中国首个空间站天和核心舱 4 月 29 日发射成功,对中国航天有哪些重要意义?

中国首个空间站天和核心舱 4 月 29 日发射成功,对中国航天有哪些重要意义?

啊,空间站,我们从1992年9月21日载人航天工程批准实施起就定下的最终目标,即将完成,这无疑是令人兴奋的。祝贺发射成功,载人航天三步走战略最后一步旗开得胜!接下来的20个月,海南文昌和酒泉发射场需要承担若干次发射任务来进行空间站构造,同时也祝愿接下来的每一次发射都成功!

其实我感觉核心舱的科普已经相当丰富了,关注的同学了解的应该很多了,而巡天光学望远镜各种靠谱的不靠谱的谣言相当多,而我认为它是中国空间站系列中最强大的装备,所以昨天我回答了一个专门的问题,强烈推荐:

而关于空间站的其他部分,我来简要的说几个有趣的点:

凭良心讲,天和在架构上并没有什么突破性的创新,走的就是苏联三代空间站一路发展走来的路,天和由大柱段、小柱段和前端的气闸舱/对接段组成,从架构上讲,这就非常类似苏联第三代空间站Mir的核心舱(上),和天和(下)的同状态对比:

但天和比和平号要强大很多,实验室容量和性能堪比400多吨的国际空间站。这里面有两个重点:一个是能源供给,一个是空间布置,我认为天和是在总结了前人丰富的经验下,自主创新、优化得到的现有限定条件下最优秀的解。

空间站能源供给主要是靠太阳翼帆板+锂离子蓄电池进行供电,太阳翼帆板的供电能力直接决定了空间站总能源供给。国际空间站的解决方案是通过若干根大型桁架,放置8对巨型太阳翼帆板,但是这些帆板由于制造时间较早,当时技术上光电转化效率较低,只有14%(老电池板,新换上的也有30%了)。而中国空间站是把主要的4对太阳翼帆板放置在实验舱末端的桁架上,采用国产的转换效率30%以上的三结砷化镓电池片以及先进的锂蓄能电池,发电效率比国际空间站上的帆板高很多,更是远超更加落后的和平号,有了充足的能源供应,才有丰富的太空实验项目。

而且现在的太阳翼帆板,已经全柔性化,与其说是帆板,更像是帆布,发射的时候卷在舱段旁,上了轨道,再像布一样慢慢卷开。这项技术也是最近两年国际空间站才开始替换试验的。下图是2017年才在国际空间站试验的美国柔性太阳能帆板,Roll-Out Solar Array (ROSA) ,顾名思义。只有国际空间站原帆板一半长,发电能力反而强20-30%,可见效率翻番,中国空间站已经普及这种帆板。

国际空间站是积木+桁架的第四代空间站系统,国际空间站那个桁架,其实远远不是当年美帝计划的那种以桁架为主体的结构,桁架在国际空间站上更加类似一个资源仓,放置一些探测设备、太阳能电池板还有热辐射器、天线什么的。我们的空间站其实也是积木+桁架,俩实验舱的末端各有一个小桁架,主要用途也是放置太阳能电池,而且还具有拓展能力。

不要神话桁架结构,当年真正提出桁架结构是为了在太空进行大规模建造,用以搭建桁架为核心的建筑结构,可不论是当年苏联80年代计划的和平2号空间站,还是最后建成的国际空间站,其都是以积木舱段为核心主体的空间站,桁架只是用来做设备的拓展,和当年的初衷相去甚远。

所以从这个意义上讲,我们的空间站也许同样可以算四代空间站,要么就是国际空间站是个伪四代........

真正的未来是把原材料送入太空,在空间站上3D打印出桁架,然后航天员在机器人的帮助下自动或者半自动地当航天民工,建造太空建筑。我们在天宫2号上就进行了相关实验,在2020年发射的新一代载人飞船上,已经完成人类首次“连续纤维增强复合材料太空3D打印”,而在这两年空间站建成后显然我们会做进一步的推进。空间站在轨增材扩建才是正道,到时候我们会把桁架结构玩出花来,基建狂魔岂能有输在太空的道理?所以我说别看这空间站我们晚了人家苏联50年,数风流空间站,还看今朝!

另外一个很重要的就是体积空间,中国空间站一期构型,也就是1核心舱+2实验舱+1天舟+1-2神舟,可以提供110立方米的空间,原先规划的时候是90立方米,但后来不是把巡天望远镜从实验舱II取下来单独成舱了么?所以又额外获得了20立方米。这显然比国际空间站建成后916立方米的空间小的多得多。但我之所以说咱们的空间站是小钢炮的原因,就是我们在这九分之一的空间中,硬是塞入了16个科学实验柜和7个预留实验柜,而国际空间站在大了9倍的空间中,也不过只有37个。

中国空间站的实验柜设计和规格,可以参考载人航天办公室的文件《中国空间站科学实验资源手册》,里面详细介绍了16个柜子的参数和外形,感兴趣的可以看看

而在此同时,我们依然保留了大量的航天员的活动空间,并没有因此就把空间站搞得拥挤不堪。这就是说我们的空间利用率比国际空间站高很多(没错,我说的就是俄罗斯废柴一样的舱段)

而天和的内部空间利用可以说是做到了极致:

高下立判简直是........

我们的空间站上有一些很有意思的小玩意,非常值得介绍。

我觉得最有进步意义的就是天和号第一次采用了电推的轨道维持方式,由于其比冲是传统燃料的5倍,达到了1600秒左右,这样就节省了大量用于轨道维持的燃料,从年需求量2-3吨燃料,降到了400kg。这一点和从礼炮一号到国际空间站的所有空间站都不同,是效率和科技的双重进步。

(经评论区提醒)八院801所研制的霍尔电推进器被应用在了天和号上,安装有4个,其中2个日常使用,2个备份,可以整体在太空以模块化的方式更换。相似推力的LHT-100早就应用在了某型卫星上,经过实际飞行检验,算是很成熟的装备。以苏联第三代成熟空间站和平号举例,其每年需要发射4艘“进步”货运飞船进行推进剂补加,我们只需要每年发射2艘天舟,实际上1艘天舟就足以满足轨道维持需求,我们因为别的限制条件需要2艘而已。

另外一个有趣的就是中国空间站有4套用途迥异的机械臂:

分别是核心舱上的长达10米的7自由度机械臂,用于出舱行走和大质量物件捕获,可承重25吨

问天实验舱机械臂,用于实验舱I外部平台的物品抓取。

对接转位机械臂,用于实验舱对接,因为侧向的口是没有交会对接设备,只有纵向的那个口有,所以实验舱需要通过机械臂转到侧向的口进行停泊。

和舱内的一个机械臂,曾经在天宫2号上试验过,黑科技

天和发射圆满成功,地面上的备份也就失去备份的意义了,那么根据嫦娥工程的经验,这舱段放着也是放着,不然打上去发挥余热,边际成本很低。那么这样就可以组建一个翻倍规模的扩展型空间站:

这时候有个骚操作:那就是通过太空行走,把原核心舱上的太阳翼帆板取下来,挂到实验舱末端的桁架上,因为实验舱桁架上的太阳能帆板是两自由度运动,可以获得更高的光照条件。把太阳能帆板剪下来,挂到别的地方去,十分有《太空部队》里面那个味道啊~

这样,我们的空间站就会变成180吨的大家伙,载员6名,支持更多的实验柜,更广的科学运用。未来看国际环境,也可能会有国际合作,原先计划要搞一个意大利舱段,不知道现在如何了,总之都可以期待!