據中新網自中國載人航天工程辦公室消息，北京時間11月9日14時55分，已完成既定任務的天舟四号貨運飛船，順利撤離空間站組合體，轉入獨立飛行階段。而在此之前，新華社報道，北京時間11月3日，空間站夢天實驗艙順利完成轉位，空間站“T”字基本構型在軌組裝完成。同日，央視新聞報道，神舟十四号航天員乘組順利進入夢天實驗艙。

空間站是人類了解并進駐宇宙的前哨，正如“天和”核心艙責任總設計師楊宏院士所言，“空間站是人類設想并實現的、能夠在太空長期開展科學實驗與觀測的平台，對我們開發與利用太空具有極為重要的意義。”那麼，空間站建在哪裡？空間站裡有些什麼？航天員在空間站裡怎麼生活？空間站萬一出現故障要怎麼辦？面對諸如此類的疑問，《中國空間站：我們的太空家園》從設計師的角度解析了太空家園的演化、構成、選址、維護以及未來的發展。

以下内容選自《中國空間站：我們的太空家園》，較原文有删節修改，文中所用插圖均來自該書。已獲得出版社授權刊發。

《中國空間站：我們的太空家園》，郭睿 高芫赫 時光 著，湖南科學技術出版社2022年10月版。

在太空建家是一條充滿荊棘的道路，在人類征服宇宙的征程中，先後有數十位航天員獻出了寶貴的生命，而為此犧牲的研制人員更是不計其數。在地面上，房屋出現漏水、斷電等質量問題可以通過維修更換來解決；而在太空中，每一個細小的質量問題，甚至是一顆螺絲釘都極有可能危及航天員的生命。所以，中國空間站的建設者必須以最高的“交房标準”，精益求精、反複驗證、考慮周全。

參與“天和”核心艙的部分研制人員與航天器合影，楊卓/攝。

打造“毛坯房”——空間站的主體結構

“毛坯房”的組成

空間站的“毛坯房”包括結構和機構兩個部分，一靜一動，構建起空間站的框架主體。

結構，簡單來說就是空間站“毛坯房”裡靜止的部分，包括外形和内部主體框架，類似房屋的外部牆體以及内部的承重牆，将空間站隔出不同的功能分區。

機構，簡單來說就是空間站“毛坯房”裡動态的部分，包括艙門等各種活動部件，類似日常家裝中的房門、衣櫃鉸鍊、窗簾軌道等。

“毛坯房”的設計原則

第一，輕量化。為了實現空間站功能的最大化，設計師通過先進的輕型材料、3D打印工藝、多功能結構複用等手段，對大到框體結構、小到金屬配件進行減重設計，盡量控制“毛坯房”的自重，盡可能地為其裝載的科學實驗設備預留空間。

第二，密封性。空間站密封艙内部為溫濕度适宜的大氣環境，外部為充斥着高能粒子和存在空間碎片撞擊、真空、高低溫交變等不穩定因素的極端太空環境。為了航天員的生命安全，密封艙内外要盡可能地物理隔離。

第三，長壽命。“毛坯房”在太空環境下難以維修，需要在至少15年的設計壽命裡保持穩固，為航天員“擋風遮雨”。

“毛坯房”的巧設計

太空中漂浮着大量的空間碎片、微流星體等，這些對空間站的安全來說是很大的威脅。為此，“毛坯房”還配備了一套健康監測系統，用于感知撞擊、監測壓力下降等異常情況。一旦密封艙遭受外力損傷，系統會告知航天員和地面飛控人員，以便于他們快速采取相關措施。

鋪設“強電設施”——空間站的能量來源

“強電設施”的組成

空間站的“強電設施”主要包括太陽翼、電路和配電單元三部分。通過太陽翼上面粘貼的太陽能電池片将太陽能轉化為電能，在配電單元的統一調配下，電能通過電路源源不斷地輸送給空間站的各個設備。

“強電設施”的設計原則

第一，大面積可展收。空間站核心艙、“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙各有一對柔性太陽翼。這種太陽翼具有極高的收納比，以核心艙上的柔性太陽翼為例，單個電池片僅為紙片厚度，但随着在軌猶如“定海神針”般展開後，單翼可以達到67㎡。在地面上，由于大氣層的存在，太陽能設備的轉化率較低，還會受晝夜、天氣等因素的影響。但在太空中，沒有稠密的大氣，沒有烏雲蔽日，太陽能就有了大放異彩的“舞台”。因此，空間站的“強電設施”可以通過太陽獲得源源不斷的能源。

柔性太陽翼。

第二，就近配電。太陽翼收集的電能并不是直接傳輸到各個設備中使用，而是需要在電能調配控制中心進行統一分配。在空間站内，按區域分布着多個“配電箱”，按照“就近原則”分布在用電設備周圍，從而減少線路損耗。

第三，安全用電。在地面上，一旦家裡某個電器短路，全屋就會跳閘斷電；而在太空之中，空間站無法承受整體斷電的風險。因此，在設計電路時，關鍵設備之間盡可能不使用串聯的方式；同時為了保證空間站的用電安全，每一台設備都設置了熔斷器，即使某一台設備出現短路也不會影響空間站的整體供電。

“強電設施”的巧設計

相比于其他航天器，空間站的結構非常複雜，各艙段非常容易互相遮擋。這種狀态下，如果太陽能電池片不能面對着太陽，再大的太陽翼也無法發電。蘇聯的“和平号”空間站由于各艙段并不在同一平面，太陽翼相互遮擋問題非常突出，因此損失了40%的發電能力。

中國空間站設計之初就考慮了這個問題，将整個空間站作為一個整體進行了細緻地遮擋分析，将各艙段布局于同一平面，以減少艙體相互遮擋。通過兩個實驗艙對稱放置，利用單艙近20m長的主結構及艙段尾部小桁架，将實驗艙大面積的太陽電池翼布局于整體構型的兩側，同時配置雙自由度驅動機構，使太陽電池翼能夠随時保持與太陽光線垂直，保證發電效率始終保持在最高狀态。

中國空間站建成後在軌飛行三維模拟圖。

當兩艘實驗艙發射之後，為了保證整體發電效率最優，核心艙的太陽翼将在機械臂的配合下轉移到實驗艙的兩側，進一步解決了實驗艙太陽翼對核心艙太陽翼的遮擋問題。這樣，中國空間站各艙段太陽翼能夠接收到太陽光的面積得到全面優化，就可以産生更多的能量。

“強電設施”。

安裝空調地暖”——空間站的溫度控制

“空調地暖”的組成

空間站使用了包括溫控塗層、通風系統和流體回路系統等一整套熱控制裝置。溫控塗層是空間站的“隔熱服”，讓空間站可以不受外部溫度劇烈變化的影響；通風系統相當于空間站的“空調”，是保證空間站内氣體流通交換的主要裝置；流體回路系統就如同空間站的“地暖”，通過覆蓋整個空間站的管路傳遞熱量，實現空間站内整體溫度的均衡。

“空調地暖”的設計原則

空間站主要采用“半主動控溫 被動控溫”的設計原則。被動控溫依靠的是給空間站穿上“隔熱服”，這件神奇的“衣服”一方面能隔絕外部環境的影響，另一方面能維持内部溫度。

半主動控溫則是依靠流體回路系統有組織地對空間站内的整體熱量進行管理。流體回路系統的工作原理是：通過熱收集器把設備産生的熱量收集起來，通過管路讓熱量在整個空間站流動起來，通過輻射器把多餘的熱量排散到太空之中。當空間站内溫度不足時，也可以利用這一套系統對艙内的低溫區域進行補溫。

“空調地暖”的巧設計

在整套流體回路系統中有一個核心部件——熱控流體回路泵，它相當于系統的“心髒”，把用于傳遞熱量的介質泵到空間站的各個角落。作為長期高速運轉的部件，回路泵的壽命有限，需要定期進行維修更換。為此，設計師在原有艙内流體回路泵的基礎上，提出了在空間站艙壁外另外安裝一個流體回路泵的構想，為流體回路系統打造艙内艙外“兩個心髒”，為空間站的長期穩定運行提供“雙保險”。

安裝在核心艙壁外的流體回路泵。

艙外流體回路泵的安裝極其方便快捷，通過“一鈎、二鎖、三通、四連”即可完成，可謂大道至簡。2021年8月20日，航天員聶海勝在出艙作業時，通過以上簡單四步完成了安裝艙外流體回路泵的操作。

張開“天地網絡”——空間站的通信方式

“天地網絡”的組成

“天地網絡”由多個終端組成，包括空間站、“天鍊”通信衛星、地面測控站、測量船等，通過天線和通信鍊路上的數據解碼、譯碼設備等獲取、傳遞信息。中國空間站以核心艙的測控通信鍊路作為主要的天地通信途徑。

“天地網絡”的設計原則

第一，通信全球覆蓋。在天地通信中，為了保障信息傳遞準确、及時，同時在空間站圍繞地球快速飛行的過程中保持信号穩定，需要時刻處于通信狀态。

第二，高速低延遲。空間站除了要實時傳輸遙測和圖像信息，還要支持航天員在軌生活的網絡需求，以及太空授課、天地通話等專項任務。目前，中國空間站向地球傳輸數據的速度已經達到了1.2Gbps，幾乎與5G通信速率一緻，語音通話的時延更是在1秒以内，與在地球上打電話幾乎沒有差異。

“天地網絡”的巧設計

空間站的天線和地面上的天線需要在彼此的測控區才能通信。可問題在于空間站和地球都在運動，怎麼保證兩者能夠随時聯絡呢？為此，設計人員圍繞中國空間站建設了一張覆蓋全球的“通信網絡”。

在地面上，有喀什測控站、青島測控站等陸基測控站；在海面上，有“遠望号”航天測量船這種海基測控站；在太空中，距離地球36000km的地球同步軌道上運行着“天鍊”中繼衛星、“北鬥”導航衛星，可以提供穩定的大範圍通信和定位支持。海陸空共同構成了為空間站服務的全方位“天地網絡”，讓空間站始終與地面的“家人”保持聯系。

新疆喀什航天跟蹤測量站（左）和航行在大洋上的“遠望号”航天測量船（右）。圖片來源：中國載人航天工程網。

享受“智能家居”——空間站的現代生活

“智能家居”的組成

“智能家居”由空間站測控分系統統一指揮，以無線Wi-Fi網絡和有線電纜網絡為連接方式，各類交互式儀表、大小家電共同構成了全屋智能家居。航天員可以通過手機、平闆、電腦等多種設備，直接操控空間站内各類家電，了解自己的身體健康狀況、空間站的運行狀态，還可以看電影、聽音樂、做運動，為太空生活增添色彩。

“智能家居”的設計原則

第一，網絡“全屋”覆蓋。空間站的Wi-Fi網絡不但在空間站内部構建起一個無線網絡空間，還延伸到空間站外部，支持航天員艙外工作時的無線通信需求。

第二，設備種類齊全。空間站的“智能家居”多種多樣，不僅有多功能交互式顯示屏、智能手機這類控制和顯示終端，還有微波爐、冰箱、跑步機等你能想到的各種生活家電。

第三，使用人性化。空間站的“智能家居”可以按照使用者的需要進行調節。比如照明的燈具可以模拟地面生活時的光照變化，設置不同的色溫、亮度和照明區域，以減少航天員在太空生活的不适感，同時還能針對航天員工作、就餐、睡眠等不同場景需求，定制情景照明模式；此外，航天員可以在空間站裡看電影、刷劇，随時與地面上的家人視頻聊天，還可以通過手機控制各類家電。

“智能家居”的巧設計

空間站的設計師始終堅持“以人為本”的理念，為航天員構建一個安全、舒适、便捷的工作生活環境。

“神舟十二号”航天員湯洪波正在用RFID設備識别貨包内部貨物。圖片來源：中國載人航天工程網。

在空間站的艙内外分布着大量的傳感器，時刻監測空間站的各項指标，比如壓力傳感器、氧濃度傳感器、二氧化碳分壓傳感器、火災監測器等。這些傳感器如同航天員的眼睛和耳朵，可以随時監測空間站艙内的運行情況，通過報警的方式提醒航天員留意異常情況。空間站内大量的儀器設備，以及艙壁電路、熱控管路的運行都會産生噪聲。為了讓航天員擁有良好的睡眠環境，設計師用一年多的時間研發了專門的隔振器，将内部空間的噪聲隔絕到舒适的範圍。

放飛“移動城堡”——空間站的軌道控制

“移動城堡”的組成幫助空間站完成軌道控制的是兩種發動機，一種是化學燃料發動機，另一種是電推進發動機。兩者都是通過噴射出一定的氣流或者離子（統稱為工質），從而讓空間站具有軌道維持的能力。

“移動城堡”的設計原則

第一，動态維持。在400km的高空，因為還有稀薄的大氣，在不控制空間站的情況下，空間站會因大氣阻力而每天向地面的方向下降100m左右的高度，為了維持空間站的運行高度，就必須不斷地把空間站往高處推一推，讓空間站可以在400km左右的高度上維持動态的平衡。

第二，減少化學燃料使用。化學燃料發動機的推力強，效率高，是非常好用的空間站推進裝置。可是化學燃料在軌無法重複使用，必須依靠“天舟”貨運飛船補加，成本極高。因此，在空間站上，除了常規的軌控發動機外，還使用了電推進發動機共同完成空間站的軌道控制。

“移動城堡”的巧設計

為什麼在空間站上既要安裝化學燃料發動機，又要安裝電推進發動機呢？這是因為兩種發動機各有所長，可以說一個是“迅猛剛強”，另一個是“綿延不斷”。兩種發動機在太空中協同工作，共同完成空間站的姿态控制和軌道維持工作。

相比于化學燃料發動機，電推進發動機噴射出來的工質速度快了十多倍，因此獲得的比沖也是十多倍，所以為了達到相同的速度，電推進發動機所消耗的燃料質量隻有化學燃料發動機的十分之一。通過電推進發動機的使用，可以減少需要貨運飛船補給的化學燃料質量，降低空間站的在軌運營成本。

可是電推進發動機也有一個明顯的缺點，那就是每次發射的離子質量很小，因而産生的推力也很小，隻有零點幾牛的大小，在地面上隻能推動一張薄紙，所以無法應用于火箭發射。但是在太空中，空間站可以使用電推進發動機不斷噴射離子，長時間積累下，就可以完成對軌道的維持。中國空間站上配置了4台電推進發動機，長期使用可以減少化學燃料的消耗，讓空間站可以更加長久地在太空中運行。

原文作者/郭睿 高芫赫 時光

摘編/何安安

編輯/王青

導語校對/趙琳

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