中國空間站為什麼要這樣設計？_風聞

人類目前共有四代空間站，中國要建設的是一個相當於第三代空間站水平的天宮空間站，總大小在80-100噸級，有潛力擴展實驗艙成100+噸級，預計在2022年完成，壽命十年，亦可通過維護延期。

相比而言，它比起目前420噸級的第四代空間站國際空間站的確要小一圈，但天宮對於我國而言已經是最佳方案。

先從簡述前三代空間站歷史和特點説起。

1.基本背景

上世紀60年代末，蘇聯在登月項目的競爭中落敗於美國後，便掀起了新一波的競爭：空間站建設。長期以來的載人航天實驗、尤其是阿波羅登月的成功，驗證了人類可長時間生存在太空中的可能性。在設想中，通過建立長期駐人的空間站，可以實現覆蓋全球的軍事偵察甚至潛在的作戰目的。蘇聯於是將航天發展重心押在長期可駐人空間站，可發射大型任務的質子系列火箭也完全成熟。

2.第一代和第二代空間站

早在美國還在進行阿波羅登月的1971年，蘇聯便把極度軍事秘密的禮炮一號(Salyut)送入太空，並在後續項目中嘗試裝載武器。

在1971-1982年期間，蘇聯共計發射了9個重達18-20噸的空間站，其中7個取得成功，技術上分為兩代。

第一代為實驗飛行器性質，僅有一個對接口，意味着一次僅能對接一艘飛船，我國的天宮一號和二號也是類似功能。它們主要用來驗證交會對接、出艙行走、長期在軌駐留等實驗，用完就沒有太大意義了。

第二代為長期駐留空間站，此時已經帶有兩個對接口，可一次對接兩艘飛船。其中，三個軍用的禮炮空間站還進行了秘密的武器試驗，例如在禮炮三號上安裝了圖-22轟炸機自衞航炮作為攻擊武器，無奈由於無法解決武器發射時導致的旋轉問題被迫放棄。

蘇聯的第二代空間站已經相當強大，禮炮6和7號都迎來了巨大成功。

在蘇聯壓力下，美國方面也毅然轉向空間站建設，由於龐大登月火箭土星五號的存在，他們只需將其中一級（Saturn IV-B）改裝成空間站結構，即可一次性發射超大空間站進入太空，比起蘇聯的單模塊空間站擁有巨大的優勢。

在1973年5月14日，美國通過一枚土星五號運載火箭，將巨大的天空實驗室送入太空。它重約80噸，內部體積達到了368立方米，大約相當於一棟120平的房子飛在空中，前後接待了三批宇航員，載人任務於1974年2月8日結束，任務非常短暫，隨後天空實驗室被封閉，於1979年7月11日返回地球大氣層燒燬。

從性質來講，天空實驗室僅有一個對接口，也屬於第一代空間站。這也符合它的定位，很大程度上是趕鴨子上架為了應對蘇聯壓力上馬的。無論是火箭還是空間站都極其昂貴，載人飛船還是阿波羅登月飛船，太貴了，即便是財大氣粗的美國也無力以該火箭維持空間站的運行。

3.第三代空間站

但蘇聯方面則繼續發展第三代空間站作為載人航天的延續。

天空實驗室任務週期內，蘇聯恰好處在禮炮2號無法使用、宇宙-557剛剛失敗、禮炮3號尚未發射的階段。在政治和軍事壓力下，蘇聯官方提出了更新一代大型空間站的任務，第三代空間站於1976年開始論證，正是和平號空間站的前身。

和平號的最大特點是模塊化組裝，這意味着空間站建設需要通過近地軌道集合的方式完成，降低了每次航天發射的載重需求，每一個模塊也可以在保證接口一致的情況下具有完全不同的獨立功能。計劃中的和平號核心艙，也由禮炮7號升級而來，更新了太陽能陣列（從硅材料到鎵）、新型計算設備、增加接駁塢站到6個等，總重升級到20.4噸，宇航員活動的加壓空間達到90立方米，火箭可以滿足需求。在隨後10年內，通過一系列重要任務，和平號逐漸完成了主體的搭建，期間蘇聯解體，新成立的俄羅斯重新恢復了與美國的航天合作，和平號也因為和美國航天飛機計劃合作而修改了一定建設方案（原計劃對接蘇聯暴風雪號航天飛機），新增了光譜號、對接艙和自然號三個艙段，全貌看起來大概這個樣子。

建成後的和平號成為了一個圍繞核心艙建設、總重129.7噸、350立方米內部加壓空間的龐然大物，運轉在距離地球上空400千米高處。由於對接艙的存在，和平號能夠直接與美國的五架航天飛機對接（實際上是亞特蘭蒂斯號7次，發現號1次，奮進號1次），如果考慮到航天飛機自身重量，整個空間站的最大重量可以高達249噸。期間，先後有31艘聯盟載人飛船（其中1次為新型聯盟TM飛船無人測試）和62艘進步號貨運飛船對接和平號，取得了巨大成就。

和平號空間站是禮炮號系列空間站的技術結晶，作為國際空間站發射前全球最重要的空間站，也是唯一的第三代空間站，它奠定了多艙模塊化組裝、積木式結構方式搭建長期可駐留空間站技術的發展，將主體結構、能源控制系統、軌道和姿態控制系統、計算機系統、環境與生命維持系統、宇航員生活與工作區域、載人和貨運駁接、出艙行走和氣閘艙、科學研究等模塊優化佈局糅合或分列在不同艙段內，效率大大提升。

和平號實現了83.2%生命週期內駐人（4592/5519天），共計接納了來自12個國家的135名宇航員在此工作與生活，他們完成了78次出艙行走並完成海量實驗，這些數據指標都遠超此前所有載人航天任務的總和。於此同時和平號上的宇航員也成為研究人體航天醫學的最佳數據來源，在任務週期內，和平號有多人創造了單次滯空記錄，人類歷史上三次達到或超過一年的記錄均來自和平號空間站宇航員：Valeri Polyakov滯空438天，Sergei Avdeyev實現380天，Vladimir Titov和Musa Manarov實現365天。

這説明第三代空間站已經足夠強大，能實現絕大多數空間科學研究和應用功能，我國的天宮也是這個思路。

4.第四代空間站

90年代初，隨着蘇聯解體、俄羅斯建國，和平號成為了兩個超級大國航天和平合作的契機。在蘇聯計劃發展下一個和平號空間站時，美國也在計劃發展自家的自由號空間站（Freedom）。俄羅斯獨立後，二者的空間站方案一拍即和，決定共建一個空間站，同時接受世界上主要國家加入的申請，這個方案便是自1998年運行到今天的國際空間站，它已經是個標準的第四代空間站。相比較第三代空間站，桁架結構的使用則使得整個空間站結構更大、功能更加複雜。隨着和平號的隕落，國際空間站成為整個人類載人航天的寵兒。

國際空間站的建設比起和平號複雜許多，它需要的組合部分更多，功能要求更強。可以從建設過程明顯看出，桁架質量甚至超過了普通艙段。自從1998年11月20日俄羅斯發射第一個主要艙段曙光號起，一直到今天仍在進行建設過程，主要建設過程由美國的航天飛機計劃完成。由於大型結構的使用，它絕大部分部分建設甚至只能由航天飛機完成，然而航天飛機極其昂貴，平均每15億美元一次任務！

時至今日，國際空間站已經成長為一個寬109米、長73米、高20米、重達419噸、內部容積916立方米的空間巨無霸，相當於一棟七層樓高的小型體育場。自從2000年11月2日首次載人任務以來，它已經連續保持了19年載人飛行，駐紮國際空間站的宇航員被叫作遠征隊（Expedition）成員，每批保持在6位。目前國際空間站還有每年8次左右貨運對接和4次左右載人對接，一個批次的宇航員停留時間大概半年左右。

20年來的運轉，國際空間站完成了數不清的科學實驗，為人類科技進步和航天技術發展做出了巨大貢獻。它是人類載人航天的最高技術體現，也孕育了各個國家的各種載人航天相關器具，例如美國的航天飛機（載人/貨運）、龍飛船（貨運）、龍-2飛船（載人）、天鵝座（貨運），俄羅斯的進步號（貨運）和聯盟號（載人），歐盟的ATV（貨運），日本的HTV（貨運）。它的特殊環境也促使了國際上關於天文觀測、對地遙感、航天醫學、植物育種等多方面技術的快速進步，成為一個獨一無二的科研平台。目前它依然處在很好的運營狀態，除役時間在逐漸延期。

5.我國天宮和國際空間站為什麼設計方案不同？

可以從前文明顯感覺到空間站的發展歷程有以下特點：

a.相對於第一和二代空間站，第三代空間站已經是一個非常大的跨越，全方位的。第四代空間站的確可以依賴桁架式結構做到更大更強，但並沒有巨大的優勢。具體的區別前文介紹過了。

b.大型空間站往往需要更加強力的運載器具，國際空間站離了極其昂貴的航天飛機是根本不可能建成的，但這也導致它的建造費用爆增，20年來總費用超過了2000億美元！我國目前最強的長征五號與質子K是同一級別火箭，不足以建設大型桁架式的結構（體積問題），或者強行改第四代空間站方案建造費用將是個天文數字；

c.國際空間站的運營費用已經極高，例如國際空間站常年保持6人在軌生存，半年左右進行輪換。目前俄羅斯聯盟號載人飛船是唯一運載工具，一張船票就需要8100萬美元，太貴了！而維持運行也需要大量貨運飛船前往，費用極其高昂。每年單美國就需要花費15億美元預算在國際空間站，這個價格基本足夠中國完成嫦娥探月工程。

因而，對於我國而言，選擇建立一個第三代空間站已經足夠完成絕大部分任務目標。長期保持3人在軌運行，用現有的長5（重型建設工作）、長7（天舟貨運飛船）和長2F（神舟載人飛船）火箭即可支撐，性價比顯然要高很多。如果順利，2020年開建，2022年就可建成並投入不亞於10年的運營。

實際上，天宮空間站方案也很靈活。在運行中，天宮空間站將同一個光學艙段共軌飛行。該光學艙是一個十幾噸的大型巡天望遠鏡，在很多指標上都接近甚至超過哈伯太空望遠鏡，視場角是哈勃的300多倍。這種方案減少了對望遠鏡的干擾，同時如果望遠鏡出類似哈勃曾經的質量問題時，也方便維護升級。

同時，核心艙還保有備用對接口等，如有需要可以將天宮空間站進一步升級成更大版本。這些設計理念是非常先進實用的。

我國航天依然處在追趕階段，有太多地方需要花錢，即便再怎麼多快好省也要避免航天人“巧婦難為無米之炊”的窘境，天宮空間站保持一個超高性價比建設和運營方案，對於我國是最優解。

我曾經做過一個空間站的live講解，感興趣可以聽聽：（複製鏈接）

https://www.zhihu.com/lives/837682828706746368