2021年04月29日 12:16:38
來源：果殼
4月29日11時22分，新一代運載火箭長征五號B將中國迄今最大的航天器“天和”號核心艙送入預定軌道，標志著中國空間站時代即將開啟。
長征五號B火箭點火升空，將天和號核心艙送入軌道 | Tea-tia攝
當今最重單體艙段
所謂空間站，是一種在近地軌道上長時間運行的，可供多名航天員長期駐留工作生活、開展空間實驗的載人航天器。
人類載人航天歷史上曾經出現過四個系列共12座空間站。1971年第一座空間站“禮炮”1號升空，質量為18噸。半個世紀后的今天，唯一在軌運行的國際空間站總質量達到了420噸，宛若一座太空宮殿。
1992年9月21日，中央政治局常委會批準我國載人航天工程按“三步走”發展戰略實施：
第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗；
第二步，突破航天員出艙活動技術、空間飛行器的交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題；
第三步，建造空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。
經過前期任務的順利實施，多項關鍵技術實現突破。如今，“三步走”的最后一步就在眼前，神話傳說里的天宮即將成為現實。
建成后的天宮空間站渲染圖 | CNSA
中國未來的空間站被命名為“天宮”，將由1個核心艙 + 2個實驗艙組成，形成“T”字形結構，可以靠泊1艘貨運飛船和2艘載人飛船，如果將以上這些都算上，質量將達到100噸左右。
空間站中最關鍵的一個組件是核心艙，被命名為“天和”。它全長16.6米，最大直徑4.2米，發射質量為22.5噸，是我國研制的最大航天器，也是21世紀以來全球范圍內發射的最大最重的航天器，超過了國際空間站上任意一個密閉艙段。
核心艙可分為資源艙、生活控制艙和節點艙。資源艙為空間站提供電力、燃料等必需資源。生活控制艙又分大柱段、小柱段，是航天員生活和工作的主要場所。節點艙是空間站的對接樞紐，用來連接各個艙段及飛船。
核心艙結構示意圖 | CNSA
從位置上講，核心艙位于空間站“T”形架構的主干上，以后實驗艙、載人飛船和貨運飛船都將與它連接。如果將來空間站要擴建，會將兩個核心艙相連，形成一條主軸，這種桁架式的結構也是未來空間站的發展趨勢。
從功能上講，核心艙是整個空間站的大腦，是當仁不讓的“核心”。它集成了控制系統、計算機系統、通信系統、消防系統、空氣處理系統、廚房、衛生間、睡眠區等。如果用三個簡潔的關鍵詞對核心艙的功能進行概況的話就是：管理、控制、生活。
天和號核心艙正樣 | CMS
四大“神器”令人驚嘆
這次發射的核心艙外形炫酷，體型碩大。然而，你是否知道它所攜帶的“神器”有哪些？
第一，電推發動機
電推發動機是一種不依賴化學燃燒就能產生推力的設備。它將太陽能轉化為電能，電能再轉化為機械能，具有比沖高、推力小、精度高、壽命長等特點。由于電推發動機不再需要使用固體或液體燃料，因而省去了很多復雜的機構，不僅能大幅減少航天器對燃料的需求，也能大幅減輕航天器的重量。
“天和”號核心艙上配置了大功率LT-100型霍爾電推系統，等到空間站建成后，一年只需發射一艘13噸級“天舟”貨運飛船就可以滿足燃料補給需求，而這方面國際空間站每年需要發射4艘貨運飛船。
第二，砷化鎵太陽能電池
“天和”號核心艙上使用了目前世界上最先進的三結砷化鎵太陽能電池翼。它的光電轉換效率高達50%以上，而傳統的晶硅電池通常只有20%左右，理論上限也只不過33%。此外，它還具有很好的耐溫性，250℃高溫也能正常工作。
在“天和”號上使用的太陽翼單側翼展為13米，而明年將發射升空的“問天”號和“夢天”號兩個實驗艙的太陽翼單側翼展將達到30米！屆時，“天宮”號空間站的供電能力將達到100千瓦，而體量是“天宮”號4倍的國際空間站只能提供80余千瓦電量，而且還必須外掛散熱片。
正在接受光照測試的砷化鎵柔性太陽能電池翼
第三，機械臂
“天和”號上還裝備了一只強大有力的“手臂”——長約10米的七自由度機械臂，包含2根臂桿、2個末端作用器、2臺手眼相機和2臺肘部相機。它能夠在太空中輕松抓取重達25噸的物體，真實模擬人的手臂靈活轉動，將物體運送至空間站外部的任何位置。它甚至還能通過選擇合適的轉位基座實現艙外爬行。
機械臂的主要功能包括空間站艙段轉位與輔助對接、懸停飛行器捕獲與輔助對接、支持航天員出艙活動、艙外各類負載搬運、艙外狀態監視檢查、艙外設備安裝、更換或維修等。
機械臂是空間站的核心技術之一，當今世界上只有極個別的國家掌握。比如目前國際空間站上使用的是加拿大斯巴宇航公司生產的第二代空間站遙控機械臂系統，俗稱“加拿大臂2”。加拿大也因這項重要貢獻獲得了國際空間站3%的使用權。
國際空間站上的“加拿大臂2” | NASA
第四，節點艙
節點艙是組件多艙體空間站的重要部件之一，有了它，空間站才能像搭積木一樣越建越大。雖說它是空間站的“標配”，但“天和”上的節點艙卻有著獨到之處。
它作為核心艙的一部分，是最早進入太空的艙段之一。它像立方體一樣提供了前、后、左、右、上、下六個方向的接口，其中前向接口與生活控制艙相連，左右兩個方向專門用于“問天”和“夢天”兩個實驗艙的停泊，軸向對接口和對地方向對接口主要用于飛船的對接或停泊。
天和號節點艙，正前方的即為軸向對接口
節點艙所有的對接口將同時適配“神舟”載人飛船和“天舟”貨運飛船。加之核心艙的資源艙一側也有一個對接口，這樣就可以同時停靠3艘飛船，至于是載人還是貨運，理論上講可隨意搭配，具有很大的靈活性。
另外還剩一個對天方向的通道，并非對接口，而是出艙口。這是為便于航天員在空間站初建階段進行出艙活動而專門設計的。因此，節點艙還充當了氣閘艙的作用，真是“一專多能”。
天和號節點艙，有護欄的為航天員出艙口 | 中國航天科技集團
未來天宮驚喜多多
與航天強國相比，中國空間站的建設起步較晚。從時間上看，比“禮炮”1號晚了50年，比“和平”號晚了35年；從規模上看，“天宮”也遠比不上國際空間站。但是，它也具備自己顯著的優勢和特點。
首先，充分利用最新技術
在“天宮”號空間站上集中體現了近20年來能源技術、材料技術、空間探測技術、再生生保技術、科學研究設備等諸多領域的最新成果。雖然我們起步晚，但是起點很高。
其次，獨立研發標準統一
國際空間站有16個國家參與建設，但是各國產品并未完全統一標準，例如美國NASA、美國SpaceX（龍飛船）、俄羅斯、歐盟等艙段對接口的制式都不相同，必須改裝或加裝轉接口才能相互連接；實驗室的標準也不盡相同，各做各的。
由于“天宮”號空間站完全由中國自主研發，有著更好的標準化設計，減少了不必要的浪費。
天宮號空間站整體結構 | POCKN
第三，科學實驗覆蓋全面
“天宮”號空間站目前的設計方案與幾年前有著巨大的變化，這是因為在論證及研發過程中，充分考慮了各方面的需求，尤其是科學家的需求。
天宮空間站在110m3的密封艙內規劃設計了16個專用科學實驗柜和7個具有空置空間的實驗柜，另外還有3個艙外暴露實驗裝置，覆蓋了包括微重力流體物理與燃燒科學、空間生命科學與生物技術等在內的11個空間科學與應用研究方向。
雖然國際空間站上有31個科學實驗柜，它擁有可居住容積達388m3，如果比較單位體積實驗柜的數量的話，天宮號是國際空間站的2.6倍。
第四，國際合作大國擔當
國際空間站雖有“國際”之名，但實際上只有參與建設的16個國家可以“玩”。即便如此，這幾個國家所享有的使用時間和使用空間也極不均衡。
中國空間站更顯大國擔當，首次明確向所有聯合國成員開放。目前已有來自17個國家的9個科研項目成功入選天宮空間站首批合作清單。
中國空間站建造時間表 | 微博用戶@Vony7
中國空間站之所以引發強烈關注，是因為從規劃中我們已經看到了嚴謹、科學和自信，知道它必然超越前輩。
雖然“天和”號核心艙只是空間站的第一個組件，后續還有大量的實驗任務，但過去的30年歷程告訴我們，中國載人航天正是這樣步履穩健地實現一個又一個目標的。
中國天宮，未來可期！
