总设计师详解中国空间站天和核心舱

太空探索丨【中国空间站建设专题

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总设计师详解

中国空间站天和核心舱

文/黄希

4月29日，由中国航天科技集团有限公司所属中国空

间技术研究院抓总研制的中国空间站核心舱——"天和'

国目前研制的最大航天器。它既是空间站的管理和控制中

心.也是航天员生活和工作的主要场所，还能支持开展一

定规模的空间科学实验和技术试验。

如何建设中国空间站T中国空间站有哪些特色？如何

让中国的"太空实验室〃犮挥出巨大的科学价值？对子这

些问题，中国空间站系统总设计师杨宏一一作答。

在太空中顺利定位，包含II次飞行任务的中国空间站在轨

建造任务由此开启。

核心舱命名为"天和"，全长16.6米，最大直径4.2米，

发射质量22.5吨，可支持3名航天员长期在轨驻留，是我

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SPACE EXPLORATION

【中国空间站建设专题]丨太空探索

是“超级工程”，更是“连环工程”

15年前，杨宏作为我国首个空间

实验室——“天宫一号”的总设计师，

站组合体，两个实验舱分别用于生物、

材料、微重力流体、基础物理等多方面

的科学实验。

核心舱是空间站的主控舱段，相

当于是整个空间站的中枢系统，主要

对整个空间站的飞行姿态、动力性能、

载人环境进行控制。核心舱的大柱段直

径4.2米，小柱段直径2.8米。大柱段

部位主要是航天员开展工作和实验的地

方，小柱段则是航天员的睡眠区和卫生

区，保障航天员的生活和居住。

实验舱丨名为“问天”，主要任

务是开展舱内和舱外空间科学实验和技

术试验，也是航天员的工作生活场所和

应急避难场所。实验舱I配备了航天员

出舱活动专用气闸舱，支持航天员出舱

活动，配置了小型机械臂，可进行舱外

载荷自动安装操作。该舱有着核心舱部

分关键平台功能，这意味着在需要的时

候，它可以执行对整个空间站的管理和

控制。

实验舱丨丨名为“梦天”，具备和

实验舱I类似的功能。该舱配置有货物

专用气闸舱，在航天员和机械臂的辅助

下，支持货物、载荷自动进出舱。

空间站工程还包括天地往返运输

系统和货物运输系统。天地往返运输系

统由神舟载人飞船和长征二号F运载火

箭组成，货物运输系统主要由天舟货运

飞船和长征七号运载火箭组成，用于航

天员和部分物资往返空间站。神舟载人

飞船可支持3名航天员实现天地往返，

在空间站停靠期间也作为救生船，用于

航天员应急救生和返回。

在中国空间站里，航天员的活动

空间将得到极大拓展。

有人统计过，神舟七号载人飞船

航天员的活动空间大概是7立方米；

“天宫一号”航天员有效活动空间约为

15立方米，大概相当于一个7平方米

参与了 “天宫一号”全流程的设计工作。

2011年，结束“天宫一号”的工

作后，他被任命为中国空间站总设计

师，迅速参与到中国空间站的方案设

计中。

如何实现从“空间实验室”到长

期在近地轨道运行的“载人空间站”的

迭代和升级，成为杨宏和他的团队重点

思考的问题。

据中国载人航天工程总设计师周

建平介绍，空间站基本构型有3个舱

段——1个核心舱，2个实验舱。每个

舱都是20吨级，三舱组合体质量约66

吨。空间站整体呈T字构型，核心舱

居中，实验舱丨和实验舱II分别连接于

两侧。其中，核心舱用来控制整个空间

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太空探索丨【中国空间站建设专题】

房间大小。而在中国空间站里，航天员

活动空间扩展到了 110立方米。

如果把神舟飞船比作_辆轿车，

那么“天宫一号”和“天宫二号”就相

当于一室一厅，空间站则像是三室两厅

还带储藏间。

但是，空间站不是“天宫一号”

简单的放大样。要保证空间站长期安

全稳定运行、保障航天员长期在轨健

康生活和高效率工作，科研人员还需

要开展大量的科学技术试验。与此同

时，有些关键技术在地面受重力影响，

也需要在天上继续进行关键技术在轨

验证。

中国空间站工程在今明两年将接

续实施11次飞行任务，包括3次空间

站舱段发射、4次货运飞船发射以及4

次载人飞船发射，并依次围绕核心舱完

成组装建造工作。难怪中国空间技术研

究院的设计师说空间站的建造就像是

“在太空中搭积木”。

这样高密度任务在我国载人航天

工程中从未有过。11次任务环环相扣，

一系列关键技术需要在天上验证，并进

行分段评估，才能进行下一阶段建造工

作，进而决定“下一步走向”，可谓是

“步步惊心”。

举例来说，天和核心舱上天后.

需要根据自身表现，在48小时内评估

在轨状态，进而为下一个任务•一 “天

舟二号”发出指令，让其进入“发射

倒计时”准备阶段。兵马未动，粮草

先行。天舟二号货运飞船上天后，根

据对接状态，给下一个任务——神舟

能实施后续任务。任务之间耦合度极

高，不允许有任何闪失。

据介绍，中国空间站提供3个

对接口，支持载人飞船、货运飞船

及其他来访飞行器的对接和停靠。

额定乘员3人，乘员轮换期间短期

可达6人，具备十几吨载荷设备的

安装和支持能力。

与此同时，中国空间站设计寿命

不小于10年，具有通过维护维修延长

使用寿命的能力，能够扩展到180吨级,

也为后续发展留有一定的空间。

是“无纸化操作”，

更是“数字化工程”

提到空间站，大家首先会想到国

际空间站。以美国为首的16个成员国

组成联盟，集合了当时最先进的航天技

十二号载人飞船相应的指令。确认一

切正常后，载人飞船才能进入发射准

备阶段。随后的每一次飞行，都是建

立在之前任务状态正常的基础上，才

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【中国空间站建设专题】

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太空探索

术，但却把中国排除在外。

中国空间站凭借一国之力独立建

造，瞄准“整体水平能够达到世界先进

水平、局部能够超越国际空间站”这个

目标来研发。要实现这个目标，靠的是

什么？

对这个问题，杨宏有自己深刻的

理解：靠的是新型举国体制优势，创新

引领和航天事业多年积累的体系作为保

障，开展全国大协作，集智攻关。

他特别指出，要坚持以信息技术

来提升载人航天器能力的设计理念。在

工程研制中大胆采用先进信息技术能够

给航天器带来突飞猛进的进步。

传统的航天器研制和生产，从图

纸到初样再到正样，是必经之路。

不同于单_航天器的研制，中国

空间站建设涉及3个舱段，还包括与

货运飞船、载人飞船的对接，系统之间

的关联性和耦合性极高，可谓“牵一发

而动全身”。

作为总师，在各个舱段的设计中，

如何实现系统间的高效连接，追求最大

程度的“一次到位”，成为杨宏关注的

焦点问题。

“数字化”就是破解这个难题的

密钥。

此次在中国空间站研制中实现了

“数字化模型设计”，设计过程中没有

产生一张纸质图纸，这让研制团队颇为

骄傲。

除了实现各个舱段的“友好耦合”

外，空间站舱内设备也需要做到“布局

优化”，让航天员的工作生活更便利。

“就像我们自己家里搞装修一样,

除了布线，室内还要装空调、照明灯，

哪个先装，哪个后装，都需要统筹考虑。

采用数字化建模之后，各个系统就可以

在自己的模块内反复迭代，直到生成一

个在参数范围内的最理想、和其他系统

匹配度最高的模型，生产方拿到设计模

型后，直接进入生产环节。”杨宏说，

恰恰就是采用这种方式，让设计和生产

没有误差

，一

气呵成。就连舱内最难办

的1000多条异性管路，都能一次安装

到位，没有返工,

还有一个小细节也能看到“数字

化手段”的功劳。在太空中运行的航天

器讲究“质量配平”，大概意思就是舱

体布局重量相当。一般情况下，这很难

依靠已有的设备实现“完全配平”，需

要额外的“配重”来达到平衡。此次在

空间站中，因为有数字化手段引入，轻

松实现了舱内布局优化的目标。

值得一提的是，此次舱内实现了

WiFi全覆盖。航天员所有的生理参数

都通过网络实时下传。先进信息技术的

采用，会让航天员如同在地面上一样看

剧、打视频电话，太空生活会更加丰富。

是“高可靠产品”，

更是“高品质样板”

空间站就是航天员在太空中赖以

生存的家，设计师们需要把航天员的安

全问题放在首位。

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太空探索

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经过载人航天“三步走”中“前

上的密封舱有适合航天员生活和工作的

两步”的实施，人的“安全性”问题已

环境，舱外活动用的航天服，也具有维

经得到了充分验证。即便如此，研制团 持正常生活的大气压和氧气

。一

旦密封

队还是做了大量功课，针对能想到的风

舱或航天服遭流星、太空垃圾袭击或其

险都做了详尽的预案。

他机械损伤，哪怕是一个很小的洞或裂

拿安全性来说，航天员在太空中

缝，空气都会很快跑光，航天员将会面

最怕什么？一怕失压，二怕失火。

临生命危险。

太空是一个真空环境。宇宙飞船

所以，密封问题非常关键、，研制

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团队针对国际空间站出现的泄漏问题进

行了充分的举一反三。对舱内所有的密

封环节，进行

---复查。

此外，针对空间碎片问题，中国

空间站配备了一套撞击打击预防系

统，能够对“不速之客”一空间碎

片，进行定位感知，通过对空间站

实施升轨或者降轨，对空间碎片进

行规避。

这就跟我们坐飞机遇到不稳定的

强烈气流，飞机通过改变高度实现规避

的原理是一样的。

此外，针对防失火问题，舱内所

有的材料都采用阻燃材料，对高压用电

也进行了严格控制。如果发生重大险情，

航天员紧急撤离和快速撤离模式可立即

启动，帮助航天员在5分钟内快速逃

离危险区。

除了在安全性上做足功课外，设

计师们也在想办法提高航天员的太空生

活舒适度，注意私密性，极大地提高了

航天员的“太空生活质量”。

在中国空间站上，满足乘员轮换

期间短期可达6人的居住条件。6人可

各自拥有独立的睡眠区和生活区，设计

师们对通风、噪声、灯光等细节都有非

常周密的考虑。

我们都有这样的感受，通风对室

内环境很重要。但是，风大了会着凉，

风小了空气无法流动。在密封的舱体内，

必须要靠风扇让空气流动起来。为了防

止航天员着凉，航天员睡眠区和工作区

的风速都是不同的。经过多次测试，设

计团队最终将中国空间站工作区风速设

定为每秒0.08米，睡眠区风速则为每

秒0.05米。

舱内有大量设备，设备转动起来

不可避免会带来噪声，并通过舱体结构

进行传导，人在这样嘈杂的环境中待久

了显然会很不舒服。

杨宏坦言，设计团队花了一年半

时间进行噪声问题攻关，“付出了很

【中国空间站建设专题】丨太空探索

大的辛苦”。杨宏带着总体设计人员

和502所的技术人员协同攻关，最终

通过加隔振器的方式有效过滤掉了噪

声，使工作区的噪声从71分贝降到了

58分贝，睡眠区从58分贝降到了 49

分贝。对人体而言，理想的睡眠环境

是30到50分贝。对比国际空间站“工

作区72分贝，睡眠区55分贝”的噪

声参数，杨宏对中国空间站的噪声处

理结果很满意。

此外，中国空间站还将是一个

“智能家居”环境，航天员通过平板

电脑遥控指挥舱内的家用电器，在

太空厨房里还能使用冰箱、饮水机、

微波炉。

在太空中，航天员将按照北京时

间来作息。空间站环绕地球一圈是90

分钟，航天员24小时内最多能看到16

次日出曰落。为了让航天员生物钟不受

影响，设计师在舱内设置了情景照明系

统，就像波音787、空客380客机一样,

定时将灯光变成黄昏模式、曰间模式。

这些细节上的周到考虑，都是为了给航

天员打造一个宜居环境。

在空间站的天地通话环节上，将

看不到航天员戴着耳机与地面连线的场

景，骨传导耳机技术运用其中，将会大

大减少航天员的用耳负担。

地面物流技术也被设计师应用其

是中国智造，更是中国创造

杨宏把空间站的建造比作是“搭

台唱戏”，中国空间站既是为中国科学

家，也是为全球科学家提供的科学探索

平台。这一初衷，注定了中国空间站是

开放的。

秉承这样的设计思想，中国空间

站在集纳当前北斗、天链等先进航天技

术的基础上，采用了很多先进的民用技

术和商用技术。

舱内的电器都是我们耳熟能详的

家用电器品牌。无线WiFi数据传输系

统实现了舱内无缆化，确保了舱内环境

井然有序。

中。伴随着货运飞船的陆续抵达，货

物的打包、开包、整理、安装的工作

量巨大，国际空间站上已经有100多

件物品找不到了。“就像家里一样，

一个人放的东西，如何能确保其他人

都能找到，这里面学问也不小。”杨

宏举例说道。

借鉴国内物流巨头先进的货物管

理技术，中国空间站建立了一套物流管

理系统，航天员能够通过扫描二维码的

方式，识别货物的位置信息和产品信息，

同时对产品信息的库存数量都能做到动

态掌控，一进一出，都有台账，确保航

天员的工作生活更便捷。★

责任编辑：王立莉

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