載人航天總設計師: 30年驚人執行力, 如何實現空間站趕俄追美? | 文化縱橫_風聞

✪ 周建平 中國載人航天工程總設計師

【導讀】今天，2022年4月16日，神舟十三號載人飛船返回艙成功着陸，航天員安全順利出艙，身體狀態良好。據報道，2022年，我國將完成空間站在軌建造，建成在軌穩定運行的太空實驗室。隨着國際空間站日漸老化，加之美俄矛盾也對國際空間站運行造成影響，中國空間戰的重要性開始凸顯。人們發問，由美俄歐日等主導的國際空間站長期處於領先位置，並將中國拒之門外，而今中國正迎頭趕上，這究竟是如何做到的？中國為什麼要建設空間站？未來又將向何處去？

本文是中國載人航天工程總設計師周建平於2013年發表的論文《我國空間站工程總體構想》，系統論述我國空間站工程的戰略目標、總體構想、技術路線、技術特色、實現途徑以及國際合作等問題。周建平介紹，1992年中國載人航天工程立項，確定“三步走”的發展戰略目標，並提出清晰的技術路線。從載人飛船上天到出艙行走，再到空間交會對接，30年以來，每一步、每階段的規劃都得到堅定執行，使得中國空間站建設得以高速推進。

美、俄是世界唯二的掌握全套空間站技術體系的國家，相比之下，我國目前仍有差距。但是，通過空間站組裝建造和初步運營，我國將全面系統地掌握空間站技術，形成建造和運營長期大型複雜載人空間設施的能力。周建平認為，空間站建成後，在控制、信息、電源、資源再生利用，物資補給需求，運營成本，應用效益等方面，我國將達到國際先進水平並在一些方面有所超越，並且更為經濟合理。我國空間站建成運營後，未來某段時間可能會成為國際上唯一在軌運行的空間站，並將積極開放空間站工程的國際合作。他認為，中國空間站將代表未來空間站發展的重要方向。

本文原載《載人航天》2013年第1期，原題為《我國空間站工程總體構想》。文章僅代表作者觀點，供諸君參考。

我國空間站工程總體構想

載人航天工程是當今世界高新技術發展水平的集中展示，是衡量一個國家綜合國力的重要標誌。回顧世界載人航天發展50餘年的歷史，各國載人航天計劃的提出和實施，無不是首先基於國家發展戰略的考慮。

上世紀六十年代起，美蘇兩國為爭奪世界霸權地位，展開了激烈的太空競賽。1961年4月12日，蘇聯發射東方號飛船，完成了人類首次載人航天飛行，震驚了全世界，也刺激美國下決心加大在航天領域的投入，以改變其在太空競賽中落後的局面。1961年4月20日，美國總統肯尼迪詢問副總統約翰遜對太空計劃的意見，約翰遜回覆説:“我們既沒有盡最大努力，也沒有達到讓美國保持領先的程度。”，“登月計劃不僅可行，也絕對可以使美國在太空競賽中獲得領先地位。”於是，美國不惜舉全國之力，啓動了“阿波羅”計劃，旨在通過實現載人登月，在載人航天這一最能體現綜合國力領域取得領先優勢。

1969年7月21日，美國成功實現人類首次登月。首位登月航天員阿姆斯特朗踏上月球時説的“這是個人的一小步，卻是人類的一大步”，生動表達了人類載人航天活動的巨大意義和影響力。蘇聯在登月失利後，側重發展空間站，在空間站建造和運營方面取得了領先地位。“阿波羅”計劃之後，美國先後實施了航天飛機計劃和國際空間站計劃。

2004年，美國總統布什宣佈的“空間探索新構想”及其後批准的“星座計劃”是“阿波羅”時代以來美國最為雄心勃勃的無人和載人空間探索計劃。美國空間探索政策執行委員會的報告認為，重返月球，並對火星及更遠星體進行探索，對保持美國技術領先地位，增強經濟活力，維護國家安全，提高美國人民生活不可或缺。美國總統奧巴馬上台後認為，“星座計劃”中重返月球任務採用的是與“阿波羅”計劃相似的技術去實現曾經完成過的目標，創新意義不足。美國應該採用更為先進、可靠的技術將人送到月球以遠的小行星、火星等新的目的地。為此，提出了瞄準“月球以遠”的載人航天任務目標，以保持和展現美國在航天技術上的領先地位和能力。

▍ 發展載人航天技術是國家重大戰略決策

上個世紀80年代，面對世界科技進步突飛猛進、綜合國力競爭日趨激烈的形勢，中央作出了實施“高技術研究發展計劃（863計劃）”的重大決策，對我國尖端科技事業的發展進行了全面部署，航天技術成為863計劃中的七大領域之一，併成立了航天領域專家委員會。該委員會經過深入論證，提出了以載人飛船起步，推動我國載人航天技術發展的建議。其後，原國防科工委組織進行了載人飛船工程技術經濟可行性論證。

1992年，中央做出了實施載人航天工程的重大戰略決策，確定了三步走的發展戰略目標：第一步，在2002年前，發射兩艘無人飛船和一艘載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗。第二步，在第一艘載人飛船發射成功後，大約在2007年左右，突破載人飛船和空間飛行器（如軌道艙）的交會對接技術，並利用載人飛船技術改裝、發射一個8噸級的空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題。第三步，建造20噸級的空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

我國載人航天工程第一步任務，即載人飛船工程，於1999年至2002年成功進行了四次無人飛行試驗。2003年，乘載航天員楊利偉的神舟五號飛船成功完成了我國首次載人航天飛行。2005年，神舟六號飛船成功實現了“多人多天”載人航天飛行，航天員費俊龍、聶海勝飛行5天后安全返回，使我國突破和掌握了載人天地往返基本技術，成為世界上第三個能夠獨立自主開展載人航天活動的國家。中華民族從此在這一尖端高技術領域佔有了一席之地。

2005年2月，中央批准實施載人航天工程第二步第一階段任務。主要任務目標為：一是實施航天員出艙活動，突破航天員出艙活動技術；二是實施航天器交會對接任務，突破和掌握航天器交會對接技術；三是開展有效的空間應用、空間科學與技術實驗；四是為工程進一步的發展創造基本條件。為實現上述任務目標，工程計劃安排一次航天員出艙活動，三次交會對接試驗。

2008年，神舟七號載人航天飛行任務成功完成，翟志剛着我國研製的“飛天”艙外航天服，在劉伯明和景海鵬的協同下完成了我國首次出艙活動。2011年天宮一號目標飛行器成功發射入軌，2011和2012年，天宮一號分別與神舟八號和神舟九號成功進行了無人交會對接和載人交會對接。景海鵬、劉旺和劉洋在軌飛行13天，其中在天宮一號與神舟九號組合體中工作、生活10天，並完成了我國首次人工控制交會對接。2013年，我國還將發射神舟十號，再次將3名航天員送入天宮一號訪問和駐留，完成各項試驗任務。

2005年12月，國務院頒佈《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006-2020年），將載人航天與探月工程列為國家科技重大專項，並明確指出“載人航天與探月工程，是國家綜合國力和科技水平的重要體現……該專項的實施，可大大提高我國的國際威望，增強民族凝聚力，並在航天領域未來的國際競爭和合作中處於有利位置。”

2010年9月，中央批准實施空間站工程，明確我國空間站工程的戰略目標是：在2020年前後，建成和運營近地空間站，使我國成為獨立掌握近地空間長期載人飛行技術，具備長期開展近地空間有人蔘與科學技術實驗和綜合開發利用太空資源能力的國家。

我國載人航天事業二十年科學發展和實踐充分證明，實施載人航天工程，是中央着眼世界科技革命迅猛發展的時代背景、我國社會主義現代化建設全局的一項重大戰略決策。如同當年發展“兩彈一星”一樣，建設具有世界先進水平的、與我國大國地位相適應的載人航天能力，是提升國家核心競爭力和科技創新力的現實需要。在本世紀二十年代初建成的空間站必將成為實現中華民族偉大復興、實現中國夢、建設中國特色社會主義現代化強國的重要標誌之一。

(從2021年10月16日至2022年4月16日的183天，中國航天員翟志剛、王亞平、葉光富完成了我國迄今為止最長的載人飛行任務，中國空間站關鍵技術驗證取得顯著成效)

▍空間站工程要充分體現國家發展戰略目標

我國載人航天三步走戰略的第一步目標是掌握將人送入太空並安全返回的基本技術，第二步任務目標則是掌握建造空間站的關鍵技術，如出艙活動、交會對接以及載人空間組合體控制和運行技術等，為實施空間站工程奠定堅實的技術基礎。這兩步任務的完成使我國具備了建設空間站的基本技術能力。第三步任務的實施，將使我國成為世界上第三個建造和運營空間站的國家。從目前的國際空間站計劃看，我國空間站將有可能成為2020年後唯一運行的大型載人空間設施。

與美國和俄羅斯兩個載人航天大國相比，我國目前在載人航天技術基礎、研發保障、研發經驗等諸多方面都還存在很大差距。空間站工程的實施，為我國載人航天縮小與世界先進水平的差距提供了前所未有的發展機遇，也使我們面臨前所未有的巨大挑戰。但只要積極勇敢面對挑戰，充分利用後發優勢，堅持以創新推動發展，用跨越加快技術進步，就一定能夠建成具有鮮明時代特徵和中國特色的空間站，為中華民族偉大復興、實現富民強國的“中國夢”，為促進人類和平與發展的崇高事業做出應有貢獻。

空間站工程在國家發展戰略中的作用將主要表現在以下幾個方面：

（1）提高民族自信心和自豪感，增強民族凝聚力，提升大國地位。我國載人航天發展成就舉世矚目，極大激發了全國人民的愛國熱情和民族自信心，起到了巨大的凝聚中華民族的作用。空間站工程是我國載人航天工程持續發展的一個嶄新階段，更加先進的技術、更加強大的功能、更加廣泛深入的科學研究和探索、長期持續的載人空間活動，將進一步拓展國家利益空間，對進一步增強我國的國際影響力和競爭力，提高我國的政治威望和大國地位發揮積極作用，產生深遠影響。

（2）建成功能完整、性能先進、效益突出的空間站工程大系統。在空間站工程階段，我國將研製、發射、建造和運營由多個艙段構成的空間站和為之提供發射和運輸服務的運載火箭、載人飛船、貨運飛船，以及相應的地面支持系統，建成完整配套的空間站工程大系統。通過實施空間站工程，我國將全面掌握空間站技術，形成建造和運營大型複雜載人空間設施的強大能力，培養高素質的工程研製和管理隊伍，帶動航天和相關領域的科技創新和技術進步，為載人深空探索積累技術和經驗，確立我國載人航天強國地位。

（3）實現中國人長期在軌健康生活和有效工作。通過實施空間站工程，我國將掌握人在近地軌道長期生存、生活和工作的技術，充分發揮人在空間活動中不可替代的作用，開展科學研究、技術試驗和探索活動。空間站工程將為擴大中華民族活動疆域和生存空間提供可靠的技術基礎。

（4）開展較大規模系統和連續的空間科學研究和空間應用。利用空間站這一近地空間大型科學實驗和空間應用平台，開展較大規模、涉及多個學科領域的科學技術實驗和空間應用，力爭取得若干原創性科學成果，以及重大應用成果，為國民經濟發展和社會進步服務，為人類文明進步做出應有的貢獻。

（5）進一步激發全民科學精神和創新熱情。空間站工程將依託全國優勢科研機構，建設開放性的空間科學平台，開展科學研究、科學普及和教育活動，積極擴大公眾參與，為提高全民科學素養，激發青少年學科學、愛科學和用科學的熱情做出重要貢獻。

（6）開展廣泛的載人航天國際合作。在空間站工程研製、建造和運用過程中，將積極探索重大科學領域國際合作的模式和途徑，積極推動開展廣泛的國際（區域）合作，成為國際空間科學活動共用平台的提供者，為全球科學家共同從事探索太空、開發空間資源服務，進一步提升國家軟實力。

▍空間站工程總體方案構想

當前，我國已成為全球第二大經濟體，人均GDP超過5000美元，是世界最大的發展中國家。到2020年，將全面建成小康社會。我國空間站工程的研製、建造和運營將是持續20多年的過程。要立足這一基本國情，服務國家發展戰略目標，系統、全面、深入地開展工程總體方案論證和設計工作。

空間站工程總體方案要圍繞建設具有中國特色和時代特徵的中國空間站這一宏偉目標，堅持以下基本原則：符合中國國情，有所為、有所不為；規模適度，留有發展空間；具有突出的中國元素和核心內涵；具有與我國不斷增強的大國地位相匹配和適應的能力，體現國家發展的戰略目標，創新驅動發展;追求技術進步，充分採用當代先進技術建造和運營空間站，全面掌握大型空間設施的建造和操作技術；注重應用效益，在空間站應用領域取得重大創新科技成果;追求運營經濟性，走可持續發展的道路。

我國空間站包括核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，通過交會對接和艙體轉位組裝構成空間站基本構型。運行軌道為傾角42°~43°，高度340km~450km的近圓軌道。設計壽命10年，並具有通過維護維修延長使用壽命的能力。額定乘員3人，可以適應2人或無人值守飛行。建造期間，航天員乘組採用間斷方式訪問空間站；建造完成後，採用乘組輪換方式，實現航天員長期連續在軌生活和工作，輪換時最大可達6人。配置艙外機械臂等設備，協同航天員完成艙外建造、維護維修，以及艙外載荷操作任務。空間站核心艙和兩個實驗艙均由長征五號B運載火箭在海南發射場發射。

空間站由神舟載人飛船完成航天員乘組和部分物資的天地往返運輸，由貨運飛船運輸補給物資，下行銷燬廢棄物。載人飛船由長征二號F運載火箭在酒泉航天發射場發射，貨運飛船由長征七號運載火箭在海南航天發射場發射。由陸海天基測控通信網完成空間站、載人飛船和貨運飛船以及相應運載火箭的測控通信。載人飛船仍返回至現有着陸場。

空間站建造完成後，進入運營和管理階段。該階段的主要任務是：開展長期、持續的載人航天活動和空間科學研究、空間應用、技術試驗等活動，充分發揮空間站應用效益;根據空間科學研究、空間應用和國際合作的需要，進行空間站擴展和載荷更換;對空間站進行維護維修和評估，延長使用壽命。

（一）空間站基本方案

（1）總體構型。採用水平對稱T形構型作為空間站三艙組合體基本拓撲結構，所有艙段均位於組合體當地水平面內。空間站核心艙前端指向飛行方向。核心艙前端設置節點艙，節點艙對地方向和軸向前端各設置1個對接口用於載人飛船與空間站對接和停靠。在核心艙後端軸向設置1個對接口用於貨運飛船對接和停靠。節點艙左右方向各設置1個停泊口，分別用於實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ的長期停靠，對天方向設置供出艙活動用的出艙口。空間站基本構型如圖1。

(圖1 空間站基本構型)

以核心艙為主，統一控制和管理空間站組合體。核心艙的節點艙在空間站建造初期和技術驗證階段兼做氣閘艙，在空間站建造完成後，用做備份氣閘艙。以核心艙的密封艙為主配置航天員生活設施。核心艙還具有一定的有效載荷實驗能力。

實驗艙主要用於從事空間科學實驗、空間應用和空間技術實驗。

實驗艙I由密封艙、氣閘艙和資源艙構成。密封艙除科學實驗外，還用於存放航天員消耗品和補給貨物，備份空間站核心艙部分平台功能。

實驗艙II由密封艙、多功能巡天光學設施非密封艙和資源艙構成。

（2）空間站建造

空間站三艙基本構型採用對接和轉位的方式完成建造。首先，實驗艙對接於核心艙節點艙的軸向端口，然後通過艙段轉位操作，將其轉移到節點艙II、IV象限，與節點艙剛性連接，構成三艙基本構型。實驗艙I和II配置交會測量設備、主動式對接機構和轉位機構。核心艙節點艙配置被動式對接機構和供艙段轉位用的基座，轉位過程包括艙段分離、轉位、再對接三個過程。實驗艙轉位主要採用轉位機構實現，也可由機械臂操作完成。

在沒有類似航天飛機的大型運輸工具情況下，利用艙段交會對接和平面轉位方式完成積木加局部桁架混合構型大型空間站的組裝建造，在貨運飛船、航天員和機械臂支持下，可完成類似國際空間站的複雜艙外建造和操作活動。我國空間站總體構型和建造模式區別於和平號空間站和國際空間站，具有顯著的中國特色，是一種創新的發展思路，是大型空間設施建設的更為經濟、合理的建造方式。

（3）空間站環境控制和生命保障

採用再生生命保障系統，實現資源再生利用。再生生命保障系統包括電解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害氣體再生式吸收、冷凝水收集與處理、尿液收集與處理等設備。統一由核心艙進行密封艙氣體成分、壓力、温濕度控制，以及水回收管理、微生物控制和廢棄物管理。配置一定數量非再生生保物品，供應急情況下保障維修時使用。

再生生保技術將較好地實現資源再生利用，大幅降低貨運保障需求。我國空間站資源再生利用水平要達到與國際空間站相當的技術水平。空間站運營期間，還將發展二氧化碳還原技術和其它生活垃圾處理和再利用技術，進一步提高物資再生循環利用水平和效率。遠期還將研究受控生保技術，探索更先進的資源循環利用技術，為載人深空探測和建立月球和火星基地儲備技術。

（4）空間站電源

空間站電源系統設計必須確保供電可靠、安全和長壽命，併為開展多領域科學技術實驗提供比較充足的供電支持，還具有一定的冗餘能力。

空間站電源系統採用轉換效率30%以上的三結砷化鎵電池片以及先進的鋰蓄能電池。核心艙採用單自由度柔性太陽電池帆板，提供核心艙單艙飛行時的能源供應，實驗艙採用兩自由度柔性太陽電池帆板，通過驅動機構實現對日定向。太陽電池帆板可維修和更換。空間站各艙之間電源併網，統一供電，並向停靠的載人飛船和貨運飛船提供一定功率的電能。採用100V全調節母線體制，具備獨立運行和組合體併網運行兩種工作模式。

電源系統設計難點在於需要綜合考慮發電效率、艙段構型、運輸條件、飛行姿態與控制、遮擋效應、維修更換、長壽命、高可靠等複雜因素，是空間站方案設計中的關鍵技術之一。充分利用系統設計方法和現代能源技術的最新成果，我國空間站電源系統的綜合性能和效率指標將超過其它空間站。

（5）空間站動力與控制

採用控制力矩陀螺為主，噴氣控制為輔的控制方式進行空間站姿態控制，空間站姿態穩定度指標為0.005°/s。根據不同的構型，採用慣性飛行、力矩平衡飛行和對地定向飛行三種姿控方案，減少噴氣卸載導致的推進劑消耗。建造完成後的正常構型狀態下，姿態控制不消耗推進劑。空間站發動機統一配置設計，協同工作，綜合利用各艙段以及停靠貨運飛船的動力系統，提高動力系統冗餘度、可靠性和壽命。

首次在空間站上採用電推進技術，補償大氣阻力的影響，大幅降低軌道維持的推進劑補給需求。採用先進的交會控制技術和實驗艙電源二次展開技術，解決安裝大面積太陽電池帆板的實驗艙近距離交會控制問題。

（6）空間站信息系統

採用當代信息技術的最新成果，統一構建空間站信息系統。根據信息來源、種類分類管理。設置系統網、通信網和載荷網。空間站艙內、艙外均配置無線移動通信網絡和視頻監視系統，提高航天員生活、工作的通信保障支持能力和對艙內艙外狀態的感知能力。利用信息併網技術，進行空間站各艙段及來訪航天器的信息管理與共享，以及利用相關設備進行冗餘重構。空間站信息傳輸與測控採用天地一體化設計，對地鏈路採用S頻段統一載波（USB）測控體制。各艙段測控通信設備統一調度，在各種飛行姿態下，均可保障測控通信覆蓋率，提高天地通信和數據傳輸能力和效率，提高天地交互能力。設計自主健康管理系統，提高空間站健康管理水平，降低航天員站務管理和地面運營管理工作負荷。

（7）空間站出艙活動和艙外操作

在神舟七號出艙活動艙外服技術基礎上，研製新一代飛天艙外服，提高環控、電源、通信保障能力、航天員操作作業工效和艙外持續工作時間，提高可靠性和安全性，以全面滿足空間站建造、維修維護的需求。艙外航天服支持航天員艙外工作能力與國際空間站艙外航天服相當。

核心艙配置大型機械臂1個，實驗艙配置小型機械臂1個。兩個機械臂可獨立或協同工作，也可組合為一個機械臂，擴大作業範圍。機械臂可完成艙段捕獲、轉移、設備安裝、維修、更換、載荷操作、航天員輔助轉移及艙外狀態監視等任務。此外，還配置有專門用於艙段轉位的轉位機構。

艙外服、氣閘艙、機械臂、艙外操作工具和出艙活動輔助設備等，共同支持航天員完成艙外移動、建造、操作、維護維修等任務，保障人在空間作用的充分發揮。在航天員、機械臂、艙外服以及貨運飛船支持下，可達到與國際空間站相類似的複雜空間操作能力，可完成如艙段捕獲轉移、帆板轉移安裝、艙外載荷和設備的維修和安裝等複雜艙外建造任務。

（8）航天員生活與工作保障

空間站是航天員在太空長期生活與工作的場所，也是研究保障人在太空長期健康生活和有效工作的最佳平台。本着“以人為本”的理念，充分考慮聲、光、電、熱、輻射、氣體等空間環境，以及工效、心理、美學因素的影響，空間站要為航天員提供宜居的生活環境，配置豐富的鍛鍊、娛樂設施和醫監醫保手段，提供全面的醫學監督和醫學保障，保障航天員長期健康生活和有效工作。

空間站配置3名乘員長期生活設施，並提供輪換期3名航天員臨時生活設施，包括飲水就餐、個人衞生、排泄物和生活垃圾收集處理等，航天員自由活動空間約90立方米。密封艙內氣體環境採用與地面相同的氧氮混合氣體和壓力體制，採用降噪與隔音設計降低艙內噪音，航天員工作和生活區的噪聲環境按優於和平號空間站和國際空間站噪聲環境設計和控制。

採用現代先進技術，空間站為航天員提供便利、可靠、自動化程度高的顯示、照明、報警和操作設施，配置各種工具、限位、定位裝置和天地交互手段，保障航天員高效工作，完成站務管理、建造、維護維修、物資轉移、艙外操作、科學技術實驗等操作任務。

採用自動化和地面遙控為主管理平台和載荷設備，顯著降低航天員日常管理負荷，更多地發揮人的創造性、自主性和應急處置能力，提高人在空間作業的效率和效能。

（9）空間站擴展

空間站建造完成後，要運營10年以上，應具備良好的艙段擴展、能源擴展和應用支持擴展能力，以適應可能產生的新的重大科學研究需求。擴展能力必須在方案設計階段統籌考慮。

在現有三艙構型基礎上，預留機電熱等擴展接口，具有對接新艙段的能力。空間站可接納符合我國空間站標準的他國航天器訪問，也可在航天員和機械臂協同配合下，在空間站上安裝艙外實驗平台或實驗設備。

艙段擴展，需要發射一個帶有節點艙的新艙段。例如，再對接一個核心艙形成四艙結構，既可以滿足擴展需求，又可以增強空間站關鍵系統的備份能力，同時不必專門研製新的艙段。在四艙擴展構型的基礎上，利用增加的對接口，可進行艙段擴展，增加新的艙段。

空間站能源擴展的一個優先方案是將核心艙太陽電池帆板轉移安裝在實驗艙I和II尾部桁架上，沿實驗艙軸向方向展開。該方案優點是可以將空間站資源有效重組利用，無其它形式能源擴展帶來的上行運輸需求。能源的進一步擴展應與艙段擴展統籌考慮，分步實施。

核心艙、實驗艙I和II預留艙外實驗平台、載荷掛點及接口，用於運營階段擴展艙外實驗能力。

利用上述3種擴展方式，空間站最大可增加1個核心艙、2個科學實驗艙、4個大型艙外暴露實驗平台，並可在艙外外掛大型實驗載荷。擴展後的最大規模可達180t，長期乘員人數3~6人。空間站擴展構型如圖2所示。圖中A、B、C艙為擴展艙段。

(圖2 空間站最大擴展構型)

我國空間站採用模塊化擴展方式，預留擴展接口和擴展支持能力，為運營階段留下了靈活的發展空間。可以根據空間科學和技術發展的新需求，靈活選擇，適時進行。擴展能力也為開展國際合作，擴大空間站應用能力，進一步提高空間站應用效益提供了發展空間。擴展後的規模仍在較佳範圍，總體上與國家經濟實力相符。

3.2 載人飛船和貨運飛船

載人天地往返運輸系統是航天員往返空間站的運輸工具，最重要的是確保可靠和安全。我國空間站由神舟載人飛船往返運送航天員乘組和少量物資，技術狀態不變。

航天員訪問空間站期間，載人飛船停靠空間站，供航天員正常和應急返回。正常情況下，載人飛船在入軌後2天內與空間站對接，最長可停靠180天，撤離後返回艙在1天內返回現有着陸場。載人飛船對接端口為節點艙軸向和徑向端口，必要時，也可對接在核心艙後端口。

貨運飛船直徑為3.35m，上行貨物運輸能力6500kg，下行銷燬廢棄物能力6000kg。貨運載荷比達46%。國外相同規模貨運飛船載荷比分別為:歐洲航天局ATV載荷比為36.58%，日本HTV載荷比為37.5%。

貨運飛船由貨物艙和推進艙兩艙組成。貨物艙用於裝載和存放乘員用品、實驗載荷等。考慮到空間站艙外建造需求，貨運飛船採用模塊化貨艙設計，與推進艙組合，適應補給物資、艙外大型載荷、實驗平台等的運輸需求。貨物艙有全密封、半密封和全開放三種形式。貨運飛船還具有支持科學技術實驗的能力，從而可以利用保障貨物運輸以外的剩餘上行運輸能力完成科學實驗任務，提高飛行試驗效益。貨運飛船構型如圖3。

(圖3 貨運飛船構型)

具有密封、半密封和全開放三種貨艙構型的貨運飛船，能夠進行空間站各類補給品和設備的上行貨物運輸、推進劑補加，也可以運輸太陽電池帆板及暴露實驗平台等大型艙外設施設備，必要時可以運輸小型艙段。強大的貨運能力可為空間站建造、運營和擴展提供有力支持，顯著提高空間站艙外建造和擴展能力。貨運飛船還具有組合體軌道控制能力。

貨運飛船載荷比高，採用創新的多模塊組合式貨運方案，為我國空間站實現複雜的艙外建造活動提供了有力支持和廣闊空間，將成為除已退役的美國航天飛機以外世界上功能最為完整、效益最高的貨運系統。

3.3 運載火箭

採用長征二號F載人運載火箭發射載人飛船，技術狀態不變，低軌運載能力約8.1t。

研製長征七號運載火箭用於發射貨運飛船。火箭芯一級直徑3.35m，捆綁4個2.25m直徑助推器，分別安裝2台和1台120t級液氧煤油發動機。芯二級直徑3.35m，安裝4台18t級液氧煤油發動機。該火箭設計了貨運和載人兩種狀態，先期研製貨運型。貨運狀態火箭總長約53m，低軌運載能力約13.5t。載人狀態火箭總長約59m，低軌運載能力約13t以上。以其為基本型，可衍生出我國新一代中型運載火箭系列，成為未來中國運載的主力系列運載火箭。

在長征五號運載火箭基礎上，研製長征五號B運載火箭，用於發射空間站各艙段。火箭芯級直徑5m，捆綁4個直徑3.35m助推器，芯級安裝2台50t級液氫液氧發動機，助推器各安裝2台120t級液氧煤油發動機。全箭長約54m，整流罩直徑5.2m。長征五號B運載火箭近地軌道運載能力25t，與目前國際上主流大型運載火箭能力相當。目前國際上在役的大型運載火箭運載能力分別為：美國“宇宙神”5火箭25t，“德爾它”4火箭23t，歐洲“阿里安”5火箭21t，俄羅斯“安加拉”火箭24.5t，日本H-2A火箭19.5t。

長征五號B運載火箭和長征七號運載火箭均按照“通用化、組合化、系列化”要求設計，採用性能先進的低温發動機、無毒環保的推進劑，助推與芯級發動機聯合搖擺控制，火箭控制系統採用系統級冗餘和總線技術。兩種新一代運載火箭的可靠性、運載能力、入軌精度等主要性能將大幅提高，並將使我國具有與世界航天大國相同的進入近地空間的運載能力。

3.4 空間站工程應用

我國空間站應用將突出有人操控和空間站大平台特點，充分借鑑國際成功經驗和教訓，瞄準空間科學技術前沿，兼顧科學探索和空間資源開發需要，堅持創新驅動原則，推動原始創新。在空間科學研究領域，力爭在科技前沿探索中取得一批具有國際影響的重大成果，推動我國空間科學的一些重要領域進入世界先進行列；在空間技術領域，開發和試驗一批前沿核心關鍵技術，為未來我國航天技術發展、載人深空探測和空間應用提供有力支撐；在航天醫學領域，瞄準航天醫學發展的制高點，解決制約長期載人航天飛行的主要醫學問題；在空間應用方面，在某些領域取得重大應用效益，為國家經濟社會發展做出貢獻。

綜合各方面的應用需求，考慮空間站支持能力，空間站主要科學研究和應用方向為：航天醫學、空間生命科學與生物技術、微重力流體物理、空間材料科學、微重力基礎物理、空間天文與天體物理學、空間環境與空間物理、航天元器件與部件、空間地球科學與應用、天基信息技術、航天新技術和空間應用新技術等。

我國空間站可開展密封艙、非密封艙和艙外3類科學技術實驗。

空間站設計突出服務空間科學研究和應用的目標，提供良好的有效載荷工作環境、充足的電力供應、強大的信息和操作支持能力以及機、電、氣、熱等保障條件。空間站密封艙內可開展航天醫學和材料、生物、物理、流體等空間科學實驗；密封艙外可開展對地觀察、天文、地球和空間環境、信息、空間技術等各類科學技術試驗。

空間站以建成國家太空實驗室為目標，將為我國和全球的科學家提供先進的空間科學技術研究和實驗平台，為空間科學和應用領域取得重大成果創造良好條件。可望在物理學、天文學、材料、生物等科學領域，以及對地觀測、信息、航天等技術領域獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰略意義的應用成果。

3.5 空間站工程地面支持系統

採用現代信息技術構建性能先進、以天基為主的陸海天基測控通信網，具備正常、應急和救援的測控通信支持能力和飛行控制能力，可滿足空間科學技術實驗的要求，具有高可靠、高安全、高覆蓋率的特點。

酒泉發射場和新建海南航天發射場負責完成空間站工程三種火箭、四類航天器的測試發射任務，技術勤務保障能力強大，滿足正常、應急、高密度和高可靠的發射需求。

着陸場系統在交會對接任務階段基礎上，着重提高在載人飛船執行航天員長期訪問空間站任務中正常和各種應急返回情況下的航天員搜救能力和搜救效率。

空間站工程的實施，將使我國航天發射和測控通信地面系統功能更加完整、性能更加先進，併為空間站可靠運行提供良好的保障條件，為我國航天技術持續發展進步奠定良好的基礎。

▍空間站工程的國際（區域）合作

從世界載人航天發展進程看，國際合作是必然的趨勢。美國通過與俄羅斯的合作，以較低的成本，迅速掌握了空間站建造、運營技術，為國際空間站的成功奠定了堅實的基礎。由於有俄羅斯飛船的支持，國際空間站在“哥倫比亞”號航天飛機失事後，能夠維持正常運行，保障了後續建造任務的順利完成。同時，美國通過空間站的國際合作，節省了大量資金，並在世界載人航天中進一步鞏固了領先地位；俄羅斯也通過與美國及其他國家的合作，維持了其航天研製生產能力，使其航天工業渡過了最困難的時期。

未來的載人火星深空探測，由於其技術複雜性和巨大投入，任何一個國家都難以獨立承擔，國際合作方式可能是最好的選擇。

我國政府一貫主張和堅持和平開發和利用太空的基本原則。我國空間站工程將積極開展國際和區域合作，歡迎各國航天機構和科研機構參與我國空間站的研製、建設和科研活動。通過國際合作，為全球科學家提供一個共同開展科學研究和探索的高水平空間平台，共同分享研究經驗和成果，增強互信，共同促進人類文明發展和進步。

通過吸納其它國家和地區參與我國空間站建造或應用，可以學習、借鑑國際載人航天領域成熟經驗和先進技術，提高研製起點，降低研製風險;提升空間站在空間科學研究與應用、航天醫學等方面的應用水平，促進科學技術發展，提高空間站綜合應用效益。

我國空間站預計於2020~2022年間建成，按照目前各國載人航天計劃，屆時，有可能成為國際上唯一在軌運行的空間站（編者注：國際空間站原定在2024年退役，但近年又延期到2028年）。空間站工程的國際合作可以採用艙段合作、接納他國飛船訪問、航天員聯合飛行、空間國際救援，以及合作開展空間科學和空間應用研究等方式。

艙段合作主要有兩種途徑，一是對接國外獨立研製的科學實驗艙，二是對接與其他國家合作研製的科學實驗艙。艙段合作是最具影響力的空間站國際合作形式。我國空間站在基本構型建造完成後，具備再擴展3個艙段的能力。

國外獨立研製艙段應具備自主交會對接能力，滿足我國空間站有關標準、規範和接口要求，可由其自行發射，也可由我國的運載火箭發射。不具備交會對接能力的小型艙段還可由我國貨運飛船上行運輸，並由機械臂和航天員將其組裝到空間站指定位置，此類艙段質量可達5000kg，包絡可達直徑3m、長4.5m。合作研製艙段由我國運載火箭在境內發射。

與具備豐富的載人航天飛行經驗國家合作，通過航天員聯合飛行，結合空間應用與航天醫學等項目的合作研究，共同開展對空間資源的開發與利用。此外，可以利用我國的航天員選拔訓練體系和基礎設施，為我國港澳台地區和其它國家選拔訓練航天員，並提供飛行機會，共同推動載人航天發展。

空間國際救援是國際人道主義精神體現的新領域和新形式。空間國際救援主要考慮兩方面，一是我國飛船救援國際空間站，二是我國空間站接受他國飛船的救援。救援目的包括載人飛船對空間站駐站人員的緊急救援以及貨運飛船對空間站平台的救援，包括提升軌道，緊急補給物資等。

目前國際空間救援的主要技術壁壘在於交會對接接口，需要相互適應的、統一的技術標準和規範，這在技術上是可以解決的。目前需要的是相互間強烈的合作願望。

在空間站上，最廣泛的國際合作將體現在科學研究、空間應用和空間技術試驗項目方面的合作，以及搭載國外（區域）有效載荷。合作可以擴大我國空間站應用領域和範圍，提升我國空間站應用水平和應用能力，進一步發揮空間站綜合效能，擴展國家太空實驗室的作用，促進世界科技進步和人類文明發展，使我國在空間科學研究方面能逐漸形成引領作用。合作的方式包括共同研製有效載荷、搭載國外有效載荷、發佈關係全球資源環境重要數據、共享應用成果等。空間站應用合作主要在空間站上實施，部分項目也可以利用貨運飛船進行。

同時，空間站工程充分重視我國港澳台地區的空間科學研究和應用需求，積極支持其科研機構參與空間站科學研究與應用活動。

▍研製和飛行任務安排

空間站工程分為空間實驗室和空間站兩個階段實施。

空間實驗室階段研製並首先發射天宮二號（TG-2）空間實驗室，然後發射神舟十一號載人飛船和貨運飛船與其對接。在神舟十一號任務中，安排航天員進行中期訪問，開展維修試驗和多項微重力相關的科學實驗，並進行柔性太陽電池基板搭載試驗。首發貨運飛船將對天宮二號進行推進劑補加，並完成部分關鍵技術的飛行驗證。

空間站階段分為關鍵技術驗證階段、建造階段和運營階段。關鍵技術驗證階段發射試驗核心艙，併發射多艘載人飛船和貨運飛船訪問試驗核心艙，驗證航天員長期駐留、再生生保、柔性太陽電池翼和驅動機構、大型柔性組合體控制、空間站組裝建造、維修和艙外操作、空間應用等空間站建造核心關鍵技術。

空間站關鍵技術驗證任務完成後，對試驗核心艙進行評估。若滿足在軌建造空間站條件，則直接以其為空間站核心艙，進入建造階段。分別發射實驗艙I和實驗艙II與之對接，完成空間站建造。其間將發射多艘神舟載人飛船和貨運飛船，支持完成建造任務，並同步開展科學技術實驗。若試驗核心艙不滿足在軌建造空間站條件，則在完成改進完善後，發射新的核心艙，進行空間站建造。

空間站建造任務完成後，進入長期運營和管理階段。航天員乘組將分批長期駐站生活和工作，開展科學技術研究和探索活動。該階段將根據新的需求，進行空間站擴展，以及空間站應用載荷的更換。

我國空間站工程採用了利用天宮二號空間實驗室和貨運飛船驗證推進劑補加技術，利用試驗核心艙驗證空間站組裝建造關鍵技術後，進入空間站建造階段的總體技術路線。這樣的安排充分考慮了我國航天技術的現有基礎能力，體現了研製、飛行驗證和建造任務循序漸進、穩妥可靠、積極跨越的發展戰略思想。

▍結論

載人航天的可持續發展要求其規模與國家經濟實力和科技實力相適應。載人空間站的規模越大，其系統越複雜，建造和運營投入越高，風險越大。分析和總結和平號空間站和國際空間站的經驗和教訓，在當前航天技術水平和空間科學需求條件下，3人長期飛行、100噸級是我國空間站適度且較佳的規模，其建造和運營性價比相對較優。我國空間站以三艙作為基本構型，通過組裝建造和初步運營後，將全面系統地掌握空間站技術，使我國形成建造和運營長期大型複雜載人空間設施的能力。

我國載人空間站工程總體方案構想，是在綜合考慮載人航天和空間科學持續發展需要，以現有載人航天科研生產能力為基礎，以創新發展為目標，經過充分論證後提出來的。積木加局部桁架的空間站構型和多功能貨運飛船的創新概念，形成了獨特的空間站建造模式，使我國在相比國際空間站耗資小得多的情況下，可以比較全面地掌握大型複雜載人空間設施的建造技術，豐富和發展了空間站技術。我國空間站工程規模適度，具有較強擴展能力，將充分利用現代電子、信息、能源技術的最新成果，高度重視空間站應用效益，注重採用新技術大幅降低運營補給需求，突出了創新、跨越、可持續發展的理念，能較好滿足載人航天技術發展和空間應用方面的需求。充分體現了中國特色，具有鮮明的時代特徵。

可以預期，我國空間站工程建成後，在控制、信息、電源、資源再生利用，物資補給需求，運營成本，應用效益等方面均將達到當代國際先進水平並在一些方面有所超越，在建造和運營上更為經濟合理。總體上，將代表未來空間站發展的重要方向。

本文原載《載人航天》2013年第1期，原題為《我國空間站工程總體構想》。歡迎個人分享，媒體轉載請聯繫版權方。