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继天宫空间站之后,又一座百吨级空间站亮相,二者对比恍如隔世

小生活档案

2022-07-06 09:54河南

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国际空间站现在已经确定延寿至2030年,作为多方参与运作的空间站其每一项决策都需要协商一致,在此之前俄航天局曾一直坚持让国际空间站俄舱段于2024年退役,这一表态显然有提高话语权的考虑,而国际空间站最新确定的退役时间更像是一种无奈的妥协。

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国际空间站

前NASA负责人布莱登斯汀对国际空间站服役至2030年这一情况曾有过这样的表态:该站在那之前随时都可能会出问题,从而让其彻底寿终正寝。

两年多以来困扰国际空间站的星辰号服务舱空气泄漏问题至今没有根治

那么,国际空间站为什么还要硬撑着延寿呢?

因为不论NASA抑或者俄航天局,在短时间内他们都无法部署新空间站。而载人航天事业一旦断档,对产业链的打击将是致命的,想要再次恢复载人航天能力需要付出难以想象的气力。所以,国际空间站剩下的九年寿命实质上是为迎接新空间站而设置的“缓冲期”。

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航天飞机退役之后NASA通过九年努力才恢复载人天地往返能力(图为航天飞机的落幕飞行任务)

NASA凭借较为殷实的家底目前正在遴选新的近地轨道空间站,而国际空间站另一个主要参与方俄航天局,他们所面临的形势则更为严峻

试想一下,国际空间站一旦退役,联盟飞船、进步飞船、联盟载人运载火箭等一系列载人航天配套产业都将断档,数以万计的产业工人与科学家怎么办?近地轨道开展大规模空间实验的场所也将不复存在,这一损失更是难以估量。

联盟飞船总装厂房

俄航天局已经到了必须行动起来的境地,近几年他们也设想了很多替换国际空间站的方案,比如将国际空间站俄舱段分离成独立的空间站,但是鉴于科学号实验舱、星辰号服务舱等舱段相对糟糕的在轨表现,这一设想已经不可能。

国际空间站俄制舱段

同时他们也推出了一系列新空间站的设计方案,经过一番权衡利弊之后,最近他们终于定下了新空间站建设方案,该空间站被命名为“轨道服务站”

轨道服务站的构型充分体现了“有多大的锅,下多少米。”的逻辑,从整体上看它与天宫空间站有着某种相似之处,比如两座空间站都划分了两个发展阶段。但更多的是不同之处,通过对比这些不同之处,会有一种恍如隔世的观感……

先来看俄轨道服务站的一期构型:

在一期任务中首先部署的是“科学/能源模块”,该舱段将由安加拉-A5火箭发射,第二个部署模块是有6个对接口的“节点舱”,该舱段由联盟2号火箭发射。第三个部署的是“基础模块”,该舱段按照计划是由联盟5号火箭发射,不过实际可能还是由安加拉-A5火箭发射。第四个模块是“网关模块”

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科学/能源模块

节点舱与科学/能源模块对接

基础模块与节点舱对接

网关模块与节点舱对接

轨道服务站一期是由4个舱段组成,规模约50吨级,至二期任务阶段,规模将拓展至百吨左右。天宫空间站二期最大拓展构型则是180吨,那么二者相比仅仅是吨位量级的差异吗?当然不是,可以说二者之间存在代际差距。

除去载人飞船与货运飞船发射,完成轨道服务站一期在轨组装建造需要4次发射,而天宫空间站一期只需要3次发射。

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天宫空间站一期构型图

从在轨组装建造方法看,轨道服务站直接是两个20吨级舱段轴向对接,看上去很像放大版的“天宫二号空间实验室/天舟一号货运飞船组合体”,省去了天宫空间站的转位组装流程,看似是化繁为简,实则是限制了轨道服务站的在轨科研能力。

正所谓“载人为建站,建站为应用。”,在轨科研实验能力的高低也决定了空间站技术水平的高低。

先来看轨道服务站综合效能是如何被一步步蚕食的:

轨道服务站一期的两个20吨级舱段(科学/能源模块、基础模块)与天宫空间站一期的两个实验舱一样,都采用“对置布局”,进而形成较大的舱段跨度,并在舱段连线两端布置双自由度驱动的大型太阳翼,这样一来就可以起到类似国际空间站的桁架作用,这也算是两家都总结了和平号空间站太阳翼相互遮挡问题的共同点。

轨道服务站一期构型图

虽然选择的办法一样,但所起到的效果却完全不同。以轨道服务站的科学/能源模块舱段为例,其太阳翼面积达到了155平方米,发电功率是12至18千瓦。与之对比,天宫空间站天和一号核心舱太阳翼则以更小的面积(134平方米)达到了18千瓦发电功率,而我们的能源供应主力是面积更大的实验舱太阳翼,所以在能源供应问题上,天宫空间站一期对轨道服务站一期形成了大幅领先优势。

如果仅仅是发电功率高低的差异,也许不足以说明代差,然而空间站是一个大系统工程,可以说是牵一发而动全身,太阳翼的问题还没有完。

轨道服务站应用的太阳翼全部都是刚性太阳翼,而我们则全部是柔性太阳翼。二者有何区别?

天和一号核心舱柔性太阳翼

刚性太阳翼的劣势是尺寸大、重量大,其中最突出的问题就是尺寸大,它会导致挤占火箭整流罩有限的可用空间,进而蚕食航天器自身的结构空间。次要问题是重量大,太阳翼更轻质,可搭载的设备载荷才能更多,航天器的设计布局才能有更大的回旋余地。

比如轨道服务站一期的科学/能源模块舱段,为了在上行发射段布置刚性太阳翼,该舱段资源舱不得不在径向尺寸上作出让步。

科学/能源模块刚性太阳翼蚕食火箭整流罩内的有效空间

资源舱径向尺寸小了,但是姿轨控也是刚需,那就只能向轴向方向要空间,然而承运该舱段的火箭整流罩轴向长度同样有限,这样一来就挤占了舱段的加压密封舱空间。

反观应用了大型柔性太阳翼的天宫空间站,三大舱段在结构布局上不需要做出大的让步就能高效布放太阳翼。

天和一号核心舱柔性太阳翼

天和一号核心舱柔性太阳翼在轨展开

以天和一号核心舱为例,其太阳翼被配置在小柱段,收拢时仅有一本词典的厚度,入轨后采用三维五步展开法展开。布放太阳翼的小柱段同样有较大的加压密封空间,该区域被设计为在轨航天员的休息与锻炼的专用生活舱,这里远离核心舱大柱段的各类设备,也远离实验舱的在轨科研设备,从设计源头远离噪音源。

天和一号核心舱远离大柱段噪音源的休息生活舱,配置3个睡眠隔间与1个卫生间,还有太空跑台。

而这是轨道服务站所无法实现的,由于刚性太阳翼与资源舱的限制,他们的宇航员将不得不与各类仪器设备同处一室。

轨道服务站的宇航员支持能力之羸弱也超出了我的想象,一期阶段数十吨舱段规模的额定载员只有2人(因为环控生保支持能力较弱,而且科学/能源舱段只能布置2个睡眠隔间),且还不是连续驻留,而是“定期访问”的运营模式。

轨道服务站科学/能源舱与各类设备同处一室的两个睡眠隔间

天宫空间站一期的实验舱布放太阳翼就更省事了,直接在后锥段表面压紧即可,而这就是柔性太阳翼的先天优势,进一步解放了实验舱的加压密封空间。

天宫空间站20吨级实验舱柔性太阳翼

与居住条件问题共生的还有实验机柜数量少的问题,轨道服务站一期只有两个20吨级舱段,能源/科学模块舱段需要生活设施与实验设施共处,另一个基础模块舱段虽然不再需要布置生活设施,但加压空间大小与能源/科学模块一致。

鉴于他们当前并没有设计研制科学研究机柜的经验,以及其宇航元器件高度依赖他国供货这一现实问题考虑,其科学研究机柜的尺寸规模会比较庞大,进一步限制了在轨部署科学研究机柜的数量。

科学/能源模块加压舱验证件,控制系统、环控生保、生活设施等都将在此柱体内,居住空间之局促可以想象。

与之对比,天宫空间站则完全不同,首先我们在一期任务阶段就有3个20吨级舱段,其中两个是专用实验舱。

天和一号核心舱由于在载人航天领域率先应用了霍尔电推发动机,这种动力能够以极小的工质消耗产生高比冲推力,补偿空间站由于大气阻力产生的轨道衰减,从而减少轨控发动机启动次数,减少推进剂消耗,资源舱也因此可以设计得尽可能小。

天和一号核心舱霍尔电推力器

天和一号核心舱资源舱

资源舱规模被“压榨”的结果就是使得加压密封空间进一步扩容,因此天和一号核心舱也有条件部署3台科学研究机柜,同时我们通过迭代优化的方法也实现了科学研究机柜的小型化设计与制造(高1.8米、宽1.05米、深度0.8米),三个舱段总计可部署25台科学研究机柜,而轨道服务站一期则难以达到这一指标。

天和一号核心舱加压舱内有充裕的居住空间

天和一号核心舱大柱段“人系统研究机柜”

再来看舱外航天活动的支持能力,轨道服务站一期两个20吨级大型舱段皆没有配置气闸舱,他们依旧继承了在国际空间站上的做法,单独发射一个气闸舱与节点舱天顶方向的径向对接口对接。如此设计的目的是避免宇航员出舱行走时阻断舱段间的交通,尤其是通往载人飞船的通道,这个气闸舱也是该空间站在一期阶段唯一的气闸舱。

轨道服务站气闸舱

标记俄文“Поиск”的舱段就是国际空间站俄舱段的搜索号气闸舱

反观天宫空间站一期则配置了3个气闸舱,首先是天和核心舱节点舱气闸舱,它确保了核心舱作为独立飞行器飞行时拥有航天员出舱作业能力,而轨道服务站一期在前三个舱段(科学/能源模块、节点舱、基础模块)到位后仍然无法开展宇航员出舱作业。

航天员王亚平在天和一号核心舱节点气闸舱出舱口

天宫空间站一期第二个气闸舱是问天号实验舱末端配置的人员专用气闸舱,该气闸舱在出舱任务过程中不干扰各舱段间的交通,因此被定为“主气闸舱”,届时可以与天和核心舱节点舱气闸舱形成互为备份的运作机制,不仅可以在出舱活动前互为备份,也可以在出舱活动进行时发挥备份作用。

问天实验舱人员专用气闸舱

比如,当出舱活动进行时主气闸舱失效,此时舱外航天员可移动至核心舱节点舱出舱口,并由舱内航天员打开舱门回舱,这在世界载人航天历史上也是独一份,这是将最困难的极端局面都纳入设计范畴并付诸实践。

第三个气闸舱就是梦天号实验舱的货物专用气闸舱,专门用于舱外实验载荷或设备的进出空间站。在国际空间站部署希望号实验舱之前人类载人航天史上并没有货物专用气闸舱,而我们的货物专用气闸舱的综合作业效率要比希望号的货物专用气闸舱高出几个量级。

天宫空间站梦天号实验舱货物专用气闸舱(图为水下训练舱)

天宫空间站通过货物专用气闸舱出舱的载荷设备可由舱外机械臂操作安装,而在轨道服务站一期阶段并没有配置机械臂,这也是他们的另一个心酸之处。

在国际空间站框架下,俄舱段并没有配置机械臂,一方面是因为其自身并没有大型空间机械臂的设计研发能力建设,另一方面是其舱外机械臂适配器配置得太少。以致于俄宇航员只能靠类似钓鱼竿原理的手动伸缩杆进行舱外大范围转移。

俄宇航员正在操作无动力手控伸缩杆

那么,轨道服务站究竟有没有机械臂呢?答案是:短时间内无法拥有,需要时间。预计在二期拓展阶段的服务模块会配置其国产空间机械臂。

反观天宫空间站,首先是承载力达25吨的七自由度大型空间机械臂,它可以执行舱段转位、辅助航天员舱外大范围转移、舱表状态检查、舱外状态监视、捕获悬停飞行器、转移舱外货物等多样化任务,此外问天号实验舱也随舱上行一套5米级小型机械臂,该臂可执行更加精细的舱外操作,天和臂与问天臂还可以对接组合成长度达15米的超长机械臂,进而形成空间站外表面全触达能力。

天和机械臂

以上是结合天宫空间站一期在轨建造情况分析俄轨道服务站一期的任务能力。

再来看两座空间站的二期拓展:

轨道服务站的规模可由50吨级拓展至百吨级,就是在节点舱两个侧向对接口再对接两个20吨级舱段“目标模块舱段”与“生产模块舱段”,其主要用途也是进行空间科学实验。另外就是在节点舱面向地球一侧再对接一个规模约10吨的“服务模块”。

轨道服务站二期构型图

从轨道服务站二期拓展内容来看,它仍然无法与天宫空间站一期比肩,首先能源供应能力仍然大幅落后,当然也能看到他们在提高发供电能力上的努力。

比如,轨道服务站二期整体构型虽然看起来仍然有和平号空间站辐射状构型的影子,但也基本遵循了将主要舱段布置在同一平面的原则,这样设计的好处是避免太阳翼之间相互遮挡,提高太阳翼受晒率。

呈辐射状构型的和平号空间站

不过,轨道服务站二期在提高太阳翼受晒率方面仍然有很大的技术局限性,在一期阶段两对采用双自由度驱动设计的大面积刚性太阳翼得益于两个20吨级舱段的对置布局形成的类似桁架结构的作用,太阳翼相互遮挡问题得到了化解。但是进入二期拓展阶段后,后来增加的两个20吨级舱段的太阳翼就没有这个条件了,他们只能配置小面积的采用单自由度驱动设计的刚性太阳翼,在运行过程中受双自由度驱动大面积太阳翼遮挡的问题将更为突出,从而降低后增加舱段的发供电能力。

轨道服务站二期太阳翼遮挡问题

反观天宫空间站则在一期阶段就可以通过“在轨电力重构”最大限度化解太阳翼之间的相互遮挡问题,出舱航天员可在机械臂辅助下拆卸天和核心舱太阳翼,并转位至两个实验舱短桁架末端安装,完成转位安装后空间站三舱再进行电力重构,实现三舱一体化电力调配。在二期阶段只需再增加一对柔性太阳翼即可满足6个20吨级舱段的用电需求。

机械臂辅助航天员转移核心舱太阳翼

完成在轨电力重构后的天宫空间站一期构型

轨道服务站进入二期阶段后,仍然没有配置货物专用气闸舱,舱外作业效率仍然要大打折扣。其新增的10吨级服务模块颇具特色,它可以为近地轨道航天器提供在轨补加推进剂、维修、升级等服务。

轨道服务站二期“轨道服务模块”疑似配置有机械臂

然而就是这个“颇具特色”在天宫空间站一期阶段就可以实现,这就是我们发展的“太空母港”运营理念,2024年将要发射的巡天光学舱将与天宫空间站共轨运行,前者可以在需要的时候与天宫空间站对接,后者可对其进行推进剂补加、在轨维修升级。而巡天光学舱只是天宫服务的第一个用户,后续还将有其他近地轨道航天器造访天宫。

巡天光学舱与天宫空间站对接效果图

巡天光学舱构型图

为什么说两个空间站有恍如隔世的观感?

轨道服务站一期建成时间表是2030年,而即便预算充足且一切如其所愿地在那一年建成,到那时完成一期在轨建造任务的天宫空间站也早已投入运营多年。

可以想象一个八年后建成的新空间站尚不及天宫这座“八年前的旧站”,这不是恍如隔世是什么?当轨道服务站二期建成后就是2035年,其综合效能仍然无法与天宫一期比肩,再想象一下,一个十三年后建成的“新站”仍旧不及“十三年前建成的旧站”,这不是恍如隔世又是什么?

科学/能源模块寿命测试

更何况我们还有更大规模的天宫空间站二期拓展规划,从设计伊始该站就对标180吨级最大扩展构型,这首先得益于由天和一号核心舱、问天号实验舱、梦天号实验舱基于整站三舱理念打造的“核心组合体”,超越了人类以往所有空间站的设计理念,实现了结构与运动控制、信息系统、能源系统、热控流体回路、载人环境、推进系统的高效整合,为后续拓展工程奠定了强大基础。

后续天宫还将拓展3个20吨级舱段,届时空间站在轨科研支持能力将大幅超越国际空间站,比如科学研究机柜规模再增加1倍是没有问题的,航天员驻留人数也可视需求由3人升级至6人,届时新一代载人飞船将接替神舟载人飞船,一次即可承运4至6名航天员进行天地往返,加上巡天光学舱最大构型可达180吨级。

天宫空间站二期拓展构型图

为什么十几年后建成的俄轨道服务站(二期)会面临出世即落后的窘境?我们先把视线转移至国际空间站的新码头号节点舱,这是一个对接于科学号实验舱(俄)的舱段,话说为什么在科学号已经有对接口的情况下还要对接一个有5个对接口的节点舱?它真有这么多对接需求吗?

国际空间站科学号实验舱前端对接的“节点舱”

轨道服务站也将使用同款节点舱

原因是按照原计划这个新码头号节点舱还要对接两个20吨级实验舱,而这两个舱段就是俄新空间站“轨道服务站”一期的两个20吨级实验舱(科学/能源模块与基础模块)。

科学号实验舱前端节点舱原计划对接两个实验舱

这就很好理解为什么这座空间站将要在十几年后面临出世即落后窘境的原因,因为科学/能源模块设计定型于以当下时间为基准计算的6年前,直至发射乃至轨道服务站二期建成,整个时间跨度将达到二十年,更不用说六年前的科学/能源模块实际上继承了大量上世纪90年代乃至更加久远年代的设计,此舱段实可为横跨数十年载人航天历史的“活化石”。

建设一座高性能载人空间站如果只靠吃老本,那是万万行不通的。以天宫空间站的柔性太阳翼为例,仅方案论证就耗费了3年时间,这是谋定而后动。之后又在地面进行了40万次热真空疲劳寿命试验、100万次常温常压寿命试验,充分验证了产品的高可靠、长寿命,这才有了天宫空间站的强大能源系统。天和机械臂、霍尔电推力器、再生式环控生保等一系列单机或系统级设备无不如此。

天宫空间站柔性太阳翼地面展开测试1

天宫空间站柔性太阳翼地面展开测试2

以往经常有人拿“人家会停下来等着你吗?”来诟病“弯道超车”,殊不知真正的弯道超车是用高投入换来的胜利成果,而“高投入”依托的是什么?显而易见,是持续提升的综合国力。

用于天和机械臂地面测试的大型微重力试验设备(气浮试验台)

展望未来,载人航天事业会有越来越多的参与者这是历史发展的必然,然而要想在太空走得更稳更远,也必然需要综合国力居于领先地位的新领头雁,这个领头雁会是谁呢?梦想只有通过奋斗与实践才能照进现实,而天宫空间站正在付诸这样的实践。期待在新的一年里,我们的天宫能不负人类所望。

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