天宫空间站系统设计与技术特点

2021年4月29日, 我国天宫空间站天和核心舱从海南文昌航天发射中心成功发射入轨, 标志着我国空间站工程进入任务实施阶段, 载人航天空间站时代的大幕已开启。天宫空间站作为世界上第三座多舱段在轨组装建造空间站, 在系统设计上充分借鉴了和平号空间站和国际空间站的经验教训, 坚持立足我国基本国情, 走出一条创新型跨越式发展道路。总体来看天宫空间站技术特点主要体现在系统集成设计优化、新技术比重大、费效比高、注重航天员安全和高效工作、扩展空间大等方面。

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注重系统级集成设计, 追求整体最优

图1 天宫空间站舱段组成

天宫空间站整体构型设计借鉴了和平号空间站“积木组装”式的构型特点, 但为了避免和平号空间站太阳电池翼遮挡严重的问题, 进行了两方面改进: 一是各舱段布局于同一平面内, 减少舱段间的舱体相互遮挡; 二是借鉴了国际空间站通过桁架将太阳电池翼布局于两侧以减少遮挡的设计, 通过两个实验舱对置, 利用单舱近20m长的主结构及舱段尾部小桁架, 将太阳电池翼布局于整体构型的两侧, 保证发电效率。

天宫空间站充分发挥了新型举国体制优势, 在系统层面进行了高度的一体化设计, 避免了国际空间站由不同国家联合研制带来的技术体制不统一、整体优化程度不高的问题，统一且合理分配三舱的功能。同时整站充分利用了快速发展的先进信息网络技术, 实现了舱段间高效的系统融合和重构, 提高了空间站整体能力和系统可靠性。

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跨越式发展, 新技术比重大

新技术比重大是天宫空间站跨越式发展的重要体现, 其采用的空间机械臂技术、物化式再生生保技术、大面积柔性太阳翼技术等均为我国首次在轨开展应用的全新技术, 应用难度大、风险高。例如在空间机械臂技术方面, 天宫空间站配置有大小两个机械臂，大小机械臂可通过在轨组合级联使用, 提升操作范围和精确度, 相较国际空间站主要采用单一机械臂进行在轨操作的设计, 具有更大的任务灵活性。

图2 天宫空间站大机械臂

图3 柔性太阳电池翼在轨展开

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规模适度, 费效比高

天宫空间站通过整体统一优化设计, 建成后在控制、信息、能源、资源再生利用、应用效益等方面均将达到当代国际先进水平, 并在一些方面有所超越, 在建造和运营上更为经济合理。例如天宫空间站站上共安装实验机柜25个, 国际空间站安装实验机柜31个, 天宫空间站以约国际空间站1/6的重量, 提供了约4/5的实验机柜数量, 体现了很高应用支持效率。

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以人为本, 工作生活安全高效

天宫空间站研制坚持以人为本的理念, 一方面确保航天员在轨驻留的安全舒适, 另一方面注重支持航天员主观能动性的有效发挥, 体现人在空间站建造和运营中的独特作用。天宫空间站充分利用地面成功应用的新技术提高航天员生活和工作的便捷性和舒适性，在舱内外设置无线WiFi网络, 通过智能手机、平板电脑控制实现空间站智能家居管理、智能物资管理和天地网络通话。为支持航天员与机械臂的高效人机协同工作, 在天和核心舱内配置了机械臂操作台, 可由航天员操控机械臂完成出舱活动作业点调整、在轨巡检等任务。

图4 航天员天地通话

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着眼未来, 扩展空间大

天宫空间站在方案设计阶段即对未来的扩展方案进行了统筹考虑。在现有三舱构型基础上, 预留了机、电、热等扩展接口, 具备扩展对接3个新舱段形成约180t六舱组合体的扩展能力。

图5 空间站六舱扩展组合体构型示意图

未来天宫空间站作为我国国家级太空实验室将在轨运行10年以上, 实现中国人在太空的长期连续驻留, 并有望在空间科学技术方面取得突破性进展, 不断扩展人类探索太空的广度和深度。