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2020大型空间站的组成和特点

中国2020大型空间构型图,根据目前规划,2020大型空间站由1个核心舱、2个实验舱组成,加上神舟载人飞船及货运飞船,共5个模块。

在先后掌握了载人飞船和货运飞船、空间对接与航天器长时间自主运行、航天员中期驻留等技术后,中国将在2017年以后开展大型、长期有人照料的空间站的建设工作,预计2020~2022年建成。但目前没有对2020大型空间站计划的详细介绍,官方只公布一些简单的介绍。

由1个核心舱、2个实验舱组成

空间站主要舱段将使用新一代的长征五号运载火箭发射,因此质量限制大为放宽,空间站将由1个21吨核心舱和2个20吨级实验舱组成,总发射重量超过60吨。空间站核心舱长18.1米、最大直径4.2米,分为节点舱、生活控制舱和资源舱,是航天员的主要活动场所,也是空间站的管理控制中心。核心舱的节点舱段拥有5个对接口,用于对接实验舱和载人飞船,是空间站的联系枢纽,另外在资源舱尾部还有一个对接口,用于对接货运飞船。两个实验舱长度均为14.4米最大直径4.2米,是开展空间实验的主要舱所,也可供航天员临时生活,其中实验舱I还有部分控制功能。

各舱段具备自主飞行能力

类似于苏联的和平号空间站,中国的空间站各个舱段均为独立的航天器,具备自主飞行能力,这种设计增加了舱段本身的设计制造成本,从技术上说要逊色于国际空间站的设计。国际空间站俄罗斯的主要舱段具备自主飞行能力,但美国、欧洲和日本的舱段使用航天飞机运输并交大型机械臂安装,本身没有自主飞行能力。美国设计的CBM通用对接机构也更为简单,省去了自主飞行控制和精密对接机构的成本。不过从另一方面来说,具有自主飞行能力的航天器舱段虽然设计制造上较为复杂和昂贵,但避免了使用航天飞机这种复杂而昂贵的天地运输工具,降低了整体的建设成本。

人类三个大型空间站对比

前苏联和平号空间站拥有量子1号和量子2号、晶体、光学和自然舱共5个功能舱,外加核心舱总质量约130吨,是中国未来空间站的2倍。

国际空间站拥有15个加压舱段,外加桁架、4个大型太阳能电池翼以及其他设备总质量达到了空前的400吨以上。

人类历史上前后有前苏联和平号空间站、国际空间站两个大型、长期有人照料的空间站。

前苏联和平号空间站

和平号空间站是前苏联载人航天的巅峰之作,拥有量子1号和量子2号、晶体、光学和自然舱共5个功能舱,外加核心舱总质量约130吨,是中国未来空间站的2倍。但由于和平号使用较老的多舱空间站设计,布设太阳能电池翼上存在诸多不便,致使电力供应从来没能满足实验舱的需求。

为此,苏联解体前设计了和平2号空间站,与此同时,美国也开始规划自由号空间站(后被国际空间站取代)。两者都是航天飞机建设的大型桁架式空间站,通过大型桁架充分满足电力供应和非加压载荷的挂载需求。

国际空间站

前苏联解体后,此前美苏的太空争霸转变为合作,美俄决定联合建造国际空间站,同样使用桁架式空间站设计。国际空间站规模庞大技术先进,不过整个系统也极为复杂并且建设极为依赖美国航天飞机。国际空间站拥有15个加压舱段,外加桁架、4个大型太阳能电池翼以及其他设备总质量达到了空前的400吨以上。国际空间站具有分属美、俄、欧、日的4个大型试验舱,可以满足各类空间科学、天文与对地观测以及空间生命科学和航天医学需求。

中国未来空间站属于“小字辈”

中国在2020年前后建成的大型空间站核心舱和两个试验舱总计约60多吨,加上1艘8吨级的神舟飞船和1艘13吨级的货运飞船也不过是80多吨,这个质量不仅小于目前400多吨的国际空间站,也小于早已再入坠毁的约130吨的和平号空间站,甚至不如美国当年的空间实验室重。

尽管在规模上有所不足,不过中国空间站舱段性能上并不逊色。而且中国的空间站仅需要长征五号发射3次即可完成基本建设,不会陷入国际空间站那样早期10年大多数时间用于建设空间站以至于空间科研成果聊聊的尴尬。对比国际空间站的规模,中国自主建设独立运行的空间站上两个实验舱足以满足多数空间科学实验的需求。未来中国多项空间科学尤其是天文观测项目将以空间站为载体实施。

波音747-400客机、国际空间站、和平号空间站与中国规划中的未来空间站同比例比较。大型复合式空间站功能全面,同时也意味着建造开支、周期与风险的成倍增加。和平号空间站经历苏联解体风波,历时10年方才完工,国际空间站则经历了更多的拖沓,两者实际工程进度都比最初预计落后严重。但中国未来空间站则相对简单,仅需3次发射即可完成建设,贯彻了经济至上的原则。

中国空间科学研究水平较为落后

中国航天工业最早也是起源于东风4号、东风5号远程、洲际导弹的研制。图为早期长征2号运载火箭发射,这枚长征2号火箭箭体直接采用东风5号洲际导弹,而此时东风5号尚未完成研制。

空间站的主要作用是基础科学研究

在谈到载人航天工程时,有一点是常常为人所忽略的,这就是我们建造空间站、发射载人飞船的目的究竟是什么?

在载人航天发展之初,军用是首要目的,美国和前苏联都曾设想过或实际应用过载人飞船进行对地成像、电子侦察。但随着技术的进步,照相和电子侦察及其它军用航天任务都可以由无人卫星去完成,载人航天逐渐演变成美苏之间展示国力的政治性竞争。在前苏联解体后,美苏合作建设国际空间站,载人航天的主要目的已转变为基础科学性质的空间科学研究,主要是在空间站上进行前沿的空间科学实验。

中国空间科学研究水平较为落后

说到空间站项目的实际科学应用,中国空间科研的落后和能力的匮乏是无需讳言的。中国工业基础薄弱工业水平较低,自身工业发展缺乏发展高端基础科研的需求。这种形势下中国缺乏对基础科学研究的投入,同时长期以来缺乏对基础科研价值的认识。空间科学研究作为耗资巨大而收效缓慢的领域很难得到投资。

载人航天项目开始前,中国利用少数卫星进行了空间环境探测,如空间物理探测的实践一号和实践四号。此外还利用返回式卫星进行了空间生命科学、空间材料科学、空间微重力科学、航天新技术等一系列实验,但多为返回式卫星的富余能力搭载、规模有限。在空间天文上,第一颗专用天文卫星硬X射线调制望远镜提出十多年但命运多舛直到今年才立项。可以说中国空间科学研究不论是空间环境探测还是空间天文,或是微重力条件下的空间材料、空间生命和航天医学的研究上,对比发达国家都相对落后,尤其是相关载荷设备的技术水平有很大差距。

中国空间科学在人员上也有很大缺口,2007年国防科工委系统工程一司副司长张伟接受访谈时提到“空间科学研究人员数百人,与国外相比,队伍规模明显偏小”。

中国航天工业首要满足国防需求

制约中国空间科研发展的另一个障碍是中国航天工业曾长期由国防部门分管,长期以来主要满足第二炮兵的需求,一直到现在航天工业首要的目标也是满足国防需求,对军事任务毫无关系的空间科研项目兴趣寥寥。而进行科研的中科院等系统本身资金有限而且更倾向投入自己掌握的项目,因此中国空间科研的落后也就不足为奇了。

空间站为中国空间科学发展带来契机

神舟三号搭载的空间材料多工位晶体生长炉,开展了二元/三元半导体材料、金属/非金属合金及非晶合金材料制备及其相关工艺的研究,为开发新型材料提供了理论依据。

神舟、天宫拥有更好的搭载能力

载人航天工程的启动,为中国追空间科学研究赶发达国家先进水平提供了一个很好的契机,因为载人飞船、空间实验室比起返回式卫星有着更好的搭载能力。在神舟一号到神州六号飞船任务期间,中国以空间探测和空间科学实验为中心开展了数十项科学课题研究,进行了以高层大气为主的空间环境探测,对地观测、空间天文观测,还进行了以空间材料科学、空间生命科学和微重力流体物理学为主的数十项课题研究。

神舟二号的γ射线探测、神舟三号的多工位晶体生长炉、神舟四号的微重力流体物理实验室都取得了不错的成果。神舟七号任务期间除了进行了出舱行走,还进行了伴星一号飞行实验和固体润滑材料空间暴露试验。可以说,载人航天中的空间科学实验扩展了中国空间科研范围,提升了空间科研水平。

另外,神舟八号飞船任务中还将包括中国载人航天项目的第一个国际合作项目SIMBOX,这个空间微重力生命科学实验项目里中德科学家合作将进行17项实验,天宫二号任务期间还将进行国际合作的POLAR探测项目,用于γ射线偏振测量。中国在航天领域的优势是载人飞船、运载火箭等航天器技术较为成熟,并有较为充裕的资金保障。所以,利用航天器平台优势来展开国际合作,是提升国内空间科学研究水平的一条捷径。

由于外太空辐射强烈、温差变化激烈,航天器结构老化速度很快,所以国际空间站计划于2020年退役。

国际空间站退役为中国带来契机

受政治因素影响,美国一直拒绝中国参与国际空间站项目,空间科学项目对外交流合作也受到限制。但国际空间站将在2020年退役,中国未来空间站却计划于2020年建成,这一时间上的巧合也带来了契机。

美国在布什总统时代曾决定2014年左右放弃国际空间站,而国际空间站要到2011~2012年才能建成,届时欧洲和日本的实验舱只使用了几分之一的设计寿命而已,更不要说他们发展的货运飞船无处可去。现任美国总统奥巴马因此决定延长国际空间站寿命到2020年,但这个时间点恰好与日本和欧洲设想的首次载人飞船发射时间冲突,欧日的载人飞船以后飞向何处去,将是个有趣的话题。

不管国际空间站是否进一步延寿到2025甚至2028年,由于舱体的老化,中国2020年后建立的空间站都将是一个很有竞争力的空间科学研究平台。在手握核心资源的条件下,中国可以进行更广泛的国际合作,在合作中也将得到更多的实际利益,神舟八号的SIMBOX项目将是中国载人航天工程国际合作的开端。

结语

中国运载火箭专家、工程院院士龙乐豪在接受采访时曾表示,中国航天战略发展的原则是安全第一、可靠为要、经济至上,航天发展要具备可持续性。可以说,中国载人航天工程很好地贯彻了这些原则。

按照目前规划,中国2020大型空间站仅有3个舱段,总发射质量60多吨,与目前总发射质量400多吨的国际空间站相比,实属小字辈,甚至不如前苏联在上世纪90年代建成的和平号空间站。但中国的空间科学研究水平较为落后,目前来看,60吨级的空间站是够用的。在国际空间站退役后,中国空间科学将迎来很好的国际合作契机,未来再发展出一个规模适度、注重应用的载人航天系统是可以期待的。(文/张雪松 黄治茂)

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