试）验研究。
根据公开的《中国空间站空间科学实验资源手册》介绍，空间站规划了密封舱内的空间实验柜、舱外暴露实验平台以及共轨飞行的“巡天”光学舱。其中核心舱、实验舱I和实验舱II的密封舱内均配备了科学实验柜。实验舱I和实验舱II外还配备了暴露实验平台，配置了多个标准载荷接口或大型载荷挂点，用于开展天文观测、地球观测、空间材料科学、空间生物学等多种类型的暴露实验或应用技术试验。
科学实验柜以标准实验柜体与专业科学实验系统结合的方式，针对相关学科方向的需求，整体设计集成，支持相应方向的科学实验项目。它可通过更换实验样品或实验单元，支持多个科学研究项目的滚动实施。另外，科学实验柜根据用途可以分为12个学科方向实验柜和4个共用支持实验柜。
其舱外暴露实验平台，及多个标准载荷接口或大型载荷挂点用于开展天文观测、地球观测、空间材料、空间生物等多种类型暴露实验或应用技术试验。舱外暴露实验装置是为不同方向的实验设计的，目前在空间生命科学与生物技术、空间材料科学和航天元器件与部件等3个研究方向安排了3个暴露实验装置，支持该学科方向的实验研究。
八、两船保运输
目前，世界现役的载人航天器有两种，一类是作为交通工具的宇宙飞船，其优点是可以天地往返，但它们体积小，运行时间短，主要来接送航天员和货物；另一类作为科研基地的空间站，其优点是体积大、寿命长和功能强，但不能进行天地往返，需要用宇宙飞船提供运输服务，主要用于科研、生产和在轨服务等。
为此，我国在研制和发射空间站舱段之前，先成功研制和发射了“神舟”载人飞船和“天舟”货运飞船。在“天和”核心舱升空后，今年我国将陆续发射“神舟”和“天舟”飞船各两艘，分别把航天员和核心舱所需物资送到核心舱内。明年，还将发射“神舟”和“天舟”飞船各两艘。
至今，我国已陆续成功发射了6艘“神舟”载人飞船，把11名航天员、14人次送上了太空，所以该飞船的技术比较成熟。
“神舟”总长近9米，总重约8吨左右，乘员人数3人，自主飞行7天，停靠飞行180天。它由系统总体和13个分系统组成，其中包括环境控制与生命保障、回收着陆、仪表与照明、应急救生、乘员等分系统。
该载人飞船采用3舱式构型。位于飞船前部的轨道舱用于航天员入轨后的工作、吃饭、方便、睡觉。其前端有交会对接装置，可与空间站核心舱交会对接。位于飞船中部的返回舱是航天员往返时的座舱，也是飞船的控制中心，具有着陆后支持航天员陆上生存48小时、海上生存24小时的能力。位于飞船后部的推进舱为非密封结构，为飞船提供动力、电源、燃料等。
我国曾于2017年4月20日发射了首艘货运飞船天舟一号，它顺利地完成了各项预定任务，从而表明“天舟”货运飞船达到了设计目标，能满足我国空间站货物运输需求。
“天舟”货运飞船由货物舱和推进舱组成，整船最大装载状态下重量达13.5吨，上行货物运输能力为6.9吨，这在世界现役飞船中是最大的。其载货比达51%，也是世界第一，所以能以最小的结构重量达到最大的装货能力，在轨寿命不小于1年。
它不仅可以为核心舱送去航天员所需各类生活用品、各种科研设备等，还能作为一个空间站的临时舱段开展科学实验和技术试验，也可以提升空间站的轨道、带回和销毁空间站上的垃圾等。
九、三箭显神通
上述的空间站“天和”核心舱和两个实验舱、“神舟”载人飞船和“天舟”货运飞船将分别由三种型号的“长征”运载火箭在这两年发射升空。其中长征五号B用于发射“天和”核心舱和两个实验舱，长征二号F用于发射“神舟”载人飞船，长征七号用于发射“天舟”货运飞船。
（4月23日，空间站天和核心舱与长征五号B遥二运载火箭组合体已转运至发射区。新华社发（郭文彬 摄））
长征五号采用二级半构型，长征五号B是在长征五号的基础上去掉了长征五号的第二级，即采用一级半构型。其芯级直径为5米，装有2台推力均为50吨的液氢/液氧发动机；芯级并联了4个直径3.35米的助推器，每个装有2台推力均为120吨的液氧/煤油发动机。
（4月23日，空间站天和核心舱与长征五号B遥二运载火箭组合体已转运至发射区。新华社发（郭文彬 摄））
该火箭的起飞质量约849吨，起飞推力约1078吨，近地轨道运载能力25吨。这是目前我国近地轨道运载能力最大的运载火箭，也是我国目前唯一利用一级火箭直接将有效载荷送入预定轨道的运载火箭。其近地轨道运载能力跻身国际前列，为我国空间站工程任务的顺利实施奠定了坚实基础。
长征五号B总长约53.66米，其中整流罩长度20.5米，相当于六层楼的高度，比长征五号的整流罩长8米，这也是目前我国最大的整流罩，为装载空间站舱段而量身打造的。
发射“神舟”载人飞船的长征二号F是我国第一种也是目前唯一一种载人运载火箭，它已成功发射了6艘“神舟”载人飞船，发射载人飞船状态时的近地轨道运载能力为8.1吨。它是在长征二号E基础上广泛采用了冗余设计，提高了元器件等级和筛选标准，结构设计提高了剩余强度系数，发动机也进行了旨在提高可靠性的设计，并增加了故障检测处理和逃逸系统，以保证航天员的安全，使火箭可靠性从长征二号E的91%提高到97%。其顶部装有一个类似避雷针的逃逸塔，可使航天员的安全性达到99.7%，从而在功能、性能、可靠性和安全性方面全部达到了载人运载火箭的要求。
（2017年4日17日，长征七号遥二运载火箭与天舟一号货运飞船组合体在垂直转运中）
长征七号采用两级半构型，可以把14吨的有效载荷送入近地点200千米、远地点400千米、倾角42°的地球近地轨道。
它是利用长征二号F火箭成熟技术，在大体不变情况下换成新研制的120吨级液氧/煤油发动机。其优点是：一是提高了火箭的运载能力，把我国火箭的近地轨道运载能力由8.6吨一下提高到14吨。二是推进剂绿色环保，燃烧后产生二氧化碳和水。三是便宜，平均成本仅为常规推进剂的1/10强；四是今后可重复使用。
其基本型总长53.1米，芯一、二级直径3.35米，单个助推器直径2.25米起飞质量约595吨，起飞推力720吨。其芯一级装有2台单台推力为120吨的双摆液氧/煤油发动机；芯一级并联了4个助推器，每个助推器装有1台单台推力为120吨的单摆液氧/煤油发动机；芯二级直径为3.35米，装有4台单台推力为18吨的双摆液氧/煤油发动机。其整流罩直径4.2米。
最后，祝我国“天宫”空间站建造顺利，应用广泛。
（作者：全国空间探测技术首席科学传播专家，庞之浩）
本文来自：中国数字科技馆
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