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天宫空间站

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天宫
中国空间站
Tiangong Space Station Rendering 2021.10.png
天宫空间站2021年10月的构型模拟图,其中天和核心舱居中,左右侧为天舟货运飞船,下方为神舟载人飞船
空间站信息
COSPAR ID2021-035A
SATCAT no.48274
成员数量3-6人
发射日期2021年4月29日
发射台中国文昌航天发射场
任务状态任务进行中
质量22.5吨(当前)
长度16.6米(当前)
远地点389.5千米[1]
近地点395 千米[1]
轨道倾角41.58°[1]
轨道高度389.2千米[1]
平均速度7.68千米/秒[1]
在轨天数221天(自核心舱发射)
有人天数51天17小时又28分[2]
(神舟十三号)
142天7小时又36分
(总计)
资料日期: 2021年10月16日

天宫空间站(又名中国空间站)是中国从2021年开始建设的一个模块化空间站系统,是继1998年的国际空间站后建设的空间站。由天和核心舱问天实验舱梦天实验舱三个舱段组成[3]

作为中国载人航天工程“三步走”发展战略中的“第三步”,天宫空间站的在轨建造以2021年4月29日天和核心舱的成功发射为开始标志。按计划,中国将在2021年至2022年期间择机进行12次飞行任务,发射多艘天舟货运飞船神舟载人飞船、空间站实验舱(问天)和实验舱Ⅱ(梦天)与空间站对接以完成天宫空间站的建设[4]

天宫空间站采用多项先进技术,将实现中国在近地空间的长期载人飞行,并作为国际科技合作交流平台。根据规划,天宫空间站的近期目标是建成总重约60吨、具备开展较大规模的空间科学实验与技术试验能力的国家太空实验室,预计在轨寿命十年以上。

命名[编辑]

2011年4月,为满足技术管理和对外宣传的需要,中国载人航天工程办公室开展了中国空间站征名活动,对社会公开征集空间站及其各个组成舱段的名称。[5]经过公众的投稿、投选,同时结合科研人员与专家的意见,中国载人航天办公室2013年10月底正式对外宣布了中国载人空间站整体被命名为“天宫”,货运飞船被命名为“天舟”,实验舱Ⅰ、Ⅱ分别被命名为“问天”和“巡天”。其中“天宫”并未出现在空间站初选的30个名字中,然而由于这个名字自“天宫一号”以来一直受到大众及科技工作者的好评,评委会终决定沿用“天宫”作为载人空间站的整体名称,但后面不再加序号。[5]

2016年4月,中国载人航天工程总设计师周建平在一次座谈会上表示,原定由实验舱Ⅱ承担的天文观测功能将改为由独立的光学舱承担,并命名为“巡天”;而实验舱Ⅱ的名称则被改为“梦天”[6]

背景[编辑]

立项与前期准备[编辑]

准备进行整流罩合罩的天和核心舱
长征二号F遥十二火箭与神舟十二号飞船从酒泉卫星发射中心的垂直总装测试厂房中被转运至发射塔架
长征二号F遥十二火箭与神舟十二号飞船从酒泉卫星发射中心的垂直总装测试厂房中被转运至发射塔架

2010年9月25日,中共中央总书记胡锦涛主持召开中共中央政治局常委会会议,批准《载人空间站工程实施方案》,正式启动载人空间站工程。首个目标是2016年前后,研制并发射8吨级空间实验室,突破和掌握航天员中期驻留、再生式生命保障以及货运飞船补加等空间站关键技术,开展一定规模的空间应用[7],此即“第二步”的第二阶段,以2017年4月天舟一号成功完成首次推进剂在轨补加试验为标志结束[8]。后个目标是在2020年前后,研制并发射基本模块为20吨级舱段组合的空间站,突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术,开展较大规模的空间应用,为经济社会发展提供先进的空间技术平台,这个即为载人航天工程规划中的“第三步”,也就是后来得到正式命名的“天宫”空间站工程[7]

2018年5月,载人航天工程第三批预备航天员选拔工作启动,其中为了满足空间站工程任务需要增加了航天飞行工程师和载荷专家两个类别[9]

2020年5月5日18时00分,为中国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,在中国文昌航天发射场首飞升空并将载荷组合体送入预定轨道,中国载人航天工程“第三步”随之开启[10]

2020年10月1日,第三批预备航天员选拔工作结束,共有18名预备航天员(含1名女性)最终入选,包括7名航天驾驶员、7名航天飞行工程师和4名载荷专家[9]

2021年1月,空间站天和核心舱、天舟二号货运飞船、空间应用系统核心舱任务产品分别顺利通过载人航天工程主管部门组织的出厂评审[11]

2月22日,执行中天和核心舱发射任务的长征五号B遥二运载火箭运抵文昌航天发射场,与与先期已运抵的天和核心舱一起按计划开展发射场区总装和测试工作[12]

4月23日,天和核心舱与长征五号B遥二运载火箭的组合体被顺利转运至发射区[13]

建设阶段[编辑]

时间 (UTC+8) 事件 备注
2021年4月29日
11时23分
天和核心舱升空 搭载空间站天和核心舱的长征五号B遥二运载火箭在文昌航天发射场点火升空。11时31分,天和核心舱与火箭成功分离,进入预定轨道。12时36分,太阳能帆板两翼顺利展开且工作正常,发射任务取得成功,中国空间站在轨组装建造全面展开。[14]
5月29日
20时55分
天舟二号升空 [15][16]
6月17日
9时22分
神舟十二号发射 乘组:聂海胜、刘伯明、汤洪波
天宫空间站首次航天员进驻[17][18][19]
6月17日
15时54分
神舟十二号成功与天和核心舱核心舱前向端口对接 首次在载人任务中进行6.5小时快速交会对接[20][18][21]
6月17日
18时48分
神舟十二号乘组成功进入天和核心舱 [22][18][23]
7月4日
14时57分
神舟十二号首次出舱活动 出舱人员:刘伯明 、汤洪波[24]
8月20日
8时38分
神舟十二号第二次出舱活动 出舱人员:刘伯明 、聂海胜[25]
9月20日
15时10分
天舟三号发射 2021年9月20日,天舟三号货运飞船,在海南文昌航天发射场成功发射,与天和核心舱及天舟二号组合体完成交会对接。[26]
9月23日 霍尔电推进子系统在轨点火测试 首次在载人航天器上使用霍尔推进器[27]
10月16日
00时23分
神舟十三号发射 2021年10月16日,神舟十三号载人飞船,在酒泉卫星发射中心成功发射,航天员:翟志刚、王亚平、叶光富。[28]6时56分与中国空间站完成交会对接。[29]
11月8日
01时16分
神舟十三号首次出舱活动 出舱人员:翟志刚 、王亚平

任务目标[编辑]

天宫空间站是国家级太空实验室和国际科技合作交流平台,目标是建成和运营近地载人空间站,使中国能独立掌握近地空间长期载人飞行技术, 显著提升中国在国际科学技术领域的影响力[3]

具体任务包括[3]

  • 建造以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型,长期在轨可靠运行的空间站
  • 保证航天员长期在轨生活
  • 开展多领域空间科学实验与技术试验

技术需求[编辑]

随着中国载人航天工程前两步的成功完成,中国航天已掌握了出舱活动、空间交会对接、空间实验室、航天员中期驻留、再生式生命保障以及货运飞船补加等空间站关键技术。然而,空间站建造任务对中国航天提出了更高的要求,促进了一系列先进技术的研制与应用。

大型运载火箭[编辑]

天宫空间站的单舱段质量为20吨,超过中国在2000年代拥有的任何运载火箭的运载能力,因此必须另外研发新的火箭用于空间站舱段的发射。

长征五号B运载火箭从2012年开始按中国运载火箭研制流程和中国载人航天工程要求立项研制,是中国航天科技集团公司长征五号运载火箭的基础上,按照通用化、系列化、组合化思想设计,通过移去芯二级和级间段并延长整流罩等发展而来的一款大型运载火箭。长征五号B运载火箭的整流罩长达20.5米,直径5.2米,为中国火箭之最,足以容纳下全长16.6米、最大直径4.2米的核心舱段,其近地轨道运载能力为25吨,达到了发射空间站舱段的要求[30]

2018年11月,长征五号B通过初样转试样研制阶段评审,进入试样研制阶段。长征五号B遥一运载火箭于2019年4月完成第一个部段级产品,7月开始总装,11月总装完成,并于2020年5月5日首飞成功。[31]

2021年4月29日11时23分,长征五号B遥二运载火箭成功发射天和核心舱。[4]

发射场系统[编辑]

天宫空间站的主发射场是位于中国海南省、于2014年竣工的文昌航天发射场,此处临海,可以依靠船舶运载火箭部件,使运载火箭的规模不会受到国铁3.35米铁路限界的限制。长征五号、长征七号火箭都是在天津制造完成,通过特制船舶运到文昌,进行总装、测试并发射的。

和此前唯一用于执行载人航天任务的酒泉卫星发射中心相比,文昌航天发射场采用了“新三垂模式”,将前端测发控设备安装在活动发射平台内,仅一次对接就可完成箭地连接工作,比采用“旧三垂模式”的火箭在发射区的射前准备时间缩短了3天[32]

文昌航天发射场将负责全部的中国制舱段和全部的天舟货运飞船的发射任务,而神舟载人飞船则依然会在酒泉卫星发射中心进行发射。

载人飞船[编辑]

神舟飞船早期型并没有设计对接机构,轨道舱的尽头是附加段,安装有各种科学设施。2005年底,神舟八号首次对接缓冲试验在上海成功[33]。2011年,第一艘量产型神舟飞船神舟八号发射成功,并与天宫一号目标飞行器交会对接。自2011年至2016年,第一批次4艘量产型神舟飞船先后完成了与天宫一号、天宫二号的交会对接,实现最长驻留30天。

2017年11月解放军报的报道中表明,中国航天科技集团五院502所当时已经开始研制第二批次的神舟飞船,相较于第一批次,包含了一系列技术创新,比如将天舟一号上已经实现的自主快速交会对接技术移植到载人飞船上[34]

2021年6月17日15时54分,神舟十二号载人飞船采用自主快速交会对接模式成功对接于天和核心舱前向端口[18]

核心舱机械臂[编辑]

天和核心舱配置的机械臂是目前中国同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统。其展开长度为10.2米,最多能承载25吨的重量。其肩部设置了3个关节、肘部设置了1个关节、腕部设置了3个关节,每个关节对应1个自由度,具有七自由度的活动能力。[35]

机械臂可承担的任务包括:

  • 支持航天员出舱活动
  • 舱段转位
  • 舱外货物搬运
  • 舱外状态检查
  • 舱外大型设备维护

核心舱机械臂还具备“爬行”功能,通过末端执行器与目标适配器对接与分离,同时配合各关节的联合运动,从而实现在舱体上的爬行转移[35]

柔性太阳电池翼[编辑]

天宫空间站首次采用了大面积可展收柔性太阳电池翼,其中天和核心舱的单翼翼展为12.6米,双翼展开面积可达134平方米,是柔性太阳翼首次应用于中国航天器上,有着体积小、展开面积大、功率重量比高的特点,可在低轨道上为空间站供能十年[36][37]

霍尔电推进发动机[编辑]

天宫空间站的天和核心舱配置了四台霍尔电推进发动机,这是人类载人航天器上首次使用电推进,电推进具有比冲高的优势并且能够根据需要适时启动并长期运行,可大大降低空间站用于轨道维持的燃料消耗。[38]

中继通信[编辑]

为了保证航天员与地面测控站间通信的实时畅通,空间站使用了中国空间技术研究院的第三代中继终端产品,通过与中继卫星天链一号和天链二号建立中继链路,实现中继通信。该终端采用了集成化、模块化的设计思路,在保证传输信号质量的同时,方便航天员维修更换。[39]

组成和布局[编辑]

早期规划构型[编辑]

天宫空间站的早期构型,采用的是传统的太阳翼。

2011年4月,中国载人航天工程办公室在中国空间站征名活动中正式公布中国空间站将采用三舱基本构型,由一段核心舱、两段实验舱组成[40]。其中核心舱全长约18.1米(后缩减为16.6米),实验舱每个长约14.4米,三舱最大直径均为约4.2米,发射质量均为20-22吨[41][42]。根据官方提供的图片,该早期方案中的核心舱与太阳翼的外形与和平号空间站十分相似[6]。2013年征名活动结果公布时,官方揭示实验舱Ⅱ将搭载中国的天文望远镜,因而命名为“巡天”[5]

2016年4月,中国载人航天工程总设计师周建平表示原定由实验舱Ⅱ搭载的天文望远镜将被分离为一个单独的舱段,与空间站共轨飞行,原本的传统太阳翼也被更先进高效的柔性太阳翼所取代[6]

2018年11月,改进后的天和核心舱的完整模型在珠海中国国际航空航天博览会上展出[43]

基本构型[编辑]

天宫空间站的基本构型已確定由一段核心舱和两段实验舱组成T字构型[3]。两段实验舱分别长期停靠在核心舱的左右两端,货运飞船以及载人飞船分别对接于核心舱前后两端。计划于2021年左右发射核心舱,至2023年前实验舱II对接后完成组建。每组航天员驻扎最长达6月后与下一组航天员进行轮替任务。在轨驻留航天员人数2至3人, 设计寿命为10年。规模将达到60吨级。

构型图示[编辑]

太阳能帆板太阳能帆板
太阳能帆板后向对接口太阳能帆板
太阳能帆板天和核心舱机械臂太阳能帆板
问天实验舱节点舱梦天实验舱
太阳能帆板出舱口前向对接口径向对接口太阳能帆板

加压舱段[编辑]

组件名称 发射时间及COSPAR ID 运载火箭及序列号 对接日期及位置 对接时神舟飞船乘组 长度 直径 质量 太阳翼面积 图片
天和核心舱 2021年4月29日 11:23:15

2021-035A

长征五号B Y2 (首个舱段) (无) 16.6米 大柱段:4.2米
小柱段:2.8米
22.6吨 134平方米 Tianhe Core Module Rendering 01.png
取名自热门候选名称天枢与太和,寓意天地人和。天和核心舱由节点舱、小柱段、大柱段、后端通道及资源舱组成,是空间站的管理和控制中心,负责空间站组合体的统一管理和控制,配置大机械臂。舱内安装3个科学实验机柜和1个应用任务公用支持机柜,舱外预留载荷挂点。核心舱配备3个对接口和2个停泊口。用于实验舱、载人飞船、货运飞船等飞行器与其交会对接和停靠,接纳航天员长期访问和物资补给,支持航天员出舱活动。[4][44]
问天实验舱 计划2022年5月 长征五号B Y3(计划) 计划2022年5月
天和前→左(计划)
神舟十四号(计划) 17.9米 4.2米 约20吨 Wentian Module.png
实验舱之一,备份核心舱部分关键平台功能,具备空间站统一管理和控制能力,配备航天员出舱活动专用气闸舱。开展密封舱内及舱外载荷实验,配置实验舱机械臂对舱外实验载荷进行操作。[44]
梦天实验舱 计划2022年8月 长征五号B Y4(计划) 计划2022年8月
天和前→右(计划)
神舟十四号(计划) 17.9米 4.2米 约20吨 Mengtian module.png
实验舱之一,用于开展密封舱内和舱外载荷实验,配置货物气闸舱用于载荷及设备进出舱。[44]

扩展构型(十字、干字)[编辑]

天宫空间站的基本构型成功组建后,可根据需求,在核心舱的前端增建一舱或三舱组成空间站“十”、“干”字型的扩展构型。三段扩展舱处于核心舱的前端,三段扩展舱A、B、C组成小“T”字型。首先扩展舱A后端与核心舱前端对接成十字型,扩展舱B和C与扩展舱A前端的左右处对接成干字型。载人飞船再对接于扩展舱的正前端。另可依据需求增配第二艘载人飞船以备紧急返回使用,对接于核心舱前端下方。长期乘航天员人数提高到3至6人,达成长久不断续的空间常驻。最大规模可达180吨。目前細節均尚未確定,但基本上在丁字构型的基础上,會增加論證中的新技術舱段:

  • 扩展核心舱A:尚未命名,增加額外三人的居住空間與生存設備等的空間。
  • 扩展实验舱B:尚未命名,功能未定。
  • 扩展实验舱C:尚未命名,功能未定。
  • 外部結構:尚未命名,將會在太空站組成中用於固定太陽能板、輻射散熱板與機械手臂等配件的共用和移動的部分。[45][46]
  • 1艘外國飞船,可能為聯盟號等,利用聯盟-2.1a型英语Soyuz 2.1a運載火箭圭亞那太空中心發射,這是未來將啟動的多國太空合作的一部份[47]
  • 1至2艘外國貨運飛船,如进步号可能前往,均由圭亞那太空中心發射。
  • 1艘载人備用飞船,可能使用新一代载人飞船,用于三至六名航天员的运输和应急返回等任务。

构型图示[编辑]

载荷平台载荷平台
后向对接口
太阳能帆板天和核心舱机械臂太阳能帆板
太阳能帆板问天实验舱节点舱梦天实验舱太阳能帆板
太阳能帆板出舱口径向对接口太阳能帆板
载荷平台核心舱II载荷平台
太阳能帆板太阳能帆板
实验舱III节点舱实验舱IV
出舱口前向对接口径向对接口

运行[编辑]

载人任务[编辑]

截至2021年10月16日 (2021-10-16),已经有6名航天员曾访问过或者正在空间站。未来将会有来自世界各地的宇航员参与载人任务[48]

舱外活动列表[编辑]

2021年7月4日,神舟十二号乘组中的刘伯明汤洪波执行了在天宫空间站的首次舱外活动。在此之前,中国载人航天工程的唯一一次出舱活动于2008年9月27日由神舟七号乘组成员翟志刚刘伯明完成,时长约20分钟。目前,航天员已执行3次舱外活动。

无人任务[编辑]

无人发射任务主要是为了运送货物,由天舟货运飞船执行。

任务控制中心[编辑]

天宫空间站的各个组成部分和各项任务主要在北京航天飞行控制中心进行操作和监测,包括航天器在轨监测[49]、再入[50], 以及舱外活动[51]

国际合作[编辑]

2016年3月,中国载人航天工程办公室与联合国外空司英语United Nations Office for Outer Space Affairs签订了围绕中国空间站应用开展合作的《框架协议》和《出资协议》,通过向外空司提供资金和中国空间站设施资源,为各成员国的专家团队提供利用中国空间站开展空间科学实验与应用的机会[52]

2018年5月28日,中国载人航天工程办公室与联合国外空司向联合国各成员国正式发布了联合起草的《邀请在中国空间站上开展空间科学实验的第一轮合作机会公告》等合作文件,广泛征集合作项目,以进一步培育和促进载人航天国际合作,为世界各国创造更多利用中国空间站开展应用实验的机会并从中受益[52][53]。2019年6月12日,第一批项目入选结果公布,共有来自17个国家、23个实体的9个项目成功入选[54][55]

参见[编辑]

参考文献[编辑]

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  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Wang, Xiang; Wang, Wei. Key technical characteristics of the Tiangong Space Station. SCIENTIA SINICA Technologica. 2021-11-01, 51 (11): 1287–1298. doi:10.1360/SST-2021-0304. 
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  7. ^ 7.0 7.1 引用错误:没有为名为CMSintro的参考文献提供内容
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外部連結[编辑]