再過幾天神舟十二號航天員乘組就將返回地球，這意味著天宮空間站“關(guān)鍵技術(shù)驗證階段”任務(wù)已經(jīng)行程過半。

天宮空間站首批進(jìn)駐航天員即將搭乘神舟十二號返回地球

按照規(guī)劃此一階段共有6次發(fā)射，已經(jīng)實施的任務(wù)有長征5B遙一、長征5B遙二/天和一號核心艙、長征七號遙三/天舟二號貨運(yùn)飛船、長征2F遙十二/神舟十二號載人飛船。

關(guān)鍵技術(shù)驗證階段最后兩發(fā)任務(wù)也將在接下來不到一個月時間內(nèi)連續(xù)發(fā)射，即長征七號遙四/天舟三號與長征2F遙十三/神舟十三號。

關(guān)鍵技術(shù)驗證階段任務(wù)規(guī)劃

關(guān)鍵技術(shù)驗證階段已經(jīng)實施的4次任務(wù)

神舟十二號與天和一號核心艙分離后還將驗證徑向交會技術(shù)，之后天舟二號與天和一號核心艙后向?qū)涌诜蛛x并繞飛至前向?qū)涌趯印?/p>

天舟二號繞飛至核心艙前向?qū)涌?/p>

新發(fā)射的天舟三號與神舟十三號將分別對接天和一號核心艙后向與徑向兩個對接口，屆時天宮空間站將在短期內(nèi)形成一個由天和一號核心艙、天舟二號貨運(yùn)飛船、天舟三號貨運(yùn)飛船、神舟十三號載人飛船組成的呈T字形構(gòu)型近50噸級在軌規(guī)模的四艙（船）組合體。

神舟十三號對接后天宮空間站的組合體形態(tài)

天舟二號為什么沒有緊隨神舟十二號撤離？因為它還要驗證核心艙前向?qū)涌谕七M(jìn)劑在軌補(bǔ)加功能，以及執(zhí)行機(jī)械臂輔助轉(zhuǎn)位試驗。

關(guān)鍵技術(shù)驗證階段對天宮空間站具有奠基意義，主要驗證七大關(guān)鍵技術(shù)，分別是，空間站推進(jìn)劑補(bǔ)加、再生生保、柔性太陽電池翼和驅(qū)動機(jī)構(gòu)、大型柔性組合體控制、組裝建造、艙外操作、在軌維修。

天和一號核心艙配置的大型柔性太陽翼

天宮空間站航天員第二次出艙任務(wù)畫面

與神舟十二號乘組為期3個月在軌駐留時間不同，神舟十三號乘組在軌駐留時間將延長至6個月，這一時間也將是此后各批次航天員乘組的常態(tài)化駐留時間。待神舟十三號乘組完成為期半年在軌任務(wù)后，明年天宮空間站將迎來另一個激動人心的時刻，即“在軌建造階段”。按照計劃我們將在2023年之前完成在軌建造任務(wù)，從而進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營階段。

天宮空間站的三大任務(wù)階段

隨著關(guān)鍵技術(shù)驗證階段任務(wù)陸續(xù)展開，人們對該階段任務(wù)流程已逐漸熟悉，然而對于明年即將開始的“在軌建造階段”尚缺乏足夠的認(rèn)知。

無獨(dú)有偶，一部全新的載人航天工程宣傳片在近期航天員天地連線活動中得以公開，該片展示了許多在軌建造階段的任務(wù)細(xì)節(jié)。

我們都知道天和一號是天宮空間站核心艙，然而鮮為人知的是，現(xiàn)階段天和一號的準(zhǔn)確身份是“試驗核心艙”，完成關(guān)鍵技術(shù)驗證階段任務(wù)并通過狀態(tài)評審后將在軌直接轉(zhuǎn)正為“核心艙”，屆時天和一號核心艙將為迎接在軌建造階段任務(wù)做好一切準(zhǔn)備。

天和一號艙內(nèi)畫面

在軌建造階段大部分任務(wù)都將在神舟十四號任務(wù)期間展開實施，該飛船將對接于天和一號核心艙對地方向的徑向?qū)涌冢瑸楹罄m(xù)到來的兩個大型實驗艙讓出軸向?qū)涌凇?/p>

神舟十四號航天員乘組進(jìn)駐天和一號不久，很快長征5B遙三大型運(yùn)載火箭就將托舉問天號實驗艙發(fā)射入軌，該艙段的目標(biāo)對接位置是天和一號核心艙第四象限徑向停泊口。

問天號實驗艙與空間站組合體交會

身為追蹤飛行器的問天號實驗艙有著22噸級的身板，而作為目標(biāo)飛行器的空間站組合體也是40噸級規(guī)模，加上異體同構(gòu)周邊對接機(jī)構(gòu)需要較大撞擊能量，如果直接徑向?qū)訉⑹沟每臻g站姿態(tài)控制變得更加復(fù)雜，為此我們采取了先軸向?qū)釉俎D(zhuǎn)位徑向?qū)拥姆桨浮?/p>

問天號實驗艙與空間站組合體軸向?qū)?/p>

問天號實驗艙的到來相當(dāng)于為天宮空間站帶來一個超值大禮包，首先是數(shù)量可觀的科研機(jī)柜與艙外載荷掛點(diǎn)，再就是該艙段的小柱段配置了一部小型機(jī)械臂，它可以與天和核心艙主機(jī)械臂對接形成長度達(dá)15米的超長機(jī)械臂，基于天和機(jī)械臂爬行功能，可以實現(xiàn)天宮空間站整站全觸達(dá)。

天和機(jī)械臂與問天號實驗艙機(jī)械臂雙臂組合

問天號實驗艙還配置有人員專用氣閘艙，它可以與天和一號氣閘艙（節(jié)點(diǎn)艙）互為備份。在沒有人員專用氣閘艙情況下航天員實施出艙活動任務(wù)期間空間站艙段間交通將被阻斷，比如神舟十二號乘組執(zhí)行兩次出艙活動任務(wù)期間神舟十二號飛船與天和核心艙之間的交通就是阻斷狀態(tài)，一旦出現(xiàn)危險情況難以做出有效應(yīng)對。

使用天和氣閘艙執(zhí)行出艙任務(wù)時核心艙與神舟飛船交通阻斷

人員專用氣閘艙到位后將完美化解這一問題，屆時它將是航天員實施出艙活動的第一選擇。

問天號實驗艙人員專用氣閘艙

值得注意的是，問天號實驗艙人員專用氣閘艙艙門是面向地球一側(cè)，這與天和一號氣閘艙面向太空一側(cè)不同，空間站完成在軌建造任務(wù)后將由連續(xù)偏航姿態(tài)轉(zhuǎn)三軸對地穩(wěn)定姿態(tài)運(yùn)行，面向地球一側(cè)的出艙口將背對太陽，有助于航天員執(zhí)行出艙任務(wù)時的環(huán)境感知。

核心艙氣閘艙進(jìn)出艙成像受陽光干擾問題突出

與之對比神舟十二號乘組在使用核心艙氣閘艙執(zhí)行出艙任務(wù)時，當(dāng)組合體運(yùn)行至陽照區(qū)時出艙口全景相機(jī)受強(qiáng)烈陽光干擾畫面過度曝光問題比較嚴(yán)重，而出艙過程恰恰是非常關(guān)鍵的階段，需要艙內(nèi)航天員與地面通過鏡頭畫面指導(dǎo)出艙航天員做出正確動作。

在問天實驗艙機(jī)械臂輔助下進(jìn)行出艙活動

在軌建造階段最為關(guān)鍵的任務(wù)就是兩個實驗艙的“轉(zhuǎn)位對接”，事關(guān)整個空間站的成敗。假設(shè)問天號實驗艙無法轉(zhuǎn)位，意味著軸向?qū)涌诒徽加?，后續(xù)夢天實驗艙無法對接，甚至飛船對接口也將因此由3個縮減至2個，空間站總體任務(wù)目標(biāo)將無法達(dá)成。

基于轉(zhuǎn)位任務(wù)的不可逆性質(zhì)，空間站總體為此準(zhǔn)備了兩套互為備份的轉(zhuǎn)位方案。首先是實驗艙自備的轉(zhuǎn)位機(jī)械臂，轉(zhuǎn)臂通過與節(jié)點(diǎn)艙基座相連帶動實驗艙進(jìn)行上翻、旋轉(zhuǎn)、下翻實現(xiàn)轉(zhuǎn)位對接，該轉(zhuǎn)位機(jī)械臂運(yùn)動關(guān)節(jié)少，優(yōu)勢是可靠性高。

用于對接實驗艙轉(zhuǎn)位機(jī)械臂的基座

轉(zhuǎn)位機(jī)械臂控制問天號實驗艙轉(zhuǎn)位對接

天和核心艙主機(jī)械臂則是轉(zhuǎn)位機(jī)械臂的備份手段，該機(jī)械臂自設(shè)計伊始就確立了25噸級的承載力指標(biāo)，目的就是為服務(wù)實驗艙轉(zhuǎn)位對接。目前正對接于天和一號核心艙后向?qū)涌诘奶熘鄱栘涍\(yùn)飛船在任務(wù)末期就將繞飛至前向?qū)涌冢⑴浜咸旌蜋C(jī)械臂進(jìn)行在軌轉(zhuǎn)位試驗。

天舟二號貨運(yùn)飛船配合天和機(jī)械臂進(jìn)行轉(zhuǎn)位試驗

問天號實驗艙完成轉(zhuǎn)位對接后，夢天號實驗艙也將緊隨其后在神舟十四號任務(wù)期間完成對接，該艙段目標(biāo)對接位置是天和一號核心艙第二象限徑向停泊口，對接方法與問天號實驗艙完全一致。

夢天號實驗艙與空間站組合體軸向?qū)?/p>

夢天號實驗艙轉(zhuǎn)位對接

天宮空間站在軌組裝過程猶如太空變形金剛，需要?dú)v經(jīng)一字形、L形、T形等多個構(gòu)型演變，進(jìn)一步凸顯其姿態(tài)控制系統(tǒng)的強(qiáng)大適應(yīng)力。

兩個實驗艙完成對接后就意味著天宮空間站三艙組合體在軌組裝任務(wù)大功告成，接下來就是驗證最后一項核心能力，即航天員在軌輪換。

完成在軌組裝任務(wù)的天宮空間站組合體

是否具備航天員在軌輪換能力，決定了天宮空間站能否具備連續(xù)不間斷的有人駐留能力，這也是永久性載人空間站的一項標(biāo)志性能力。

屆時神舟十五號飛船將搭乘長征2F遙十五運(yùn)載火箭升空，并與天和一號核心艙軸向?qū)涌趯?，此時天宮空間站的艙（船）段成員有：天和一號核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙、天舟五號貨運(yùn)飛船、神舟十四號載人飛船、神舟十五號載人飛船，組合體在軌規(guī)模將達(dá)到90噸級，站內(nèi)航天員人數(shù)由3人升級至6人。

天宮空間站航天員首次在軌輪換組合體形態(tài)

話說天和一號核心艙自身就具備同時對接兩艘神舟飛船能力，為什么一定要等到空間站完成組裝任務(wù)后再進(jìn)行航天員在軌輪換呢？這是因為問天號實驗艙另外配置有3個獨(dú)立睡眠區(qū)，加上天和一號核心艙3個獨(dú)立睡眠區(qū)，總計有6個獨(dú)立睡眠區(qū)，可以保障航天員輪換期間6人同時短期駐留需求，在睡眠區(qū)全部到位后進(jìn)行在軌輪換可以更加全面的檢驗空間站綜合保障能力。

在上一篇文章里筆者提到22噸級的天和一號核心艙以一己之力就能夠匹敵國際空間站星辰號核心艙+曙光號多功能貨艙+團(tuán)結(jié)號節(jié)點(diǎn)艙三艙相加的各項功能，甚至有所超出。其實遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，天宮空間站不僅實現(xiàn)了功能超越，更是在設(shè)計理念上完成了新的蛻變。

天和一號PK國際空間站三大艙段

載人航天工程空間站系統(tǒng)總指揮王翔對此指出，基于系統(tǒng)科學(xué)思想的理念，組成天宮空間站的各艙段（包括來訪飛船）原為獨(dú)立飛行器，對接后形成一個由空間站統(tǒng)一控制和管理的組合體；其組合過程實際上是控制權(quán)的交接或接管，新艙段將控制權(quán)交與空間站，將艙體與艙內(nèi)資源融入空間站并形成擴(kuò)展后新的空間站的一部分。最終實現(xiàn)1+1等于1的工程效果。

1+1等于1的背后是空間站各艙段資源的高效整合，反觀國際空間站在諸多領(lǐng)域則是1+1小于1，其表現(xiàn)如下：

1.電力系統(tǒng)只具備單向供電能力，比如國際空間站諸多艙段只能由桁架太陽翼供電，桁架太陽翼又對俄艙段太陽翼形成遮擋，導(dǎo)致后者電力供應(yīng)能力受損。

國際空間站桁架太陽翼對俄艙段太陽翼遮擋問題突出

2.熱控資源無法集中，國際空間站非俄艙段建立了以命運(yùn)號實驗艙為中心的公共流體回路系統(tǒng)，實現(xiàn)了局部熱控資源的共享，但俄艙段由于流體介質(zhì)與非俄艙段不同，導(dǎo)致兩者無法構(gòu)建更加完整的公共流體回路。

國際空間站星辰號服務(wù)艙（俄）

3.信息系統(tǒng)難以共享，國際空間站各艙段之間通常可以看到頗為凌亂的線路連接，這些都是航天員在出艙任務(wù)中進(jìn)行手動拉線連接。

國際空間站艙段間凌亂的線路連接

再比如他們航天員在出艙期間頭盔攝像機(jī)傳輸畫面經(jīng)常有傳輸中斷的現(xiàn)象，這些都是信息鏈路阻塞的表現(xiàn)。

NASA艙外航天服成像畫面?zhèn)鬏斨袛喱F(xiàn)象

天宮空間站不僅完美解決了上述問題，更實現(xiàn)了新的創(chuàng)新?；诤教炱鹘粫蛹夹g(shù)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制，以及流體回路資源共享這都是基本技能。

載人空間站通常都是由一個核心艙為基點(diǎn)開枝散葉，而我們則是在天和一號這個強(qiáng)核心艙基礎(chǔ)上創(chuàng)新了“三艙核心組合體（天和一號+問天號+夢天號）”方案，該方案之所以能夠?qū)崿F(xiàn)得益于結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制、信息系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、熱控流體回路、載人環(huán)境、推進(jìn)系統(tǒng)的高度融合。

天宮空間站“三艙核心組合體”地面驗證艙

電力供應(yīng)方面，徑向?qū)佑谔旌鸵惶柕膬蓚€大噸位實驗艙形成了近40米的大跨度，兩部雙自由度大型太陽翼布置在兩個實驗艙的兩端，達(dá)到了類似國際空間站桁架結(jié)構(gòu)克服太陽翼相互遮擋問題的作用，同時高光電轉(zhuǎn)化效率的三結(jié)柔性砷化鎵電池技術(shù)的應(yīng)用，使得電池翼更加輕質(zhì)，且發(fā)電效率更高。

在解決太陽翼遮擋問題上我們進(jìn)一步創(chuàng)新了電力系統(tǒng)在軌重構(gòu)功能，天和一號核心艙太陽翼可由航天員在機(jī)械臂輔助下拆卸，并轉(zhuǎn)移至兩個實驗艙末端的桁架處安裝，徹底解決電池翼遮擋問題，而這就是“三艙核心組合體”的一個顯著特征。

機(jī)械臂輔助航天員轉(zhuǎn)移核心艙太陽翼

同時天宮空間站實現(xiàn)了雙向供電，新對接艙段既能從站上獲取電力，同時也可以反向供電以滿足其他艙段更大的用電需求。

天地通話是空間站的基礎(chǔ)功能，國際空間站在進(jìn)行此項任務(wù)時通常需要佩戴有線耳機(jī)或者是麥克風(fēng)。

國際空間站航天員使用有線設(shè)備進(jìn)行天地通話

而天宮空間站在高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)支持下航天員只需佩戴無線骨傳導(dǎo)耳機(jī)，甚至不需要耳機(jī)只需手機(jī)打開外音就能天地通話。同時我們還可以實現(xiàn)跨艙段信息互聯(lián)，航天員無需頻繁的跨艙段移動就能在一個艙段對另一個艙段進(jìn)行控制。

天宮空間站航天員天地通話甚至無需佩戴任何設(shè)備

“三艙核心組合體”還體現(xiàn)在問天實驗艙的功能備份上，該艙段有控制力矩陀螺、綜合顯示儀表、姿軌控動力等備份設(shè)備，它與天和一號核心艙之間的發(fā)射間隔僅有一年時間，與之相比國際空間站備份核心艙功能的科學(xué)號則間隔了將近二十三年才發(fā)射上天。

天宮空間站“三艙核心組合體”可以看作是一個規(guī)模更大且功能更強(qiáng)大的核心艙，其功能有多強(qiáng)大？國際空間站人員專用氣閘艙、貨物專用氣閘艙、暴露實驗平臺、外部掛點(diǎn)、桁架等幾乎所有硬件配置都能在我們的“三艙核心組合體”中一一對應(yīng)。

夢天實驗艙可展開式暴露實驗平臺

除此之外，“三艙核心組合體”的空間利用率也非常高，400噸級的國際空間站僅配置了31個科研機(jī)柜，而我們呢？

根據(jù)空間站科學(xué)實驗資源手冊披露，60噸級的“三艙核心組合體”就能夠容納23個科研機(jī)柜，待拓展工程實施后，后續(xù)實驗艙由于無需備份核心艙功能，因此將有更大的空間放置科研機(jī)柜，屆時科研機(jī)柜規(guī)模就不僅僅是23乘以2這么簡單，大幅超越國際空間站在軌科研能力更是必然結(jié)果。

天宮空間站由T字形向干字形演化的拓展方案

天宮空間站不僅是人類載人航天科技的集大成者，其運(yùn)營理念也非常先進(jìn)，如此優(yōu)秀的平臺必將吸引全球有實力選手參與其中。

天宮不同于國際空間站的門戶有別，首先這是我們的國家太空實驗室，在這個基礎(chǔ)上確立了共享開放的合作模式，即由我方提供天地往返運(yùn)輸與在軌科研服務(wù)，所有參與其中的外方則需滿足向我方共享科研數(shù)據(jù)與成果的條件，如此一來就真正做到了全球資源為我所用。

第一批入選天宮空間站的外方科研項目

強(qiáng)大平臺+先進(jìn)運(yùn)營方案，可以說天宮空間站將成為我國航天工業(yè)乃至整個工業(yè)體系快速發(fā)展的力量倍增器，我們將以前所未有的速度快速向前突破。

天宮空間站變重力科研機(jī)柜

許多國人每每談到中外科技對比話題時總有一個預(yù)設(shè)思維框架，就是我們要以一己之力PK全球，任何一個領(lǐng)域?qū)Ρ饶硞€國家有不足時都會有所抱怨，而天宮空間站就是以一己之力PK全球的經(jīng)典之作。