再過幾天神舟十二號(hào)航天員乘組就將返回地球，這意味著天宮空間站“關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段”任務(wù)已經(jīng)行程過半。

天宮空間站首批進(jìn)駐航天員即將搭乘神舟十二號(hào)返回地球

按照規(guī)劃此一階段共有6次發(fā)射，已經(jīng)實(shí)施的任務(wù)有長征5B遙一、長征5B遙二/天和一號(hào)核心艙、長征七號(hào)遙三/天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船、長征2F遙十二/神舟十二號(hào)載人飛船。

關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段最后兩發(fā)任務(wù)也將在接下來不到一個(gè)月時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)射，即長征七號(hào)遙四/天舟三號(hào)與長征2F遙十三/神舟十三號(hào)。

關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段任務(wù)規(guī)劃

關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段已經(jīng)實(shí)施的4次任務(wù)

神舟十二號(hào)與天和一號(hào)核心艙分離后還將驗(yàn)證徑向交會(huì)技術(shù)，之后天舟二號(hào)與天和一號(hào)核心艙后向?qū)涌诜蛛x并繞飛至前向?qū)涌趯?duì)接。

天舟二號(hào)繞飛至核心艙前向?qū)涌?/p>

新發(fā)射的天舟三號(hào)與神舟十三號(hào)將分別對(duì)接天和一號(hào)核心艙后向與徑向兩個(gè)對(duì)接口，屆時(shí)天宮空間站將在短期內(nèi)形成一個(gè)由天和一號(hào)核心艙、天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船、天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十三號(hào)載人飛船組成的呈T字形構(gòu)型近50噸級(jí)在軌規(guī)模的四艙（船）組合體。

神舟十三號(hào)對(duì)接后天宮空間站的組合體形態(tài)

天舟二號(hào)為什么沒有緊隨神舟十二號(hào)撤離？因?yàn)樗€要驗(yàn)證核心艙前向?qū)涌谕七M(jìn)劑在軌補(bǔ)加功能，以及執(zhí)行機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)位試驗(yàn)。

關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段對(duì)天宮空間站具有奠基意義，主要驗(yàn)證七大關(guān)鍵技術(shù)，分別是，空間站推進(jìn)劑補(bǔ)加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修。

天和一號(hào)核心艙配置的大型柔性太陽翼

天宮空間站航天員第二次出艙任務(wù)畫面

與神舟十二號(hào)乘組為期3個(gè)月在軌駐留時(shí)間不同，神舟十三號(hào)乘組在軌駐留時(shí)間將延長至6個(gè)月，這一時(shí)間也將是此后各批次航天員乘組的常態(tài)化駐留時(shí)間。待神舟十三號(hào)乘組完成為期半年在軌任務(wù)后，明年天宮空間站將迎來另一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，即“在軌建造階段”。按照計(jì)劃我們將在2023年之前完成在軌建造任務(wù)，從而進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營階段。

天宮空間站的三大任務(wù)階段

隨著關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段任務(wù)陸續(xù)展開，人們對(duì)該階段任務(wù)流程已逐漸熟悉，然而對(duì)于明年即將開始的“在軌建造階段”尚缺乏足夠的認(rèn)知。

無獨(dú)有偶，一部全新的載人航天工程宣傳片在近期航天員天地連線活動(dòng)中得以公開，該片展示了許多在軌建造階段的任務(wù)細(xì)節(jié)。

我們都知道天和一號(hào)是天宮空間站核心艙，然而鮮為人知的是，現(xiàn)階段天和一號(hào)的準(zhǔn)確身份是“試驗(yàn)核心艙”，完成關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段任務(wù)并通過狀態(tài)評(píng)審后將在軌直接轉(zhuǎn)正為“核心艙”，屆時(shí)天和一號(hào)核心艙將為迎接在軌建造階段任務(wù)做好一切準(zhǔn)備。

天和一號(hào)艙內(nèi)畫面

在軌建造階段大部分任務(wù)都將在神舟十四號(hào)任務(wù)期間展開實(shí)施，該飛船將對(duì)接于天和一號(hào)核心艙對(duì)地方向的徑向?qū)涌冢瑸楹罄m(xù)到來的兩個(gè)大型實(shí)驗(yàn)艙讓出軸向?qū)涌凇?/p>

神舟十四號(hào)航天員乘組進(jìn)駐天和一號(hào)不久，很快長征5B遙三大型運(yùn)載火箭就將托舉問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射入軌，該艙段的目標(biāo)對(duì)接位置是天和一號(hào)核心艙第四象限徑向停泊口。

問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體交會(huì)

身為追蹤飛行器的問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙有著22噸級(jí)的身板，而作為目標(biāo)飛行器的空間站組合體也是40噸級(jí)規(guī)模，加上異體同構(gòu)周邊對(duì)接機(jī)構(gòu)需要較大撞擊能量，如果直接徑向?qū)訉⑹沟每臻g站姿態(tài)控制變得更加復(fù)雜，為此我們采取了先軸向?qū)釉俎D(zhuǎn)位徑向?qū)拥姆桨浮?/p>

問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體軸向?qū)?/p>

問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的到來相當(dāng)于為天宮空間站帶來一個(gè)超值大禮包，首先是數(shù)量可觀的科研機(jī)柜與艙外載荷掛點(diǎn)，再就是該艙段的小柱段配置了一部小型機(jī)械臂，它可以與天和核心艙主機(jī)械臂對(duì)接形成長度達(dá)15米的超長機(jī)械臂，基于天和機(jī)械臂爬行功能，可以實(shí)現(xiàn)天宮空間站整站全觸達(dá)。

天和機(jī)械臂與問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂雙臂組合

問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙還配置有人員專用氣閘艙，它可以與天和一號(hào)氣閘艙（節(jié)點(diǎn)艙）互為備份。在沒有人員專用氣閘艙情況下航天員實(shí)施出艙活動(dòng)任務(wù)期間空間站艙段間交通將被阻斷，比如神舟十二號(hào)乘組執(zhí)行兩次出艙活動(dòng)任務(wù)期間神舟十二號(hào)飛船與天和核心艙之間的交通就是阻斷狀態(tài)，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)情況難以做出有效應(yīng)對(duì)。

使用天和氣閘艙執(zhí)行出艙任務(wù)時(shí)核心艙與神舟飛船交通阻斷

人員專用氣閘艙到位后將完美化解這一問題，屆時(shí)它將是航天員實(shí)施出艙活動(dòng)的第一選擇。

問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙人員專用氣閘艙

值得注意的是，問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙人員專用氣閘艙艙門是面向地球一側(cè)，這與天和一號(hào)氣閘艙面向太空一側(cè)不同，空間站完成在軌建造任務(wù)后將由連續(xù)偏航姿態(tài)轉(zhuǎn)三軸對(duì)地穩(wěn)定姿態(tài)運(yùn)行，面向地球一側(cè)的出艙口將背對(duì)太陽，有助于航天員執(zhí)行出艙任務(wù)時(shí)的環(huán)境感知。

核心艙氣閘艙進(jìn)出艙成像受陽光干擾問題突出

與之對(duì)比神舟十二號(hào)乘組在使用核心艙氣閘艙執(zhí)行出艙任務(wù)時(shí)，當(dāng)組合體運(yùn)行至陽照區(qū)時(shí)出艙口全景相機(jī)受強(qiáng)烈陽光干擾畫面過度曝光問題比較嚴(yán)重，而出艙過程恰恰是非常關(guān)鍵的階段，需要艙內(nèi)航天員與地面通過鏡頭畫面指導(dǎo)出艙航天員做出正確動(dòng)作。

在問天實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂輔助下進(jìn)行出艙活動(dòng)

在軌建造階段最為關(guān)鍵的任務(wù)就是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的“轉(zhuǎn)位對(duì)接”，事關(guān)整個(gè)空間站的成敗。假設(shè)問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙無法轉(zhuǎn)位，意味著軸向?qū)涌诒徽加茫罄m(xù)夢天實(shí)驗(yàn)艙無法對(duì)接，甚至飛船對(duì)接口也將因此由3個(gè)縮減至2個(gè)，空間站總體任務(wù)目標(biāo)將無法達(dá)成。

基于轉(zhuǎn)位任務(wù)的不可逆性質(zhì)，空間站總體為此準(zhǔn)備了兩套互為備份的轉(zhuǎn)位方案。首先是實(shí)驗(yàn)艙自備的轉(zhuǎn)位機(jī)械臂，轉(zhuǎn)臂通過與節(jié)點(diǎn)艙基座相連帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙進(jìn)行上翻、旋轉(zhuǎn)、下翻實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位對(duì)接，該轉(zhuǎn)位機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)少，優(yōu)勢是可靠性高。

用于對(duì)接實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位機(jī)械臂的基座

轉(zhuǎn)位機(jī)械臂控制問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位對(duì)接

天和核心艙主機(jī)械臂則是轉(zhuǎn)位機(jī)械臂的備份手段，該機(jī)械臂自設(shè)計(jì)伊始就確立了25噸級(jí)的承載力指標(biāo)，目的就是為服務(wù)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位對(duì)接。目前正對(duì)接于天和一號(hào)核心艙后向?qū)涌诘奶熘鄱?hào)貨運(yùn)飛船在任務(wù)末期就將繞飛至前向?qū)涌冢⑴浜咸旌蜋C(jī)械臂進(jìn)行在軌轉(zhuǎn)位試驗(yàn)。

天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船配合天和機(jī)械臂進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗(yàn)

問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙完成轉(zhuǎn)位對(duì)接后，夢天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙也將緊隨其后在神舟十四號(hào)任務(wù)期間完成對(duì)接，該艙段目標(biāo)對(duì)接位置是天和一號(hào)核心艙第二象限徑向停泊口，對(duì)接方法與問天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙完全一致。

夢天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙與空間站組合體軸向?qū)?/p>

夢天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位對(duì)接

天宮空間站在軌組裝過程猶如太空變形金剛，需要?dú)v經(jīng)一字形、L形、T形等多個(gè)構(gòu)型演變，進(jìn)一步凸顯其姿態(tài)控制系統(tǒng)的強(qiáng)大適應(yīng)力。

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙完成對(duì)接后就意味著天宮空間站三艙組合體在軌組裝任務(wù)大功告成，接下來就是驗(yàn)證最后一項(xiàng)核心能力，即航天員在軌輪換。

完成在軌組裝任務(wù)的天宮空間站組合體

是否具備航天員在軌輪換能力，決定了天宮空間站能否具備連續(xù)不間斷的有人駐留能力，這也是永久性載人空間站的一項(xiàng)標(biāo)志性能力。

屆時(shí)神舟十五號(hào)飛船將搭乘長征2F遙十五運(yùn)載火箭升空，并與天和一號(hào)核心艙軸向?qū)涌趯?duì)接，此時(shí)天宮空間站的艙（船）段成員有：天和一號(hào)核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙、天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十四號(hào)載人飛船、神舟十五號(hào)載人飛船，組合體在軌規(guī)模將達(dá)到90噸級(jí)，站內(nèi)航天員人數(shù)由3人升級(jí)至6人。

天宮空間站航天員首次在軌輪換組合體形態(tài)

話說天和一號(hào)核心艙自身就具備同時(shí)對(duì)接兩艘神舟飛船能力，為什么一定要等到空間站完成組裝任務(wù)后再進(jìn)行航天員在軌輪換呢？這是因?yàn)閱柼焯?hào)實(shí)驗(yàn)艙另外配置有3個(gè)獨(dú)立睡眠區(qū)，加上天和一號(hào)核心艙3個(gè)獨(dú)立睡眠區(qū)，總計(jì)有6個(gè)獨(dú)立睡眠區(qū)，可以保障航天員輪換期間6人同時(shí)短期駐留需求，在睡眠區(qū)全部到位后進(jìn)行在軌輪換可以更加全面的檢驗(yàn)空間站綜合保障能力。

在上一篇文章里筆者提到22噸級(jí)的天和一號(hào)核心艙以一己之力就能夠匹敵國際空間站星辰號(hào)核心艙+曙光號(hào)多功能貨艙+團(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙三艙相加的各項(xiàng)功能，甚至有所超出。其實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，天宮空間站不僅實(shí)現(xiàn)了功能超越，更是在設(shè)計(jì)理念上完成了新的蛻變。

天和一號(hào)PK國際空間站三大艙段

載人航天工程空間站系統(tǒng)總指揮王翔對(duì)此指出，基于系統(tǒng)科學(xué)思想的理念，組成天宮空間站的各艙段（包括來訪飛船）原為獨(dú)立飛行器，對(duì)接后形成一個(gè)由空間站統(tǒng)一控制和管理的組合體；其組合過程實(shí)際上是控制權(quán)的交接或接管，新艙段將控制權(quán)交與空間站，將艙體與艙內(nèi)資源融入空間站并形成擴(kuò)展后新的空間站的一部分。最終實(shí)現(xiàn)1+1等于1的工程效果。

1+1等于1的背后是空間站各艙段資源的高效整合，反觀國際空間站在諸多領(lǐng)域則是1+1小于1，其表現(xiàn)如下：

1.電力系統(tǒng)只具備單向供電能力，比如國際空間站諸多艙段只能由桁架太陽翼供電，桁架太陽翼又對(duì)俄艙段太陽翼形成遮擋，導(dǎo)致后者電力供應(yīng)能力受損。

國際空間站桁架太陽翼對(duì)俄艙段太陽翼遮擋問題突出

2.熱控資源無法集中，國際空間站非俄艙段建立了以命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙為中心的公共流體回路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了局部熱控資源的共享，但俄艙段由于流體介質(zhì)與非俄艙段不同，導(dǎo)致兩者無法構(gòu)建更加完整的公共流體回路。

國際空間站星辰號(hào)服務(wù)艙（俄）

3.信息系統(tǒng)難以共享，國際空間站各艙段之間通常可以看到頗為凌亂的線路連接，這些都是航天員在出艙任務(wù)中進(jìn)行手動(dòng)拉線連接。

國際空間站艙段間凌亂的線路連接

再比如他們航天員在出艙期間頭盔攝像機(jī)傳輸畫面經(jīng)常有傳輸中斷的現(xiàn)象，這些都是信息鏈路阻塞的表現(xiàn)。

NASA艙外航天服成像畫面?zhèn)鬏斨袛喱F(xiàn)象

天宮空間站不僅完美解決了上述問題，更實(shí)現(xiàn)了新的創(chuàng)新。基于航天器交會(huì)對(duì)接技術(shù)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制，以及流體回路資源共享這都是基本技能。

載人空間站通常都是由一個(gè)核心艙為基點(diǎn)開枝散葉，而我們則是在天和一號(hào)這個(gè)強(qiáng)核心艙基礎(chǔ)上創(chuàng)新了“三艙核心組合體（天和一號(hào)+問天號(hào)+夢天號(hào)）”方案，該方案之所以能夠?qū)崿F(xiàn)得益于結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制、信息系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、熱控流體回路、載人環(huán)境、推進(jìn)系統(tǒng)的高度融合。

天宮空間站“三艙核心組合體”地面驗(yàn)證艙

電力供應(yīng)方面，徑向?qū)佑谔旌鸵惶?hào)的兩個(gè)大噸位實(shí)驗(yàn)艙形成了近40米的大跨度，兩部雙自由度大型太陽翼布置在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙的兩端，達(dá)到了類似國際空間站桁架結(jié)構(gòu)克服太陽翼相互遮擋問題的作用，同時(shí)高光電轉(zhuǎn)化效率的三結(jié)柔性砷化鎵電池技術(shù)的應(yīng)用，使得電池翼更加輕質(zhì)，且發(fā)電效率更高。

在解決太陽翼遮擋問題上我們進(jìn)一步創(chuàng)新了電力系統(tǒng)在軌重構(gòu)功能，天和一號(hào)核心艙太陽翼可由航天員在機(jī)械臂輔助下拆卸，并轉(zhuǎn)移至兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙末端的桁架處安裝，徹底解決電池翼遮擋問題，而這就是“三艙核心組合體”的一個(gè)顯著特征。

機(jī)械臂輔助航天員轉(zhuǎn)移核心艙太陽翼

同時(shí)天宮空間站實(shí)現(xiàn)了雙向供電，新對(duì)接艙段既能從站上獲取電力，同時(shí)也可以反向供電以滿足其他艙段更大的用電需求。

天地通話是空間站的基礎(chǔ)功能，國際空間站在進(jìn)行此項(xiàng)任務(wù)時(shí)通常需要佩戴有線耳機(jī)或者是麥克風(fēng)。

國際空間站航天員使用有線設(shè)備進(jìn)行天地通話

而天宮空間站在高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)支持下航天員只需佩戴無線骨傳導(dǎo)耳機(jī)，甚至不需要耳機(jī)只需手機(jī)打開外音就能天地通話。同時(shí)我們還可以實(shí)現(xiàn)跨艙段信息互聯(lián)，航天員無需頻繁的跨艙段移動(dòng)就能在一個(gè)艙段對(duì)另一個(gè)艙段進(jìn)行控制。

天宮空間站航天員天地通話甚至無需佩戴任何設(shè)備

“三艙核心組合體”還體現(xiàn)在問天實(shí)驗(yàn)艙的功能備份上，該艙段有控制力矩陀螺、綜合顯示儀表、姿軌控動(dòng)力等備份設(shè)備，它與天和一號(hào)核心艙之間的發(fā)射間隔僅有一年時(shí)間，與之相比國際空間站備份核心艙功能的科學(xué)號(hào)則間隔了將近二十三年才發(fā)射上天。

天宮空間站“三艙核心組合體”可以看作是一個(gè)規(guī)模更大且功能更強(qiáng)大的核心艙，其功能有多強(qiáng)大？國際空間站人員專用氣閘艙、貨物專用氣閘艙、暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、外部掛點(diǎn)、桁架等幾乎所有硬件配置都能在我們的“三艙核心組合體”中一一對(duì)應(yīng)。

夢天實(shí)驗(yàn)艙可展開式暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

除此之外，“三艙核心組合體”的空間利用率也非常高，400噸級(jí)的國際空間站僅配置了31個(gè)科研機(jī)柜，而我們呢？

根據(jù)空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)資源手冊(cè)披露，60噸級(jí)的“三艙核心組合體”就能夠容納23個(gè)科研機(jī)柜，待拓展工程實(shí)施后，后續(xù)實(shí)驗(yàn)艙由于無需備份核心艙功能，因此將有更大的空間放置科研機(jī)柜，屆時(shí)科研機(jī)柜規(guī)模就不僅僅是23乘以2這么簡單，大幅超越國際空間站在軌科研能力更是必然結(jié)果。

天宮空間站由T字形向干字形演化的拓展方案

天宮空間站不僅是人類載人航天科技的集大成者，其運(yùn)營理念也非常先進(jìn)，如此優(yōu)秀的平臺(tái)必將吸引全球有實(shí)力選手參與其中。

天宮不同于國際空間站的門戶有別，首先這是我們的國家太空實(shí)驗(yàn)室，在這個(gè)基礎(chǔ)上確立了共享開放的合作模式，即由我方提供天地往返運(yùn)輸與在軌科研服務(wù)，所有參與其中的外方則需滿足向我方共享科研數(shù)據(jù)與成果的條件，如此一來就真正做到了全球資源為我所用。

第一批入選天宮空間站的外方科研項(xiàng)目

強(qiáng)大平臺(tái)+先進(jìn)運(yùn)營方案，可以說天宮空間站將成為我國航天工業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)體系快速發(fā)展的力量倍增器，我們將以前所未有的速度快速向前突破。

天宮空間站變重力科研機(jī)柜

許多國人每每談到中外科技對(duì)比話題時(shí)總有一個(gè)預(yù)設(shè)思維框架，就是我們要以一己之力PK全球，任何一個(gè)領(lǐng)域?qū)Ρ饶硞€(gè)國家有不足時(shí)都會(huì)有所抱怨，而天宮空間站就是以一己之力PK全球的經(jīng)典之作。