中国天宫空间站的设计与应用前景

空间站作为长期在轨运行的载人航天器，是一个国家科技实力的综合体现。中国载人航天工程在1992年明确了“三步走”战略方针，建造空间站则是这个计划的战略目标。2010年9月，中国空间站正式立项。经过11年不懈努力，2021年4月29日，“天和”核心舱在海南文昌发射场由长征五号B运载火箭成功发射入轨，拉开了中国载人空间站建造的大幕。在两年时间内，中国如期进行了11次发射与在轨任务，完成组装并开始空间站的正式运营。随着“天宫”空间站的建成和运行，中国将成为继苏联和美国之后第三个能够独立建造和运行空间站的国家。中国将利用“天宫”空间站继续为人类和平利用太空作出开拓性的贡献。在Space: Science & Technology（《空间科学与技术（英文）》）新发表的文章中，来自中国空间技术研究院北京空间飞行器总体设计部的专家们详细介绍了“天宫”空间站的设计，分析总结了“天宫”空间站的技术特点，并探讨了未来“天宫”空间站的应用与发展。

首先，作者介绍了“天宫”空间站的系统方案设计。

总体结构上，“天宫”空间站展现出T形构型（如Fig. 1），“天和”核心舱位于中心而两个实验舱“问天”和“梦天”布局于两侧。“天和”核心舱（如Fig. 2）由节点舱、生活控制舱、资源舱三部分组成，轴向总长16.6 m，最大直径4.2 m。“问天”实验舱（如Fig. 3）由工作舱、气闸舱和资源舱3部分组成，轴向长度17.9 m，最大直径4.2 m；舱外还设置有小机械臂、实验平台和桁架结构。“梦天”实验舱（如Fig. 4）由工作舱、货物气闸舱、载荷舱和资源舱4部分组成，轴向长17.9 m，最大直径4.2 m，舱外还安装了两个可展开平台。此外，“天宫”空间站还具有三个对接口，分别位于前侧（主要用于对接载人飞船和“巡天”太空望远镜）、后侧（主要用于对接货运飞船）及径向（主要用于对接载人飞船）。

系统功能设计上，控制与推进系统采用控制力矩陀螺和发动机喷气两种姿态控制方式，配置了推进补加系统以及全球首次在空间站上运行的霍尔电推进系统；能源系统配备了大面积的柔性太阳翼；载人环境系统具有完整的再生和非再生生命保障系统；机械臂系统包含一个7自由度大机械臂和一个7自由度小机械臂，均配备丰富的视觉传感器、关节和末端力传感器；航天员出舱活动可由“天和”核心舱的节点舱与“问天”实验舱的气闸舱共同支持；航天员居所的活动空间不少于110 m3。

Fig. 1 Configuration diagram of Tiangong space station.

Fig. 2 Configuration diagram of Tianhe core Module.

Fig. 3 Configuration diagram of Wentian experiment module. 

Fig. 4 Configuration diagram of Mengtian experiment module.

之后，作者总结了具有先进性的技术特点。大体上，天宫空间站的技术特点主要体现在四个方面。

（1）设计理念先进，系统架构优化。中国对“天宫”空间站采用统一的设计架构和技术体系，使得三个舱段的所有GNC、能源、信息、热控和载人环境系统互联互通、协同工作；同时，空间站有效地整合了各舱段之间的资源，提高了空间站的整体性能和系统可靠性。

（2）新技术比重大，智能化程度高。空间机械臂、物化再生生命保障、大面积柔性太阳翼都是我国首次在轨应用的全新技术，难度均较大；此外，“天宫”空间站从设备和系统层面都体现了高度的智能化。

（3）整站规模适度，建造费效比优。相比于和平号空间站和国际空间站，“天宫”虽然规模中等，但其建设成本、应用效益符合中国国情和实际需要；另外，充分利用当代新技术，“天宫”空间站的建造和运营更加经济合理，且在发电效率、应用保障能力、组装方式、补给需求等方面更具优势。

（4）坚持以人为本，驻留安全高效。天宫空间站的设计本着以人为本的理念，设计既保证了航天员在轨飞行的安全性和舒适性，又注重支持航天员智能的有效发挥。

Tab. Main Characteristics between Tiangong and MIR and ISS.

最后，作者对“天宫”空间站的后续应用进行了展望，将“天宫”空间站未来的应用与发展总结的五个方面。

（1）针对科学技术实验，各种科技实验将通过舱内和舱外实验支持设施持续进行（实验支持系统框架如Fig. 5），主要研究领域包括航天医学、空间生命科学与生物技术、空间天文与天体物理学、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间地球科学及应用、空间环境与空间物理、航天新技术、天基信息技术、航天元器件与部件。

（2）针对在轨服务，“天宫”空间站可作为近地轨道在轨服务平台，提供同轨运动在轨服务（即与“天宫”空间站共轨飞行的“巡天”空间望远镜等）和在轨设施建设服务（例如大型空间天线和望远镜）。

（3）针对技术升级，空间站的软件可以通过地面上传的方式进行升级，从而不断提高其技术水平；技术升级可以考虑的范围包括智能升级、生命保障系统、机械臂等。

（4）针对扩展建设，“天宫”空间站的扩建在设计之初就已进行了全面规划：扩展舱将永久停泊在“天和”核心舱的前停泊对接口；“天舟”货运飞船将停泊在“天和”核心模块的后对接口；神舟载人飞船将停泊在扩展舱的前对接口，形成一个4舱组合体；在此之后，还可扩展为180吨的6舱组合体。

（5）针对国际合作，天宫空间站的国际合作可分为3个层面：（a）为有效载荷提供标准化和专业化的资源，（b）为后续空间技术的推广和发展提供良好的试验平台，以及（c）开展大规模的舱段级合作，共同扩建天宫空间站。

Fig. 5 Systematic framework of experiment support system.

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文章链接：

https://spj.science.org/doi/10.34133/space.0035

引用信息：

Wang X, Zhang Q, Wang W, Design and Application Prospect of China’s Tiangong Space Station. Space Sci. Technol. 2023;3:Article 0035. http://doi.org/10.34133/space.0035

官网链接：

https://spj.science.org/journal/space