中国的天宫空间站是第几代空间站?和国际空间站的区别在哪?

作者:太空精酿
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人类目前共有四代空间站,中国要建设的是一个相当于第三代空间站水平的天宫空间站,总大小在80-100吨级,有潜力扩展实验舱成100+吨级,预计在2022年完成,寿命十年,亦可通过维护延期。

相比而言,它比起目前420吨级的第四代空间站国际空间站的确要小一圈,但天宫对于我国而言已经是最佳方案。

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先从简述前三代空间站历史和特点说起。

1.基本背景

上世纪60年代末,苏联在登月项目的竞争中落败于美国后,便掀起了新一波的竞争:空间站建设。长期以来的载人航天实验、尤其是阿波罗登月的成功,验证了人类可长时间生存在太空中的可能性。在设想中,通过建立长期驻人的空间站,可以实现覆盖全球的军事侦察甚至潜在的作战目的。苏联于是将航天发展重心押在长期可驻人空间站,可发射大型任务的质子系列火箭也完全成熟。

2.第一代和第二代空间站

早在美国还在进行阿波罗登月的1971年,苏联便把极度军事秘密的礼炮一号(Salyut)送入太空,并在后续项目中尝试装载武器。

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在1971-1982年期间,苏联共计发射了9个重达18-20吨的空间站,其中7个取得成功,技术上分为两代。

第一代为实验飞行器性质,仅有一个对接口,意味着一次仅能对接一艘飞船,我国的天宫一号和二号也是类似功能。它们主要用来验证交会对接、出舱行走、长期在轨驻留等实验,用完就没有太大意义了。

第二代为长期驻留空间站,此时已经带有两个对接口,可一次对接两艘飞船。其中,三个军用的礼炮空间站还进行了秘密的武器试验,例如在礼炮三号上安装了图-22轰炸机自卫航炮作为攻击武器,无奈由于无法解决武器发射时导致的旋转问题被迫放弃。

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苏联的第二代空间站已经相当强大,礼炮6和7号都迎来了巨大成功。

在苏联压力下,美国方面也毅然转向空间站建设,由于庞大登月火箭土星五号的存在,他们只需将其中一级(Saturn IV-B)改装成空间站结构,即可一次性发射超大空间站进入太空,比起苏联的单模块空间站拥有巨大的优势。

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在1973年5月14日,美国通过一枚土星五号运载火箭,将巨大的天空实验室送入太空。它重约80吨,内部体积达到了368立方米,大约相当于一栋120平的房子飞在空中,前后接待了三批宇航员,载人任务于1974年2月8日结束,任务非常短暂,随后天空实验室被封闭,于1979年7月11日返回地球大气层烧毁。

从性质来讲,天空实验室仅有一个对接口,也属于第一代空间站。这也符合它的定位,很大程度上是赶鸭子上架为了应对苏联压力上马的。无论是火箭还是空间站都极其昂贵,载人飞船还是阿波罗登月飞船,太贵了,即便是财大气粗的美国也无力以该火箭维持空间站的运行。

3.第三代空间站

但苏联方面则继续发展第三代空间站作为载人航天的延续。

天空实验室任务周期内,苏联恰好处在礼炮2号无法使用、宇宙-557刚刚失败、礼炮3号尚未发射的阶段。在政治和军事压力下,苏联官方提出了更新一代大型空间站的任务,第三代空间站于1976年开始论证,正是和平号空间站的前身。

和平号的最大特点是模块化组装,这意味着空间站建设需要通过近地轨道集合的方式完成,降低了每次航天发射的载重需求,每一个模块也可以在保证接口一致的情况下具有完全不同的独立功能。计划中的和平号核心舱,也由礼炮7号升级而来,更新了太阳能阵列(从硅材料到镓)、新型计算设备、增加接驳坞站到6个等,总重升级到20.4吨,宇航员活动的加压空间达到90立方米,火箭可以满足需求。在随后10年内,通过一系列重要任务,和平号逐渐完成了主体的搭建,期间苏联解体,新成立的俄罗斯重新恢复了与美国的航天合作,和平号也因为和美国航天飞机计划合作而修改了一定建设方案(原计划对接苏联暴风雪号航天飞机),新增了光谱号、对接舱和自然号三个舱段,全貌看起来大概这个样子。

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建成后的和平号成为了一个围绕核心舱建设、总重129.7吨、350立方米内部加压空间的庞然大物,运转在距离地球上空400千米高处。由于对接舱的存在,和平号能够直接与美国的五架航天飞机对接(实际上是亚特兰蒂斯号7次,发现号1次,奋进号1次),如果考虑到航天飞机自身重量,整个空间站的最大重量可以高达249吨。期间,先后有31艘联盟载人飞船(其中1次为新型联盟TM飞船无人测试)和62艘进步号货运飞船对接和平号,取得了巨大成就。

和平号空间站是礼炮号系列空间站的技术结晶,作为国际空间站发射前全球最重要的空间站,也是唯一的第三代空间站,它奠定了多舱模块化组装、积木式结构方式搭建长期可驻留空间站技术的发展,将主体结构、能源控制系统、轨道和姿态控制系统、计算机系统、环境与生命维持系统、宇航员生活与工作区域、载人和货运驳接、出舱行走和气闸舱、科学研究等模块优化布局糅合或分列在不同舱段内,效率大大提升。

和平号实现了83.2%生命周期内驻人(4592/5519天),共计接纳了来自12个国家的135名宇航员在此工作与生活,他们完成了78次出舱行走并完成海量实验,这些数据指标都远超此前所有载人航天任务的总和。于此同时和平号上的宇航员也成为研究人体航天医学的最佳数据来源,在任务周期内,和平号有多人创造了单次滞空记录,人类历史上三次达到或超过一年的记录均来自和平号空间站宇航员: Valeri Polyakov滞空438天,Sergei Avdeyev实现380天,Vladimir Titov和Musa Manarov实现365天。

这说明第三代空间站已经足够强大,能实现绝大多数空间科学研究和应用功能,我国的天宫也是这个思路。

4.第四代空间站

90年代初,随着苏联解体、俄罗斯建国,和平号成为了两个超级大国航天和平合作的契机。在苏联计划发展下一个和平号空间站时,美国也在计划发展自家的自由号空间站(Freedom)。俄罗斯独立后,二者的空间站方案一拍即和,决定共建一个空间站,同时接受世界上主要国家加入的申请,这个方案便是自1998年运行到今天的国际空间站,它已经是个标准的第四代空间站。相比较第三代空间站,桁架结构的使用则使得整个空间站结构更大、功能更加复杂。随着和平号的陨落,国际空间站成为整个人类载人航天的宠儿。

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国际空间站的建设比起和平号复杂许多,它需要的组合部分更多,功能要求更强。可以从建设过程明显看出,桁架质量甚至超过了普通舱段。自从1998年11月20日俄罗斯发射第一个主要舱段曙光号起,一直到今天仍在进行建设过程,主要建设过程由美国的航天飞机计划完成。由于大型结构的使用,它绝大部分部分建设甚至只能由航天飞机完成,然而航天飞机极其昂贵,平均每15亿美元一次任务!

时至今日,国际空间站已经成长为一个宽109米、长73米、高20米、重达419吨、内部容积916立方米的空间巨无霸,相当于一栋七层楼高的小型体育场。自从2000年11月2日首次载人任务以来,它已经连续保持了19年载人飞行,驻扎国际空间站的宇航员被叫作远征队(Expedition)成员,每批保持在6位。目前国际空间站还有每年8次左右货运对接和4次左右载人对接,一个批次的宇航员停留时间大概半年左右。

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20年来的运转,国际空间站完成了数不清的科学实验,为人类科技进步和航天技术发展做出了巨大贡献。它是人类载人航天的最高技术体现,也孕育了各个国家的各种载人航天相关器具,例如美国的航天飞机(载人/货运)、龙飞船(货运)、龙-2飞船(载人)、天鹅座(货运),俄罗斯的进步号(货运)和联盟号(载人),欧盟的ATV(货运),日本的HTV(货运)。它的特殊环境也促使了国际上关于天文观测、对地遥感、航天医学、植物育种等多方面技术的快速进步,成为一个独一无二的科研平台。目前它依然处在很好的运营状态,除役时间在逐渐延期。

5.我国天宫和国际空间站为什么设计方案不同?

可以从前文明显感觉到空间站的发展历程有以下特点:

a.相对于第一和二代空间站,第三代空间站已经是一个非常大的跨越,全方位的。第四代空间站的确可以依赖桁架式结构做到更大更强,但并没有巨大的优势。具体的区别前文介绍过了。

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b.大型空间站往往需要更加强力的运载器具,国际空间站离了极其昂贵的航天飞机是根本不可能建成的,但这也导致它的建造费用爆增,20年来总费用超过了2000亿美元!我国目前最强的长征五号与质子K是同一级别火箭,不足以建设大型桁架式的结构(体积问题),或者强行改第四代空间站方案建造费用将是个天文数字;

c.国际空间站的运营费用已经极高,例如国际空间站常年保持6人在轨生存,半年左右进行轮换。目前俄罗斯联盟号载人飞船是唯一运载工具,一张船票就需要8100万美元,太贵了!而维持运行也需要大量货运飞船前往,费用极其高昂。每年单美国就需要花费15亿美元预算在国际空间站,这个价格基本足够中国完成嫦娥探月工程。

因而,对于我国而言,选择建立一个第三代空间站已经足够完成绝大部分任务目标。长期保持3人在轨运行,用现有的长5(重型建设工作)、长7(天舟货运飞船)和长2F(神舟载人飞船)火箭即可支撑,性价比显然要高很多。如果顺利,2020年开建,2022年就可建成并投入不亚于10年的运营。

实际上,天宫空间站方案也很灵活。在运行中,天宫空间站将同一个光学舱段共轨飞行。该光学舱是一个十几吨的大型巡天望远镜,在很多指标上都接近甚至超过哈伯太空望远镜,视场角是哈勃的300多倍。这种方案减少了对望远镜的干扰,同时如果望远镜出类似哈勃曾经的质量问题时,也方便维护升级。

同时,核心舱还保有备用对接口等,如有需要可以将天宫空间站进一步升级成更大版本。这些设计理念是非常先进实用的。

我国航天依然处在追赶阶段,有太多地方需要花钱,即便再怎么多快好省也要避免航天人“巧妇难为无米之炊”的窘境,天宫空间站保持一个超高性价比建设和运营方案,对于我国是最优解。

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