主题：【原创】天宫遨游 -- 心有戚戚

2021年4月底，中国空间站核心舱就要由长征5号B遥二火箭（下图为长征5号B遥一火箭）从海南文昌发射升空，“天宫”进入全面建设阶段。

目前， “天和”核心舱测试已经完成，整装待发。

核心舱发射后，将发射天舟二号货运飞船和神舟十二号载人飞船，与之交会对接，成为天宫组合体的雏形。除了“天和”核心舱，将来“天宫”还将有 “问天” 实验舱Ⅰ和“梦天” 实验舱II作厢房。

核心舱包括节点舱、生活控制舱和资源舱三部分。生活控制舱就是航天员的居住生活的地方，分成小柱段和大柱段。小柱段直径2.8米, 是航天员的睡眠区和卫生区（即卧室），保障航天员的生活和正常居住。大柱段直径4.2米，是航天员工作和实验的地方（即起居室）。核心舱还是空间站的主控舱段，对整个空间站的飞行姿态、动力、载人环境进行控制。用通俗的话说，它是空间站的中枢神经：任何飞船和舱室接驳后都受其控制。节点舱呈球形，上有5个开口：2个对接口接纳两艘载人飞船同时停靠和2个停泊口用于连接两个实验舱，及另一个出舱口供航天员太空漫步。

下图中，一个太空假人被放置在天宫地面模拟器的出舱口，所以节点舱还兼具气闸舱功能。在空间站建设和维护阶段，航天员可以通过节点舱进入太空工作。

核心舱的后端是资源舱，装有推进剂贮箱以及姿轨控动力系统。天宫特别之处是用了4台LHT100霍尔电推力器用于补偿大气阻力带来的轨道高度损失，而这是人类首次将电推动力用于载人航天器。电推动力优势是可以减轻货运补给压力，降低货运飞船发射频次，节约运营成本，还能缩小常规推进剂贮箱尺寸，增大舱内可使用空间。

作为离子推进器的一种，霍尔推进器通过加速电离子的方式形成等离子体射流，以此来推动飞船前进。离子喷射速度达到每秒20到50公里，而常规的化学燃料喷气速每秒最大只有5公里。所以霍尔推进器的比冲大大高于常规火箭。虽然LHT100单台的推力只有80毫牛，但是细水长流，绵绵不绝。此项关键技术能让天宫省下一大笔运营成本，从而处于和国际空间站竞争的有利地位。

和天宫1、2号太空实验室不同， 天宫空间站的资源舱是环状的，当中被打通，有一个对接口接纳货运飞船停靠补给。下图是天和一号核心舱大柱段尾段对接口。资源舱对接口和其它对接口不同，具备燃料补给功能，装备特别的管线和阀门等，特别是在对接口外部的液路浮动断接器，用来接受货运飞船上所载火箭燃料。

货运需要单独的后向对接口是因为天舟货运飞船是和天宫1、2号太空实验室一样粗的“大家伙”，分开对接不会影响载人飞船和实验舱。对应资源舱对接口，天舟货运飞船上也有4个液路浮动断接器，可以形成4条管路。单组元肼推进剂姿控发动机需要一条管路就够了，而双组元发动机则需要两条。所以天宫采取的是冗余设计：氧化剂和肼推进剂分别设置了两套主、备共四个加注口。一次通过液路浮动断接器连通一条管路，分别加注。

实验舱Ⅰ “问天”个实验舱Ⅱ “梦天” 既是是航天员的工作场所，也是应急避难场所，主要任务是开展舱内和舱外空间科学实验和技术试验。它们有着核心舱部分关键平台功能：在紧急情况下，可以执行对空间站的整个管理和控制。两个实验舱都有气闸舱和机械臂（下图圈中所示），但侧重不同：“问天” 支持航天员出舱活动，而“梦天”支持大型货物和载荷进出（比如实验机柜）。

天和核心舱、问天实验舱Ⅰ和梦天实验舱Ⅱ，每个舱段规模20吨级，都将由长征5号B运载火箭发射。天宫将于2022年前后完成建造，除了长征5号B，还将由长征2号F火箭发射4艘神舟载人飞船提供乘员运输，以及长征7号火箭 发射4艘天舟货运飞船提供补给支持。下图中实验舱II还在X-轴，最终它将“跑到” Y-轴与实验舱I相对。为啥不直接在 Y-轴对接呢？因为和X-轴上的轴向对接相比，Y-轴上的径向对接的冲击力不通过组合体质心极难调控，会导致空间站姿态失稳、甚至结构损伤。所以实验舱交会对接在X-轴上沿轨道进行。

实验舱先和核心舱在X-轴上对接完成后，再由核心舱上的机械臂搬到Y-轴上的停泊口。

和实验舱上用于搬运货物或支撑出舱航天员作业的机械臂相比，核心舱上的机械臂需搬运20多吨的实验舱，要求更高。

完成了实验舱的搭建后，核心舱上的机械臂是否就完成使命，不再有用了？当然不会浪费。神舟载人飞船一般仍在X-轴上对接，需由机械臂将它搬到Y-轴上的对接口，而将X-轴上的对接口留给下一艘神舟，以同时接驳两艘神舟（天宫常驻3人，乘组轮换期间短期可达6人）。为了航天员出舱作业，机械臂开始是在出舱口一侧，但是神舟飞船在另一侧，如何两者兼顾？诀窍是机械臂头尾可以互换，使得它能在舱外爬行。下图是机械臂的展示样品。

由于两头都有末端作用器，可以将一头先固定在核心舱的一侧的连接点，再将另一端伸向对侧的连接点，完成固定后脱开原来的连接点。这样，机械臂搬运实验舱和接驳神舟飞船两不误，还可以为航天员作出舱移动平台。

舱外机械臂已在天宫2号空间实验室上在太空环境验证过，确保设计万无一失。在核心舱和实验舱上，天宫将有三个可移动的机械臂，没有地方够不着。

有了霍尔推进器的加持，天宫完全可算得上是空间站里的三代半（对应战斗机里的欧洲两风）。

第1代：单舱单接口，一般只能接驳载人飞船对接。中国的天宫一号、天宫二号太空实验室以及前苏联的礼炮1号到5号空间站（其中礼炮3号据说还装备有机关炮，以对付阿波罗飞船，堪称星球大战战斗机）和美国的天空实验室都属与第一代。中国天宫二号试验了和“天舟”货运飞船的对接及火箭燃料的补充。但是货物的转运就不要想了，因为没人搬。下面示意图中蓝色管线就是用于太空加油的，而且从外观上看不出哪个是天宫二号，哪个是天舟一号，因为天舟一号货运飞船就是由天宫一号太空实验室发展而来。

第2代：单舱多接口。多了一个对接口，意味着可以同时对接载人和货运飞船。由货运飞船补充空间站上的火箭燃料和物资，这样空间站就能长期运行。前苏联的礼炮6号和礼炮7号属与第二代。中国天宫二号验证了火箭燃料太空加注技术，直接跳到第三代。

第3代：多舱多接口。和平号空间站、国际空间站和天宫都属于此级别。其中和平号空间站和天宫都是标准的积木式结构,通过受力的接口将舱室刚性连接。和平号空间站作为前苏联的巅峰之作，从规模上来说，比天宫还要大些。对应结构在+X，+Z和-Z方向上多出来三个试验舱。 “量子”1号是第一个与核心舱对接的模块，载有天体物理观测设备，可以接驳进步号货运飞船，并将火箭推进剂转送和平号的储罐中。由于管线复杂，天宫没有采用类似“中介舱”设计，而是直接和天舟货运飞船对接。“量子”2号舱是和平号空间站的第一个径向舱，和天宫实验舱Ⅰ “问天”的功能类似，可供航天员实验和出舱活动。对头的“光谱号” 对应天宫实验舱Ⅱ “梦天”。Z轴两个接口都装上了舱室，从而使和平号只有一个通过“量子”2的出舱口，并只能一次接驳一艘联盟载人飞船。当然，可以通过“晶体号”（内有硅晶体生长炉）再对接一架航天飞机，因为其末端配备了一个对接坞站（原计划为暴风雪号准备的，后来让位与美国航天飞机）。与其相对的“自然号”的显著特点是巨大的对地合成孔径雷达。由于雷达技术的进步，原先需要空间站或航天飞机搭载的合成孔径雷达（哥伦比亚号出事的那次就是带这东西），现在几吨的卫星就可以了。所以，Z轴上的“晶体号”和“自然号”如果再放在天宫上就显得多余了。

与和平号相比，国际空间站还用了大型桁架结构用来放置太阳能电池板，但是舱室还是通过接口受力刚性连接的积木式。而真正的桁架式空间站特征是桁架承力和悬挂舱段，只在绘图板上存在过，从未在现实世界中实现。

国际空间站舱段的承力连接还是靠接口，而桁架只起到太阳能板支架的作用，所以它本质上和其它三代空间站并没有区别。而桁架是异形组件，很难通过运载火箭搭载。以前桁架结构通过航天飞机发射和组装，而2003年“哥伦比亚号”的悲剧险些导致国际空间站烂尾。在航天飞机退役的今天，估计只有在星舰成熟或空天飞机问世后，真正的桁架式空间站才会重新被考虑。当然，比起和平号，国际空间站不仅在桁架结构上做了尝试，而且采用了标准化机柜和集中供电的设计，可算3代半。

同为3代半的天宫当然也采用了集中供电和标准化机柜的设计。作为一座大型空间站，天宫对电能需求是多多益善。为此，每一个实验舱的尾端设置了采用了轻型衍架支撑的柔性太阳翼。较大的光伏面积和较高的换能效率使天宫整体功率达100千瓦，而国际空间站也只不过90千瓦（这让国际空间站拥趸引以为豪的大型衍架结构情何以堪）。为此天宫和实验舱之间的接口采用的都是100伏供电系统，比以往飞船上普遍采用的28伏供电系统优化不少。作为天宫的预研，天宫一号和二号空间实验室就已经采用了100伏供电系统，为空间站任务的实施打了先锋。

有了能源的支撑， 就可以多加实验设备，使得百吨级的天宫拥有23个标准实验机柜。作为对比，400吨级的国际空间站只有31个机柜，性价比实在不高。而且天宫的标准化机柜不仅采用一致的结构、电源和数据接口，可以即插即用，还可以在轨更换，使得任务的灵活性大大提高了。同样，在天宫设计之初就考虑了标准实验机柜（那时实验舱还用的是传统太阳帆板设计），并在天宫一号和二号空间实验室上安装验证了。

重达420吨的国际空间站规模这么大，其实不是优化的结果。就说对接口有8个之多，却标准不一。对接方式有杆锥式和异体同构周边式两种，对接通道内径尺寸同样有有货运1.2米与载人0.8米两种。和百吨级的天宫比，四百吨级的国际空间站的载人运输条件上并不充裕，比如和龙飞船的对接只有两个对接口可用，其中仅一个是轴向。而天宫除了有节点舱上轴向和径向的两个载人专用对接口，在紧急情况下载人飞船也可接驳轴向的货船对接口。国际空间站的运营成本也过于昂贵，估计和俄罗斯困难时期和平号的下场差不多：即使可以延寿，也逃不过被放弃的命运。相比较而言，天宫的规模成本适中，设计寿命10年，实际寿命估计翻翻没问题，是可持续发展的典范。而且积木式结构也同样具备扩展性。作为备份的天和二号核心舱，在天宫一期工程完工后，也不会甘于一直呆在地面上。而是会上天和天和一号核心舱对接，从而开启二期工程。届时，再发射几个实验舱，天宫就会摇身一变，成为两百吨级空间站。