前端工程设计

　　分析称天宫一号验证技术天宫二号为目标型号　　新浪航天讯 今年10月27日，中国载人空间站工程正式启动实施。珠海航展上，中国航天展示了空间站模型，令参观者印象深刻。　　中国国家级空间站尚没有命名，在此称为“国家空间站”。这是中国载人航天921工程第三步规划需要的目标，2020年前发射核心舱和实验舱，在轨组装成载人空间站雏形，随后发射各个舱段与空间站对接、组装，构成国家空间站。规模不超过俄罗斯和平号空间站，遵循适度发展原则，以节约开支。即便如此，国家空间站的规模也很大，结构十分复杂，加上目前披露的信息非常少，对其科普和报道具有是十足的挑战。　　2016年前，是空间实验室的实施阶段，2016年后才投入空间站建设。空间实验室和空间站是既有联系又有很大区别的两个概念。空间实验室的寿命不大于五年，空间站拥有五到十年的寿命，甚至更长。空间实验室规模较小，对接口少，缺乏扩展能力，空间站至少两个对接口，能同时对接载人飞船和货运飞船、各舱段。航天员在空间实验室短期逗留，最多几十天，而航天员在空间站长期工作，多在百天以上。空间实验室补给物资一次携带，空间站定期利用货运飞船补给。空间实验室携带的各种设备一般一次性使用到寿命，空间站可以多次更换设备和逐步增加设备。航天员在空间实验室展开训练、实验等方面的任务，而空间站航天员还要经常出舱，建设和维修空间站。空间实验室技术难度较少，通常作为空间站技术的实验平台而建造。　　国家空间站的建设拥有后发优势，可以利用美国、俄罗斯的成功经验，多快好省的完成建设任务。国家空间站借鉴了和平号空间站的建设思路，多舱段对接，灵活布局，而国际空间站拥有巨大的桁架结构，组装出多个功能舱段以后才投入使用，然后积木式搭配舱段。国际空间站优势明显，整体规划分批建设，功能齐全，但是建设旷日持久，建设初期的很长一段时间无法使用。国家空间站布局灵活，配置方便，发射初期即可投入使用，但是受舱段功能的限制较多，功能和使用的局限较大。形象的说，建设国际空间象在荒地上建设别墅一样，先将主体建筑如卧房、客厅一起造好，然后再造厨房、车库等建筑。国家空间站在荒田上先建个茅草屋当客厅和卧室，然后在旁边续建茅草屋，这个是厨房，那个是卫生间的不断扩充，其中最重要的是尽快建一栋秦砖汉瓦排场阔绰的客厅，迎接四方宾客。　　国家空间站拥有一个对接舱，这是空间站结构的核心。对接舱相当于一个万向接头，一个正方体有六个面，每个面都可以设一个接口，六个面可以有六个接口，对接舱外部有六个接口，内部是通道。模型显示舱段占据四个方向，飞船占据两个方向。空间站必须将为神舟载人飞船留一个接口，供航天员往返地球，必须为货运飞船留一个接口，补充空间站物资。空间站还有长期工作的航天员，也需要一艘神舟飞船往返地球，空间站其中一个舱段双向接口，一头与对接舱连接，一头连接神舟飞船。这样，国家空间站拥有1个对接舱，4个功能舱段，2艘神舟飞船，1艘货运飞船。国际空间站3名宇航员配置的时候，拥有1艘待命的联盟号飞船，飞船可以在空间站待命半年。下一艘联盟号飞船访问空间站，可以交换工作人员，或者短期访问后离开，但是返回地球的航天员必须乘坐前一艘飞船离开，将后一艘飞船留在空间站当紧急救生飞船待命。这种使用流程是因为飞船受空间限制，使用寿命只有半年，用轮替方式保证空间站航天员在紧急情况下有救生飞船逃生。国家空间站使用流程应与此相同，将两个接口分配给神舟飞船。货运飞船定期飞抵空间站，需要一个接口，理论上可以使用分配给神舟飞船的接口，但是会给长期使用的计划安排带来很大困扰，应该给一个专用接口。　　国家空间站的四个功能舱段都是双舱体制，分为实验舱和资源舱。实验舱是短粗的圆柱型，体积、直径比飞船大，由密封的前锥段、柱段和后锥段组成，前端安装一个对接机构。资源舱一方面为轨道机动提供动力，另一方面为飞行提供能源，前部与实验舱固定连接，与实验舱一齐发射上天。圆柱型资源舱直径比实验舱小，比神舟飞船大，前部外表面有三道环状加强筋结构，后部外表面两层环状分布多个推力器喷管，中部有一对太阳能帆板提供电力能源。功能舱段在天宫一号目标飞行器的基础上发展而来，4个功能舱段的外形都有区别，分成两种结构，其中一种是天宫构型，另一种在资源舱后部加长一段，扩大了使用空间，同时将资源舱对称布置的太阳能帆板和推进装置移到增加的后部舱室上。两端都有接口的舱段应该是空间站的“客厅”，或能称为服务舱，这个舱段直径较小的资源舱与对接舱连接，而其它舱段是实验舱与对接舱连接。服务舱另一端连接一艘神舟飞船。　　长期有人照料空间站必须要有推进装置。美国“天空实验室”轨道高度约435公里，没有轨道维持能力，主要受轨道上稀薄大气造成的阻力影响，6年后坠毁在大气层。空间站如果运行在200-300公里的轨道上，如苏联礼炮号系列空间实验室，每天下降约3公里，寿命只有几个月。在这个轨道高度，维持轨道不变，每天需要消耗15公斤推进剂，两个月就要900公斤推进剂，所以空间站轨道高度都比较高，不选择200-300公里高度。空间站轨道如果比较高，飞船要消耗动力才能飞抵，如果轨道位置较低，飞船消耗的动力少，但是空间站轨道维持消耗的推进剂就多。空间站可以设计成从较高轨道机动到较低轨道，迎接载人飞船，逗留一段时间，等航天员轮换完毕，神舟飞船脱离空间站以后，空间站再返回较高位置。国家空间站建站初期可以采用高低轨道切换方式，具备一定规模以后，轨道切换将给任务计划带来严重困扰，应使用较高轨道固定运行方式。根据计算，500公里高度轨道维持，每天仅需要消耗0.35公斤推进剂，国家空间站可能选择这个轨道高度，也可能在400公里以上轨道运行。国际空间站的运行高度是397公里，需要使用现有的和未来的各种运输工具，轨道高度较高会给运输工具的设计带来很多难度，国家空间站运输工具只有载人和载货飞船两种。运输工具人货分离，分别运输，现有的神舟飞船就能节约很多重量，维生消耗物资可以从空间站取得，飞船仅需要携带少量消耗品，有重量空间分配给推进系统，可以接受空间站较高的轨道位置。　　根据计算，航天员每天需要消耗氧气0.8公斤，食物0.7公斤，水8.5公斤，共约10公斤。如果洗涤用水重复回收使用，每天消耗5公斤重量。如果尿液净化处理再循环使用，消耗重量还可以有较多降低。美国航空航天局(NASA)耗费巨资开发了国际空间站的尿液循环利用装置，颇让公众觉得搞笑，但是对航天界来说，这是巨大的技术进步，能够节约空间站维持费用。现在讨论国家空间站货运飞船发射间隔太早，随着技术进步，空间站日常重量消耗可以降低很多。从目前的情况来看，国家空间站需要每两个月补充一次物资，达到货运飞船三个月补充一次物资的频率应该能够有望实现。　　当然，随着新一代大推力长征五号运载火箭投入使用，开发一种大载重量的新型货运飞船也是可以的。国家空间站模型比较简略，展示的3艘飞船其实都是拥有气闸舱段的神舟，货运飞船存在较大变数。货运飞船疑问带来一系列复杂的技术解释，直接涉及空间站的建造全过程，在此略加说明。国家空间站载人飞船是神舟，货运飞船有两种构思。第一种构思是新研制大载重量货运飞船，其中又分两种。第一种在天宫一号目标飞行器的基础上改为货运飞船，可以携带5.5吨的货物，发射重量13吨，可以使用长征七号运载火箭发射。长征七号是长征2F换用液氧煤油推进剂的型号，研制难度较低，安全性能有望达到长征2F的水平，这是最有可能的方案。第二种是使用长征五号运载火箭，研制更大重量的货运飞船。根据国外情况和国内论证，国家空间站核心舱段重20吨，并且直径在5米以上，长征七号运载能力远远不足，而长征五号低轨道运载能力达到25吨，可以运送核心舱段。可以在核心舱段的基础上改进发展出新型货运飞船，这个方案受长征五号成熟度制约。　　中国天宫一号与美俄空间试验室技术差距较大　　火箭发射载人飞船，可靠性要求最高，避免发射失败；发射货运飞船，可靠性要求可以降低一些；发射空间站舱段，可靠性要求还可以降低。可靠性设计不可能达到100%，但是可以无限趋近100%，随着逼近可靠性上限，开发费用急剧上升，直到无法承受的地步，所以火箭可靠性设计受经济性制约。考虑开发费用和研制进度以后以后，长征五号火箭最初用于卫星发射，满足可靠性要求以后就能发射空间站核心舱段，但是还不能发射货运飞船。从承受失败的角度来说，核心舱段发射失败，只让空间站建设滞后，损失一大笔钱和消耗不少建设时间，不会对整个工程构成致命打击。发射货运飞船失败，就要查找故障原因，一段时间内就不能发射货运飞船了，而空间站需要维持，等不了那么长的时间，只能让航天员返回地球，这对整个工程造成严重影响。货运火箭可靠性要求比较高，以便满足每年多次成功发射的要求，但是一种新火箭投入使用以后，必须要靠很多发射积累经验以期日臻成熟，长征五号快速达到货运火箭的要求面临很多技术-经费-时间的制约，用于国家空间站货运飞船发射工具较为冒险。第二种构思技术难度最小，神舟简单改进，取消航天员维持设施和货运无需的设备，作为货运飞船使用，这种货运飞船可以使用成熟可靠的长征2F火箭发射。俄罗斯进步号货运飞船就由联盟号飞船改进而来，载重量2.5吨，神舟飞船与联盟号类似，改装的货运飞船也有2吨多的载重量。神舟货运飞船方案载重量太小，只能满足国家空间站初步建设需要，空间站正式运行势必带来发射频繁的弊端。　　综合上述情况，神舟货运飞船可以在空间实验室阶段使用，也可以作为应急货运飞船用于空间站，技术难度最小，甚至可以直接发射载人飞船，用作货运。在神舟基础上发展货运飞船显得有些不值得。目前披露的信息是将天宫改为货运飞船，用于空间实验室／空间站建设。其中的变数是长征七号运载火箭的开发进度，换推进剂以后，需要一定的成熟时间，可能在时间上赶不上空间实验室的建设，但是对空间站建设而言，时间充分，国家空间站应该选择这种方案。配备长征五号的货运飞船是空间站建设远景思考，要待日后详细研究是否需要，天宫货运飞船已经满足空间站需要，目前不用考虑这个方案。神舟货运方案有可能在近期建设空间实验室阶段投入使用，目前没有进一步消息。　　明年春，天宫一号目标飞行器和神舟八号无人飞船陆续上天，拉开空间实验室建设的帷幕。空间站各舱段对接组装而成，既可以通过接口增加舱段，也可以方便的抛弃寿命到期的舱段，所以空间实验室和空间站建设留下“无缝链结”的可能性，空间站是否有利用一些空间实验室舱段的可能。　　天宫一号寿命只有两年，远远等不到2020年空间站建设的时候。在2006年珠海航展一个不起眼的角落里，展示了一个具有两接口的空间实验室模型，这个模型长期令人费解。现在获知，天宫一号只有一个接口，同时天宫一号成为纯试验品，完成试验即废弃，2006年模型转为天宫二号的任务。这又带来一系列复杂解释。中国航天向来有着出色的顶层规划，但是在具体实施过程中，会视情况调整改变方案部署。如中国第一颗东方红一号卫星，最初的设计功能完善，后因赶不上进度，砍掉很多功能，发射上天的是阉割版的卫星，第二颗卫星实践一号才达到最初的研制目标，一颗卫星变成两颗卫星既保证进度，又保证航天需要。眼下大红大紫嫦娥二号月球探测器同样情况，首先上天的嫦娥一号出于确保成功等诸多技术考虑，对可靠性做了较大妥协，搞成阉割版，嫦娥二号才达到设计初衷。这种情况在天宫一号项目上重演，因为技术跨度比较大，技术储备又比较少，中途更改设计，双接口改为单接口。2006年双接口模型已经转为天宫二号。需要说明的是，经常出现阉割版的情况是初始目标定高了，航天的本意是尽量为国家节省投资，希望一次发射获得尽量多的成果，因为计划执行中出现诸多情况而选择分步走。　　从国外经验来看，接口数量至少有两个才能保证空间实验室的功能实现。空间实验室可以由飞船提供动力协助轨道维持，无人运行期间才由自身动力提供轨道维持。如果寿命比较长，空间实验室推进系统耗尽推进剂，就要补充。推进舱段总是在尾部，避免启动发动机对其它舱段造成影响，同时尾部也留给推进剂补充对接口使用。当然，补充推进剂有多种方式，不一定需要从推进舱对接。从国家空间站模型来看，各功能舱段资源舱尾部都有喷口，不能增加对接口，早前有一张空间站模拟图片曾经出现的推进剂对接口也不见踪迹，这可能显示模型是目前的阶段性设想，真正的国家空间站外形要在日后揭晓，也可能放弃对接加注推进剂方案。模型显示空间站拥有充分灵活性，服务舱拥有两个接口，可以两头都和对接舱连接，增加一个对接舱就能增加五个接口。也可以使用双服务舱结构，再发射一个服务舱，两个服务舱对接，服务舱另一个接口再对接增加的对接舱。空间站拥有充分的扩充能力。　　受火箭运载能力限制，天宫一号只有8吨重，与美国、苏联的空间实验室差距较大。天宫一号主要试验交汇对接技术，掌握数据测量、轨道控制、生产制造等技术难点，神舟八号飞船与天宫一号展开无人交会对接试验。然后在两年内发射神舟九号、神舟十号飞船，分别与天宫一号完成空间交会对接等试验任务，为建造空间实验室积累工程经验。因为神舟飞船的三次飞行主任务都是交会对接，所以天宫一号被称为目标飞行器，表示是交会对接试验中的被动目标，此时飞船称作追踪飞行器，主动接近目标飞行器。　　天宫二号是试验空间实验室，与天宫一号类似，双接口保证了扩展能力的拥有。主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等试验。待长征七号研发成功以后，发射更大的天宫三号，建设正式的空间实验室。主要完成再生生保关键技术试验、航天员中期在轨驻留、货运飞船在轨试验、空间科学和航天医学试验等。其中天宫三号如果使用长征七号运载火箭，重量体积都受限制，难以成为空间站功能舱段。目前信息很少，变数太多，有待日后进一步观察。天宫三号也可能使用最简单的方式，在天宫二号基础上改进，与天宫二号对接，构成小型空间实验室，这种方式多快好省，但是很难支持到空间站建设的那一天。如果天宫三号更大，寿命更长，倒是可以在空间站建设初期发挥作用，发射节点舱与之对接，然后发射空间站核心舱段再次对接，天宫三号到寿命就抛弃，达到空间实验室与国家空间站的无缝链结。从中国航天一贯谨慎的作风来看，这是最有可能的可持续载人航天发展方案，避免出现中断情况，天上始终有实验室在运行。航展一个图板显示了空间实验室想象图，可能就是天宫三号，比较意外的是拥有一个多接口的对接舱，显示目前有可能在考虑延长天宫三号使用寿命，坚持到空间站建设的那一天。　　目前计划是，天宫三号空间实验室运行到2016年就结束任务，等待2020年左右发射核心舱段，建设国家空间站。国家空间站模型充分显示中国航天遵循技术积累原则，和耐心、有序、稳妥的作风，国家空间站完全有可能在预定时间内达成目标，我们有理由对国家空间站的建设充满信心！ 参考资料： http://mil.news.sina.com.cn/s/2010-11-16/2206619386_2.html