專訪 | 中國航天報對話空間站總設計師_風聞

來源：中國航天報

4月29日，由航天科技集團五院研製的中國空間站核心艙——“天和”在太空中順利定位，包含11次飛行任務的中國空間站建設任務由此開啓。

核心艙命名為“天和”，全長16.6米，最大直徑4.2米，發射質量22.5噸，可支持3名航天員長期在軌駐留，是我國目前研製的最大航天****器。

它既是空間站的管理和控制中心，也是航天員生活和工作的主要場所，還能支持開展一定規模的空間科學實驗和技術試驗。

如何建設中國空間站？中國空間站有哪些特色？如何讓中國的“太空實驗室”發揮出巨大的科學價值？中國空間站系統總設計師楊宏將獨家為你揭秘。

**是66噸重的“超級工程”，**更是11次“連環工程”

看設計師如何在太空中搭積木式建造空間站

15年前，楊宏作為我國首個空間實驗室——“天宮一號”的總設計師，參與了天宮一號全流程的設計工作。

2011年，結束“天宮一號”的工作後，他被任命為中國空間站總設計師，迅速參與到中國空間站的方案設計中。

如何實現從“空間實驗室”到長期在近地軌道運行的“載人空間站”的迭代和升級，成為楊宏和他的團隊重點思考的問題。

據中國載人航天工程總設計師周建平介紹，空間站基本構型有3個艙段——1個核心艙，2個實驗艙。每個艙都是20噸級，三艙組合體質量約66噸。

空間站整體呈T字構型，核心艙居中，實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ分別連接於兩側。其中，核心艙用來控制整個空間站組合體，兩個實驗艙分別用於生物、材料、微重力流體、基礎物理等多方面的科學實驗。

核心艙是空間站的主控艙段，相當於是整個空間站的中樞系統，主要對整個空間站的飛行姿態、動力性能、載人環境進行控制。核心艙的大柱段直徑4.2米，小柱段直徑2.8米。大柱段部位主要是航天員開展工作和實驗的地方，小柱段則是航天員的睡眠區和衞生區，保障航天員的生活和正常居住。

**實驗艙Ⅰ名為“問天”，主要任務是開展艙內和艙外空間科學實驗和技術試驗，也是航天員的工作生活場所和應急避難場所。**實驗艙Ⅰ配備了航天員出艙活動專用氣閘艙，支持航天員出艙活動，配置了小型機械臂，可進行艙外載荷自動安裝操作。該艙有着核心艙部分關鍵平台功能，這意味着在需要的時候，它可以執行對整個空間站的管理和控制。

**實驗艙Ⅱ名為“夢天”，具備和實驗艙Ⅰ類似的功能。**該艙配置有貨物專用氣閘艙，在航天員和機械臂的輔助下，支持貨物、載荷自動進出艙。

**空間站工程還包括天地往返運輸系統和貨物運輸系統。**天地往返人員運輸系統由神舟載人飛船和長征二號F運載火箭組成，貨物運輸系統主要由天舟貨運飛船和長征七號運載火箭組成，用於航天員和部分物資往返空間站。神舟載人飛船可支持3名航天員實現天地往返，在空間站停靠期間也作為救生船，用於航天員應急救生和返回。

在中國空間站中，航天員的活動空間得到極大拓展。

有人統計過，神舟七號載人飛船航天員的活動空間大概是7立方米；“天宮一號”航天員有效活動空間約為15立方米，大概相當於一個7平方米房間大小。而在中國空間站裏，航天員活動空間擴展到了110立方米。

如果把神舟飛船比作一輛轎車，那“天宮一號”和“天宮二號”就相當於一室一廳，空間站則像是三室兩廳還帶儲藏間。

但是，空間站不是“天宮一號”簡單的放大樣，要保證空間站長期安全穩定運行、保障航天員長期在軌健康生活和高效率工作，還要開展大規模的科學技術試驗。有些關鍵技術在地面受重力影響，還要在天上繼續進行關鍵技術在軌驗證。需要在兩年內實施11次飛行任務，涉及空間站核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ；4艘貨運飛船和4艘載人飛船的任務，依次圍繞核心艙完成組裝建造工作。難怪五院的設計師説空間站的建造就像是“在太空中搭積木”。

這樣高密度任務在我國載人航天工程中從未有過。11次任務環環相扣，一系列關鍵技術需要在天上驗證，並進行分段評估，才能進行下一階段建造工作，進而決定“下一步走向”，可謂是“步步驚心”。

舉例來説，**天和核心艙上天后，**需要根據自身表現，在48小時內評估在軌狀態，進而為下一個任務——天舟二號發出指令，讓其進入“發射倒計時”準備階段。兵馬未動，糧草先行。

**天舟二號貨運飛船上天后，根據對接狀態，給下一個任務——神舟十二號載人飛船相應的指令。**確認一切正常後，載人飛船才能進入發射準備階段。隨後的每一次飛行，都是建立在之前任務狀態正常的基礎上，才能實施後續任務。任務之間耦合度極高，不允許有任何閃失。

據介紹，中國空間站提供3個對接口，支持載人飛船、貨運飛船及其他來訪飛行器的對接和停靠。額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達6人，具備十幾噸載荷設備的安裝和支持能力。

與此同時，中國空間站設計壽命不小於10年，具有通過維護維修延長使用壽命的能力，能夠擴展到180噸級，也為後續發展留有一定的空間。

是“無紙化操作”，更是“數字化工程”

看先進信息技術如何“加持”研製全鏈條

提到空間站，大家首先會想到國際空間站。以美國為首的16個成員國組成聯盟，集合了當時最先進的航天技術，但卻把中國排除在外。

中國空間站憑藉一國之力獨立建造，瞄準“整體水平能夠達到世界先進水平、局部能夠超越國際空間站”這個目標來研發，從整體希望達到國際先進水平，並能在局部有所超越。要實現這個目標，靠的是什麼？

對這個問題，楊宏有自己深刻的理解：靠的是新型舉國體制優勢，創新引領和航天事業多年積累的體系作為保障，開展全國大協作，集智攻關。

除此之外，他還認為，要堅持以信息技術來提升載人航天器能力的設計理念。在工程研製中大膽採用先進信息技術能夠給航天器帶來突飛猛進的進步。

傳統的航天器研製和生產，從圖紙到初樣再到正樣，是必經之路。

不同於單一航天器的研製，中國空間站建設涉及3個艙段，還包括與貨運飛船、載人飛船的對接，系統之間的關聯性和耦合性極高，可謂“牽一髮而動全身”。

作為總師，在各個艙段的設計中，如何實現系統間的高效連接，追求最大程度的“一次到位”，成為楊宏關注的焦點問題。

“數字化”就是破解這個難題的密鑰。

此次在中國空間站研製中實現了“數字化模型設計”，設計過程中沒有產生一張紙質圖紙，這讓研製團隊頗為驕傲。

除了實現各個艙段的“友好耦合”外，空間站艙內設備也需要做到“佈局優化”，讓航天員的工作生活更便利。

“就像我們自己家裏搞裝修一樣，除了佈線，室內還要裝空調、照明燈，哪個先裝，哪個後裝，都需要統籌考慮。採用數字化建模之後，各個系統就可以在自己的模塊內反覆迭代，直到生成一個在參數範圍內的最理想、和其他系統匹配度最高的模型，生產方拿到設計模型後，直接進入生產環節。”楊宏説，恰恰就是採用這種方式，讓設計和生產沒有誤差，一氣呵成。就連艙內最難辦的1000多條異性管路，都能一次安裝到位，沒有返工。

還有一個小細節也能看到“數字化手段”的功勞。在太空中運行的航天器講究“質量配平”，大概意思就是艙體佈局重量相當。一般情況下，這很難依靠已有的設備實現“完全配平”，需要額外的“配重”來達到平衡。此次在空間站中**，因為有數字化手段引入，沒有一點多餘便可輕鬆實現艙內佈局優化的目標。**

值得一提的是，此次艙內實現了WiFi全覆蓋。航天員所有的生理參數都通過網絡實時下傳。先進信息技術的採用，會讓航天員如同在地面上一樣看劇、打視頻電話，太空生活更加豐富。

是“高可靠產品”，更是“高品質樣板”

看“舒適太空港”背後的設計匠心

空間站就是航天員在太空中賴以生存的家，設計師們需要把航天員的安全問題放在首位。

經過載人航天“三步走”中“前兩步”的實施，人的“安全性”問題已經得到了充分驗證。即便如此，研製團隊還是做了大量功課，針對能想到的風險都做了詳盡的預案。

拿安全性來説，航天員在太空中最怕什麼？一怕失壓，二怕失火。

太空是一個真空環境。宇宙飛船上的密封艙有適合航天員生活和工作的環境，艙外活動用的航天服，也具有維持正常生活的大氣壓和氧氣。一旦密封艙或航天服遭流星、太空垃圾襲擊或其他機械損傷，哪怕是一個很小的洞或裂縫，空氣都會很快跑光，航天員將會面臨生命危險。

所以，密封問題非常關鍵。研製團隊針對國際空間站出現的泄漏問題進行了充分的舉一反三。對艙內所有的密封環節，進行一一複查。

此外，針對空間碎片問題，中國空間站配備了一套撞擊打擊預防系統，能夠對“不速之客”——空間碎片，進行定位感知，通過對空間站實施升軌或者降軌，對空間碎片進行規避。

這就像我們坐飛機一樣，遇到不穩定的強烈氣流，飛機通過改變高度實現規避的原理是一樣的。

此外，針對防失火問題，艙內所有的材料都採用阻燃材料，對高壓用電也進行了嚴格控制。如果發生重大險情，航天員緊急撤離和快速撤離模式可立即啓動，幫助航天員在5分鐘內快速逃離危險區。

除了在安全性上做足功課外，設計師們也在想辦法提高航天員的太空生活舒適度，注意私密性，極大地提高了航天員的“太空生活質量”。

**在中國空間站上，滿足乘員輪換期間短期可達6人的居住條件。**6人可各自擁有獨立的睡眠區和生活區，設計師們對通風、噪聲、燈光等細節都有非常周密的考慮。

我們都有這樣的感受，通風對室內環境很重要。但是，風大了會着涼，風小了空氣無法流動。在密封的艙體內，必須要靠風扇讓空氣流動起來。為了防止航天員着涼，航天員睡眠區和工作區的風速都是不同的。經過多次測試、考量，設計團隊最終將中國空間站工作區風速設定為每秒0.08米，睡眠區風速則為每秒0.05米。

通風問題隨之會帶來噪聲問題。楊宏坦言，設計團隊花了一年半時間進行噪聲問題攻關，“付出了很大的辛苦”。

艙內有大量設備，設備轉動起來不可避免會帶來噪聲，並通過艙體結構進行傳導，人在這樣嘈雜的環境中待久了顯然就會很不舒服。

這個問題需要解決。楊宏帶着總體設計人員和502所的技術人員協同攻關，最終通過加隔振器的方式有效過濾掉了噪聲，**使工作區的噪聲從71分貝降到了58分貝，睡眠區從58分貝降到了49分貝。**對人體而言，理想的睡眠環境是30到50分貝。對比國際空間站“工作區72分貝，睡眠區55分貝”的噪聲參數，楊宏對中國空間站的噪聲處理結果很滿意。

此外，中國空間站還將是一個“智能家居”環境，航天員通過平板電腦遙控指揮艙內的家用電器，在太空廚房裏還能使用冰箱、飲水機、微波爐。

在太空中，航天員將按照北京時間來作息。**空間站環繞地球一圈是90分鐘，航天員24小時內最多能看到16次日出日落。**為了讓航天員生物鐘不受影響，設計師在艙內設置了情景照明系統，就像波音787、空客380客機一樣，定時將燈光變成黃昏模式、日間模式。這些細節上的周到考慮，都是為了給航天員打造一個宜居環境。

中國智造，更是中國創造

看航天科技和民用技術如何合力打造“最強大腦”

**楊宏把空間站的建造比作是“搭台唱戲”，中國空間站既是為中國科學家，也是為全球科學家提供的科學探索平台。**這一初衷，註定了中國空間站是開放的。

秉承這樣的設計思想，中國空間站在集納當前北斗、天鏈等先進航天技術的基礎上，採用了很多先進的民用技術和商用技術。

艙內的電器都是我們耳熟能詳的家用電器品牌。無線WiFi數據傳輸系統實現了艙內無纜化，確保了艙內環境井然有序。

在空間站的天地通話環節上，將看不到航天員戴着耳機與地面連線的場景，骨傳導耳機技術運用其中，將會大大減少航天員的用耳負擔。

地面物流技術也被設計師應用其中。伴隨着貨運飛船的陸續抵達，貨物的打包、開包、整理、安裝的工作量巨大。國際空間站上已經有100多件物品找不到了**，“就像家裏一樣，一個人放的東西，如何能確保其他人都能找到？”**楊宏舉例説道。

借鑑國內物流巨頭先進的貨物管理技術，中國空間站建立了一套物流管理系統，航天員能夠通過掃描二維碼的方式，識別貨物的位置信息和產品信息，同時對產品信息的庫存數量都能做到動態掌控，一進一出，都有台賬，確保航天員的工作生活更便捷。