天宮一號、天宮二號的區(qū)別在哪里?

【專家解說】：分析稱天宮一號驗(yàn)證技術(shù)天宮二號為目標(biāo)型號 新浪航天訊 今年10月27日，中國載人空間站工程正式啟動實(shí)施。珠海航展上，中國航天展示了空間站模型，令參觀者印象深刻。 中國國家級空間站尚沒有命名，在此稱為“國家空間站”。這是中國載人航天921工程第三步規(guī)劃需要的目標(biāo)，2020年前發(fā)射核心艙和實(shí)驗(yàn)艙，在軌組裝成載人空間站雛形，隨后發(fā)射各個(gè)艙段與空間站對接、組裝，構(gòu)成國家空間站。規(guī)模不超過俄羅斯和平號空間站，遵循適度發(fā)展原則，以節(jié)約開支。即便如此，國家空間站的規(guī)模也很大，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加上目前披露的信息非常少，對其科普和報(bào)道具有是十足的挑戰(zhàn)。 2016年前，是空間實(shí)驗(yàn)室的實(shí)施階段，2016年后才投入空間站建設(shè)。空間實(shí)驗(yàn)室和空間站是既有聯(lián)系又有很大區(qū)別的兩個(gè)概念?？臻g實(shí)驗(yàn)室的壽命不大于五年，空間站擁有五到十年的壽命，甚至更長。空間實(shí)驗(yàn)室規(guī)模較小，對接口少，缺乏擴(kuò)展能力，空間站至少兩個(gè)對接口，能同時(shí)對接載人飛船和貨運(yùn)飛船、各艙段。航天員在空間實(shí)驗(yàn)室短期逗留，最多幾十天，而航天員在空間站長期工作，多在百天以上?？臻g實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)給物資一次攜帶，空間站定期利用貨運(yùn)飛船補(bǔ)給。空間實(shí)驗(yàn)室攜帶的各種設(shè)備一般一次性使用到壽命，空間站可以多次更換設(shè)備和逐步增加設(shè)備。航天員在空間實(shí)驗(yàn)室展開訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)等方面的任務(wù)，而空間站航天員還要經(jīng)常出艙，建設(shè)和維修空間站?？臻g實(shí)驗(yàn)室技術(shù)難度較少，通常作為空間站技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺而建造。 國家空間站的建設(shè)擁有后發(fā)優(yōu)勢，可以利用美國、俄羅斯的成功經(jīng)驗(yàn)，多快好省的完成建設(shè)任務(wù)。國家空間站借鑒了和平號空間站的建設(shè)思路，多艙段對接，靈活布局，而國際空間站擁有巨大的桁架結(jié)構(gòu)，組裝出多個(gè)功能艙段以后才投入使用，然后積木式搭配更多艙段。國際空間站優(yōu)勢明顯，整體規(guī)劃分批建設(shè)，功能齊全，但是建設(shè)曠日持久，建設(shè)初期的很長一段時(shí)間無法使用。國家空間站布局靈活，配置方便，發(fā)射初期即可投入使用，但是受艙段功能的限制較多，功能和使用的局限較大。形象的說，建設(shè)國際空間象在荒地上建設(shè)別墅一樣，先將主體建筑如臥房、客廳一起造好，然后再造廚房、車庫等建筑。國家空間站在荒田上先建個(gè)茅草屋當(dāng)客廳和臥室，然后在旁邊續(xù)建茅草屋，這個(gè)是廚房，那個(gè)是衛(wèi)生間的不斷擴(kuò)充，其中最重要的是盡快建一棟秦磚漢瓦排場闊綽的客廳，迎接四方賓客。 國家空間站擁有一個(gè)對接艙，這是空間站結(jié)構(gòu)的核心。對接艙相當(dāng)于一個(gè)萬向接頭，一個(gè)正方體有六個(gè)面，每個(gè)面都可以設(shè)一個(gè)接口，六個(gè)面可以有六個(gè)接口，對接艙外部有六個(gè)接口，內(nèi)部是通道。模型顯示艙段占據(jù)四個(gè)方向，飛船占據(jù)兩個(gè)方向?？臻g站必須將為神舟載人飛船留一個(gè)接口，供航天員往返地球，必須為貨運(yùn)飛船留一個(gè)接口，補(bǔ)充空間站物資。空間站還有長期工作的航天員，也需要一艘神舟飛船往返地球，空間站其中一個(gè)艙段雙向接口，一頭與對接艙連接，一頭連接神舟飛船。這樣，國家空間站擁有1個(gè)對接艙，4個(gè)功能艙段，2艘神舟飛船，1艘貨運(yùn)飛船。國際空間站3名宇航員配置的時(shí)候，擁有1艘待命的聯(lián)盟號飛船，飛船可以在空間站待命半年。下一艘聯(lián)盟號飛船訪問空間站，可以交換工作人員，或者短期訪問后離開，但是返回地球的航天員必須乘坐前一艘飛船離開，將后一艘飛船留在空間站當(dāng)緊急救生飛船待命。這種使用流程是因?yàn)轱w船受空間限制，使用壽命只有半年，用輪替方式保證空間站航天員在緊急情況下有救生飛船逃生。國家空間站使用流程應(yīng)與此相同，將兩個(gè)接口分配給神舟飛船。貨運(yùn)飛船定期飛抵空間站，需要一個(gè)接口，理論上可以使用分配給神舟飛船的接口，但是會給長期使用的計(jì)劃安排帶來很大困擾，應(yīng)該給一個(gè)專用接口。 國家空間站的四個(gè)功能艙段都是雙艙體制，分為實(shí)驗(yàn)艙和資源艙。實(shí)驗(yàn)艙是短粗的圓柱型，體積、直徑比飛船大，由密封的前錐段、柱段和后錐段組成，前端安裝一個(gè)對接機(jī)構(gòu)。資源艙一方面為軌道機(jī)動提供動力，另一方面為飛行提供能源，前部與實(shí)驗(yàn)艙固定連接，與實(shí)驗(yàn)艙一齊發(fā)射上天。圓柱型資源艙直徑比實(shí)驗(yàn)艙小，比神舟飛船大，前部外表面有三道環(huán)狀加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，后部外表面兩層環(huán)狀分布多個(gè)推力器噴管，中部有一對太陽能帆板提供電力能源。功能艙段在天宮一號目標(biāo)飛行器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，4個(gè)功能艙段的外形都有區(qū)別，分成兩種結(jié)構(gòu)，其中一種是天宮構(gòu)型，另一種在資源艙后部加長一段，擴(kuò)大了使用空間，同時(shí)將資源艙對稱布置的太陽能帆板和推進(jìn)裝置移到增加的后部艙室上。兩端都有接口的艙段應(yīng)該是空間站的“客廳”，或能稱為服務(wù)艙，這個(gè)艙段直徑較小的資源艙與對接艙連接，而其它艙段是實(shí)驗(yàn)艙與對接艙連接。服務(wù)艙另一端連接一艘神舟飛船。 長期有人照料空間站必須要有推進(jìn)裝置。美國“天空實(shí)驗(yàn)室”軌道高度約435公里，沒有軌道維持能力，主要受軌道上稀薄大氣造成的阻力影響，6年后墜毀在大氣層?？臻g站如果運(yùn)行在200-300公里的軌道上，如蘇聯(lián)禮炮號系列空間實(shí)驗(yàn)室，每天下降約3公里，壽命只有幾個(gè)月。在這個(gè)軌道高度，維持軌道不變，每天需要消耗15公斤推進(jìn)劑，兩個(gè)月就要900公斤推進(jìn)劑，所以空間站軌道高度都比較高，不選擇200-300公里高度?？臻g站軌道如果比較高，飛船要消耗更多動力才能飛抵，如果軌道位置較低，飛船消耗的動力少，但是空間站軌道維持消耗的推進(jìn)劑就多?？臻g站可以設(shè)計(jì)成從較高軌道機(jī)動到較低軌道，迎接載人飛船，逗留一段時(shí)間，等航天員輪換完畢，神舟飛船脫離空間站以后，空間站再返回較高位置。國家空間站建站初期可以采用高低軌道切換方式，具備一定規(guī)模以后，軌道切換將給任務(wù)計(jì)劃帶來嚴(yán)重困擾，應(yīng)使用較高軌道固定運(yùn)行方式。根據(jù)計(jì)算，500公里高度軌道維持，每天僅需要消耗0.35公斤推進(jìn)劑，國家空間站可能選擇這個(gè)軌道高度，也可能在400公里以上軌道運(yùn)行。國際空間站的運(yùn)行高度是397公里，需要使用現(xiàn)有的和未來的各種運(yùn)輸工具，軌道高度較高會給運(yùn)輸工具的設(shè)計(jì)帶來很多難度，國家空間站運(yùn)輸工具只有載人和載貨飛船兩種。運(yùn)輸工具人貨分離，分別運(yùn)輸，現(xiàn)有的神舟飛船就能節(jié)約很多重量，維生消耗物資可以從空間站取得，飛船僅需要攜帶少量消耗品，有更多重量空間分配給推進(jìn)系統(tǒng)，可以接受空間站較高的軌道位置。 根據(jù)計(jì)算，航天員每天需要消耗氧氣0.8公斤，食物0.7公斤，水8.5公斤，共約10公斤。如果洗滌用水重復(fù)回收使用，每天消耗5公斤重量。如果尿液凈化處理再循環(huán)使用，消耗重量還可以有較多降低。美國航空航天局(NASA)耗費(fèi)巨資開發(fā)了國際空間站的尿液循環(huán)利用裝置，頗讓公眾覺得搞笑，但是對航天界來說，這是巨大的技術(shù)進(jìn)步，能夠節(jié)約空間站維持費(fèi)用?，F(xiàn)在討論國家空間站貨運(yùn)飛船發(fā)射間隔太早，隨著技術(shù)進(jìn)步，空間站日常重量消耗可以降低很多。從目前的情況來看，國家空間站需要每兩個(gè)月補(bǔ)充一次物資，達(dá)到貨運(yùn)飛船三個(gè)月補(bǔ)充一次物資的頻率應(yīng)該能夠有望實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)然，隨著新一代大推力長征五號運(yùn)載火箭投入使用，開發(fā)一種大載重量的新型貨運(yùn)飛船也是可以的。國家空間站模型比較簡略，展示的3艘飛船其實(shí)都是擁有氣閘艙段的神舟，貨運(yùn)飛船存在較大變數(shù)。貨運(yùn)飛船疑問帶來一系列復(fù)雜的技術(shù)解釋，直接涉及空間站的建造全過程，在此略加說明。國家空間站載人飛船是神舟，貨運(yùn)飛船有兩種構(gòu)思。第一種構(gòu)思是新研制大載重量貨運(yùn)飛船，其中又分兩種。第一種在天宮一號目標(biāo)飛行器的基礎(chǔ)上改為貨運(yùn)飛船，可以攜帶5.5噸的貨物，發(fā)射重量13噸，可以使用長征七號運(yùn)載火箭發(fā)射。長征七號是長征2F換用液氧煤油推進(jìn)劑的型號，研制難度較低，安全性能有望達(dá)到長征2F的水平，這是最有可能的方案。第二種是使用長征五號運(yùn)載火箭，研制更大重量的貨運(yùn)飛船。根據(jù)國外情況和國內(nèi)論證，國家空間站核心艙段重20噸，并且直徑在5米以上，長征七號運(yùn)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，而長征五號低軌道運(yùn)載能力達(dá)到25噸，可以運(yùn)送核心艙段。可以在核心艙段的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展出新型貨運(yùn)飛船，這個(gè)方案受長征五號成熟度制約。 中國天宮一號與美俄空間試驗(yàn)室技術(shù)差距較大 火箭發(fā)射載人飛船，可靠性要求最高，避免發(fā)射失敗;發(fā)射貨運(yùn)飛船，可靠性要求可以降低一些;發(fā)射空間站艙段，可靠性要求還可以降低。可靠性設(shè)計(jì)不可能達(dá)到100%，但是可以無限趨近100%，隨著逼近可靠性上限，開發(fā)費(fèi)用急劇上升，直到無法承受的地步，所以火箭可靠性設(shè)計(jì)受經(jīng)濟(jì)性制約?？紤]開發(fā)費(fèi)用和研制進(jìn)度以后以后，長征五號火箭最初用于衛(wèi)星發(fā)射，滿足可靠性要求以后就能發(fā)射空間站核心艙段，但是還不能發(fā)射貨運(yùn)飛船。從承受失敗的角度來說，核心艙段發(fā)射失敗，只讓空間站建設(shè)滯后，損失一大筆錢和消耗不少建設(shè)時(shí)間，不會對整個(gè)工程構(gòu)成致命打擊。發(fā)射貨運(yùn)飛船失敗，就要查找故障原因，一段時(shí)間內(nèi)就不能發(fā)射貨運(yùn)飛船了，而空間站需要維持，等不了那么長的時(shí)間，只能讓航天員返回地球，這對整個(gè)工程造成嚴(yán)重影響。貨運(yùn)火箭可靠性要求比較高，以便滿足每年多次成功發(fā)射的要求，但是一種新火箭投入使用以后，必須要靠很多發(fā)射積累經(jīng)驗(yàn)以期日臻成熟，長征五號快速達(dá)到貨運(yùn)火箭的要求面臨很多技術(shù)-經(jīng)費(fèi)-時(shí)間的制約，用于國家空間站貨運(yùn)飛船發(fā)射工具較為冒險(xiǎn)。第二種構(gòu)思技術(shù)難度最小，神舟簡單改進(jìn)，取消航天員維持設(shè)施和貨運(yùn)無需的設(shè)備，作為貨運(yùn)飛船使用，這種貨運(yùn)飛船可以使用成熟可靠的長征2F火箭發(fā)射。俄羅斯進(jìn)步號貨運(yùn)飛船就由聯(lián)盟號飛船改進(jìn)而來，載重量2.5噸，神舟飛船與聯(lián)盟號類似，改裝的貨運(yùn)飛船也有2噸多的載重量。神舟貨運(yùn)飛船方案載重量太小，只能滿足國家空間站初步建設(shè)需要，空間站正式運(yùn)行勢必帶來發(fā)射頻繁的弊端。 綜合上述情況，神舟貨運(yùn)飛船可以在空間實(shí)驗(yàn)室階段使用，也可以作為應(yīng)急貨運(yùn)飛船用于空間站，技術(shù)難度最小，甚至可以直接發(fā)射載人飛船，用作貨運(yùn)。在神舟基礎(chǔ)上發(fā)展貨運(yùn)飛船顯得有些不值得。目前披露的信息是將天宮改為貨運(yùn)飛船，用于空間實(shí)驗(yàn)室/空間站建設(shè)。其中的變數(shù)是長征七號運(yùn)載火箭的開發(fā)進(jìn)度，換推進(jìn)劑以后，需要一定的成熟時(shí)間，可能在時(shí)間上趕不上空間實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，但是對空間站建設(shè)而言，時(shí)間充分，國家空間站應(yīng)該選擇這種方案。配備長征五號的貨運(yùn)飛船是空間站建設(shè)遠(yuǎn)景思考，要待日后詳細(xì)研究是否需要，天宮貨運(yùn)飛船已經(jīng)滿足空間站需要，目前不用考慮這個(gè)方案。神舟貨運(yùn)方案有可能在近期建設(shè)空間實(shí)驗(yàn)室階段投入使用，目前沒有進(jìn)一步消息。 明年春，天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號無人飛船陸續(xù)上天，拉開空間實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的帷幕?？臻g站各艙段對接組裝而成，既可以通過接口增加艙段，也可以方便的拋棄壽命到期的艙段，所以空間實(shí)驗(yàn)室和空間站建設(shè)留下“無縫鏈結(jié)”的可能性，空間站是否有利用一些空間實(shí)驗(yàn)室艙段的可能。 天宮一號壽命只有兩年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)等不到2020年空間站建設(shè)的時(shí)候。在2006年珠海航展一個(gè)不起眼的角落里，展示了一個(gè)具有兩接口的空間實(shí)驗(yàn)室模型，這個(gè)模型長期令人費(fèi)解。現(xiàn)在獲知，天宮一號只有一個(gè)接口，同時(shí)天宮一號成為純試驗(yàn)品，完成試驗(yàn)即廢棄，2006年模型轉(zhuǎn)為天宮二號的任務(wù)。這又帶來一系列復(fù)雜解釋。中國航天向來有著出色的頂層規(guī)劃，但是在具體實(shí)施過程中，會視情況調(diào)整改變方案部署。如中國第一顆東方紅一號衛(wèi)星，最初的設(shè)計(jì)功能完善，后因趕不上進(jìn)度，砍掉很多功能，發(fā)射上天的是閹割版的衛(wèi)星，第二顆衛(wèi)星實(shí)踐一號才達(dá)到最初的研制目標(biāo)，一顆衛(wèi)星變成兩顆衛(wèi)星既保證進(jìn)度，又保證航天需要。眼下大紅大紫嫦娥二號月球探測器同樣情況，首先上天的嫦娥一號出于確保成功等諸多技術(shù)考慮，對可靠性做了較大妥協(xié)，搞成閹割版，嫦娥二號才達(dá)到設(shè)計(jì)初衷。這種情況在天宮一號項(xiàng)目上重演，因?yàn)榧夹g(shù)跨度比較大，技術(shù)儲備又比較少，中途更改設(shè)計(jì)，雙接口改為單接口。2006年雙接口模型已經(jīng)轉(zhuǎn)為天宮二號。需要說明的是，經(jīng)常出現(xiàn)閹割版的情況是初始目標(biāo)定高了，航天的本意是盡量為國家節(jié)省投資，希望一次發(fā)射獲得盡量多的成果，因?yàn)橛?jì)劃執(zhí)行中出現(xiàn)諸多情況而選擇分步走。 從國外經(jīng)驗(yàn)來看，接口數(shù)量至少有兩個(gè)才能保證空間實(shí)驗(yàn)室的功能實(shí)現(xiàn)?？臻g實(shí)驗(yàn)室可以由飛船提供動力協(xié)助軌道維持，無人運(yùn)行期間才由自身動力提供軌道維持。如果壽命比較長，空間實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)系統(tǒng)耗盡推進(jìn)劑，就要補(bǔ)充。推進(jìn)艙段總是在尾部，避免啟動發(fā)動機(jī)對其它艙段造成影響，同時(shí)尾部也留給推進(jìn)劑補(bǔ)充對接口使用。當(dāng)然，補(bǔ)充推進(jìn)劑有多種方式，不一定需要從推進(jìn)艙對接。從國家空間站模型來看，各功能艙段資源艙尾部都有噴口，不能增加對接口，早前有一張空間站模擬圖片曾經(jīng)出現(xiàn)的推進(jìn)劑對接口也不見蹤跡，這可能顯示模型是目前的階段性設(shè)想，真正的國家空間站外形要在日后揭曉，也可能放棄對接加注推進(jìn)劑方案。模型顯示空間站擁有充分靈活性，服務(wù)艙擁有兩個(gè)接口，可以兩頭都和對接艙連接，增加一個(gè)對接艙就能增加五個(gè)接口。也可以使用雙服務(wù)艙結(jié)構(gòu)，再發(fā)射一個(gè)服務(wù)艙，兩個(gè)服務(wù)艙對接，服務(wù)艙另一個(gè)接口再對接增加的對接艙?？臻g站擁有充分的擴(kuò)充能力。 受火箭運(yùn)載能力限制，天宮一號只有8噸重，與美國、蘇聯(lián)的空間實(shí)驗(yàn)室差距較大。天宮一號主要試驗(yàn)交匯對接技術(shù)，掌握數(shù)據(jù)測量、軌道控制、生產(chǎn)制造等技術(shù)難點(diǎn)，神舟八號飛船與天宮一號展開無人交會對接試驗(yàn)。然后在兩年內(nèi)發(fā)射神舟九號、神舟十號飛船，分別與天宮一號完成空間交會對接等試驗(yàn)任務(wù)，為建造空間實(shí)驗(yàn)室積累工程經(jīng)驗(yàn)。因?yàn)樯裰埏w船的三次飛行主任務(wù)都是交會對接，所以天宮一號被稱為目標(biāo)飛行器，表示是交會對接試驗(yàn)中的被動目標(biāo)，此時(shí)飛船稱作追蹤飛行器，主動接近目標(biāo)飛行器。 天宮二號是試驗(yàn)空間實(shí)驗(yàn)室，與天宮一號類似，雙接口保證了擴(kuò)展能力的擁有。主要開展地球觀測和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等試驗(yàn)。待長征七號研發(fā)成功以后，發(fā)射更大的天宮三號，建設(shè)正式的空間實(shí)驗(yàn)室。主要完成再生生保關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)、航天員中期在軌駐留、貨運(yùn)飛船在軌試驗(yàn)、空間科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)試驗(yàn)等。其中天宮三號如果使用長征七號運(yùn)載火箭，重量體積都受限制，難以成為空間站功能艙段。目前信息很少，變數(shù)太多，有待日后進(jìn)一步觀察。天宮三號也可能使用最簡單的方式，在天宮二號基礎(chǔ)上改進(jìn)，與天宮二號對接，構(gòu)成小型空間實(shí)驗(yàn)室，這種方式多快好省，但是很難支持到空間站建設(shè)的那一天。如果天宮三號更大，壽命更長，倒是可以在空間站建設(shè)初期發(fā)揮作用，發(fā)射節(jié)點(diǎn)艙與之對接，然后發(fā)射空間站核心艙段再次對接，天宮三號到壽命就拋棄，達(dá)到空間實(shí)驗(yàn)室與國家空間站的無縫鏈結(jié)。從中國航天一貫謹(jǐn)慎的作風(fēng)來看，這是最有可能的可持續(xù)載人航天發(fā)展方案，避免出現(xiàn)中斷情況，天上始終有實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行。航展一個(gè)圖板顯示了空間實(shí)驗(yàn)室想象圖，可能就是天宮三號，比較意外的是擁有一個(gè)多接口的對接艙，顯示目前有可能在考慮延長天宮三號使用壽命，堅(jiān)持到空間站建設(shè)的那一天。 目前計(jì)劃是，天宮三號空間實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行到2016年就結(jié)束任務(wù)，等待2020年左右發(fā)射核心艙段，建設(shè)國家空間站。國家空間站模型充分顯示中國航天遵循技術(shù)積累原則，和耐心、有序、穩(wěn)妥的作風(fēng)，國家空間站完全有可能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)達(dá)成目標(biāo)，我們有理由對國家空間站的建設(shè)充滿信心!