剛剛發射的天和核心艙意味著什麼丨回形針

2021 年 4 月 29 日 11 時 22 分 30 秒，長征五號 B 遙二運載火箭搭載中國空間站「天和核心艙」，在海南文昌航天發射場發射升空。

近年來，我們也許習慣了中國航天的高頻次發射。但這次的發射對於中國載人航天事業，具有並不亞於中國人首次進入太空、航天員首次出艙活動的重要意義。

什麼是空間站核心艙？它是做什麼用的？此次發射的天和號又有哪些技術特點？怎樣理解它的價值？看到這則新聞，你想必會產生這些疑問。

讓我們一步一步，從最簡單的開始說起。

如果不追溯到各民族早期的神話傳說概念或者早期的科幻小說，比如 1869 年美國作家愛德華的「磚砌月球空間站」，那麼，空間站這個概念的最初提出，是由俄國在 20 世紀初完成的。

法國科幻作家儒勒的登月小說中，提出了很多載人飛船和空間站相關的有趣設想 |《空間站系統和應用》

早期的空間站外形風格非常活潑發散，但在各種現實條件的逼迫下，設計方案變得越來越趨同 |《空間站系統和應用》

1903 年，俄國航天之父康斯坦丁提出設想，在接近地球的太空環境中，建造一個帶有自主能源供應系統、生命保障系統的空間站，可以供人居住。1971 年，蘇聯率先發射了人類歷史上第一個空間站，禮炮 1 號。

如果嚴格按今天的標準評判，一些早期太空站是不能算真正空間站的。比如美國 1973 年發射的天空實驗室（Skylab），飲水都是自帶的、不能再供應；而且沒有推進系統，所以無法長期維持在軌道上。

在今天，一個真正意義上的空間站，必須同時具備 4 個特徵——這是把它與衛星、飛船、太空梭等其他空間系統有效區分開來的關鍵。它們分別是：

a。 空間站必須是一個軌道系統

這意味著它必須位於環繞星體的太空軌道上，雖然在今天這還僅僅侷限於地球，但在未來，建造環繞月球、甚至火星的空間站，在技術上都是可以實現的。

b。 空間站必須足夠大

特別是功能較為完備的空間站，經常需要2枚甚至更多的火箭發射它的元件，然後在太空軌道上進行組裝。

航天員在太空中維修空間站的一個電源控制器|NASA

c。 空間站必須能長期、反覆使用，且能支援多種用途

這意味著空間站的裝置、元件，必須能夠在使用過程中、在太空軌道環境下進行修理、替換，而且需要地面持續不斷的對它進行物資補給。

d。 空間站必須是一個具備載人功能的系統

這意味著它必須具備很多額外的設計，比如艙體結構中要有保護航天員免遭太空輻射和微小流星體傷害的保護層，要有各種維持生存環境（比如足夠氣壓）的生命保障系統，緊急情況下能讓航天員迅速返回地球的交通工具等。

越是功能完善的空間站，它就需要越大的空間，安裝更多更復雜的各種裝置，支援更多航天員的生存、生活、工作。但遺憾的是，人類的火箭並不能無限制地把尺寸和噸位做大，它首先會失去經濟上的可承受性，繼而又會很快失去技術上的可能性。

空間站尺寸的主要限制因素，是發射火箭體積和形狀。

考慮這一點，大型空間站的最優總體設計，就是採用多個圓筒結構的艙體進行「太空拼積木」。

火箭整流罩內的天和號核心艙，已經是國內能發射的最大的航天器|Vivo

採用圓筒結構的優勢有很多，包括更容易做的又輕巧又結實，並能最有效率的利用運載火箭的內部空間。這些不同的艙體在地面先後發射到太空以後，會在軌道上進行組裝，並最終形成完整的太空站系統。

既然採用了分體設計，那麼不同元件在發射秩序上，就必然有先有後。而且，不同艙體承擔的功能也各有側重——因為把所有艙體都做成一樣的，必然帶來極大的浪費，並把總體效能拉低到一個非常悽慘的水平。

和平號空間站代表了現代大型空間的主流成熟設計，「圓筒插圓筒」是最顯著的外觀特徵之一 | NASA

所以，在空間站這個「太空積木」中，必須有第一塊到位的積木，作為整個系統完整組裝的基點。它就是核心艙。

這樣的地位決定了核心艙也必然是整個空間站的核心艙室。後續的功能艙室都要圍繞它建設，它必須能夠支援這些艙室的運轉；作為第一個上天的艙室，它需要具備宇航員的維生能力。

如今，我們對它的瞭解已經越來越多。

2016 年 4 月，中國載人航天工程辦公室釋出了《空間站工程研製進展》，詳細介紹了中國空間站的發展動態。2018 年，中國空間站核心艙在第 12 屆珠海航展上首都對外公開展出。

藉由這些資訊，我們得以窺探天和核心艙和未來空間站的技術特點。

中國未來的空間站被命名為「天宮」。整個空間站採用水平對稱T形構型，將由核心艙和 2 個實驗艙組成。設計壽命 10 年，額定乘員 3 人，新舊乘員組輪換時可支援 6 人。

中國空間站的基本構型|《我國空間站工程總體構想》

作為核心艙的天和號是空間站的主控艙段，是管理和控制中心，也是航天員生活的主要場所。它要負責整個空間站的電源電路、環境控制、生命保障功能，包括氣體壓力、成分、溫度、溼度的調節，水的回收管理，微生物控制和廢棄物管理等等，可以滿足航天員長期太空飛行的生活需求。

天和號核心艙帶有一個大型機械臂，它前方較為細長的部分是節點艙。天和號核心艙尾部可以連線貨運飛船，而節點艙的前部有一個轉位基座，可以連線載人飛船、兩個實驗艙，還有一個對天方向的出艙口，用於航天員出艙活動。

在空間站的建造過程中，天和號核心艙的節點艙埠的對介面，會首先完成與實驗艙的對接；然後透過轉位基座或者機械臂的操作，把實驗艙轉移到節點艙左/右側的兩個停泊口，實現長期停靠。

載人航天工程辦公室釋出的《空間站工程研製進展》清楚呈現了未來空間站的組建過程

按照現有資料，中國空間站核心艙和實驗艙均為 20 噸級，合體質量（不含飛船）約 66 噸。乍看起來，與重達 400 多噸的國際空間站有較大差距。

不過，以天和號核心艙為代表，國產空間站採用了模組化的總體設計思路，預留了額外的機電熱介面。

它可以再對接一個新的帶節點艙的核心艙，這意味著，能夠擴展出一個總規模翻倍的空間站。

最大構型下，國產空間站可以擴充套件到 2 核心艙、4 實驗艙、4 艙外實驗平臺、並同時連線 3 艘飛船。此時整個空間站系統規模達到 180 噸，可以支援 6 名長期乘員。

基本構型與最大構型對比|《我國空間站工程總體構想》

在得到天和號核心艙的支援後，中國空間站的實驗艙就能充分發揮作用了，它們主要用於空間科學實驗、空間應用和空間技術實驗。

其中，實驗艙 I 最為重要，它除了存放用於進行科學實驗的裝置材料、航天員的消耗品和補給貨物外，還承擔了天和號核心艙一部分功能的備份任務。一旦核心艙的相關裝置出現故障，它就會挺身而出、保障空間站的正常運轉。

1992 年，中國載人航天發展正式確立了「三步走」的戰略。

第一步是先把人送入太空並安全返回。這已在 2003~2005 年期間，由神舟系列飛船搭載楊利偉、費俊龍、聶海勝等航天員實現。

第二步是突破空間站建造的一些關鍵技術，包括航天員出艙活動，飛船與空間實驗室的交會對接，並解決一定規模較小、需要航天員短期照料的空間應用問題。這已在 2011~2019 年期間，由天宮一號、二號空間實驗室實現。

中國載人航天的第三步，是建造真正意義上的空間站，解決較大規模、需要航天員長期照料的空間應用問題。

剛剛發射的空間站核心艙「天和」號，正是第三步的關鍵所在。

按照目前的計劃，今明兩年，中國將接續實施 3 次空間站艙段發射，4 次貨運飛船及 4 次載人飛船發射，於 2022 年，即載人航天工程正式啟動整整三十年之際，完成空間站在軌建造。

天和號的發射，預示著國產空間站的建造即將在較短的時間內建成。中國在世界航天領域中的地位和影響力，將會踏入一個全新的階段。

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封面圖來源：

China Daily。

參考文獻：

［1］ 中國載人航天工程辦公室。 （2016）。

空間站工程研製進展。

［2］ 周建平。 （2013）。 我國空間站工程總體構想。

載人航天， （02）： 1-10。

［3］ 張雪松。 （2016）。

中國載人空間站方案的變遷。

太空探索， 000（007）： 28-33。

［4］ 毛新願。 （2019）。

中國空間站為什麼要這樣設計？