文/ 黃希

4月29日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院抓總研制的中國(guó)空間站核心艙——“天和”，在太空中順利定位，包含11次飛行任務(wù)的中國(guó)空間站在軌建造任務(wù)由此開啟。

核心艙命名為“天和”，全長(zhǎng)16.6米，最大直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量22.5噸，可支持3名航天員長(zhǎng)期在軌駐留，是我國(guó)目前研制的最大航天器。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(chǎng)所，還能支持開展一定規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。

如何建設(shè)中國(guó)空間站？中國(guó)空間站有哪些特色？如何讓中國(guó)的“太空實(shí)驗(yàn)室”發(fā)揮出巨大的科學(xué)價(jià)值？對(duì)于這些問題，中國(guó)空間站系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊宏一一作答。

是“超級(jí)工程”，更是“連環(huán)工程”

15年前，楊宏作為我國(guó)首個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室——“天宮一號(hào)”的總設(shè)計(jì)師，參與了“天宮一號(hào)”全流程的設(shè)計(jì)工作。

2011年，結(jié)束“天宮一號(hào)”的工作后，他被任命為中國(guó)空間站總設(shè)計(jì)師，迅速參與到中國(guó)空間站的方案設(shè)計(jì)中。

如何實(shí)現(xiàn)從“空間實(shí)驗(yàn)室”到長(zhǎng)期在近地軌道運(yùn)行的“載人空間站”的迭代和升級(jí)，成為楊宏和他的團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)思考的問題。

據(jù)中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平介紹，空間站基本構(gòu)型有3個(gè)艙段——1個(gè)核心艙，2個(gè)實(shí)驗(yàn)艙。每個(gè)艙都是20噸級(jí)，三艙組合體質(zhì)量約66噸?？臻g站整體呈T字構(gòu)型，核心艙居中，實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ分別連接于兩側(cè)。其中，核心艙用來控制整個(gè)空間站組合體，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙分別用于生物、材料、微重力流體、基礎(chǔ)物理等多方面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

核心艙是空間站的主控艙段，相當(dāng)于是整個(gè)空間站的中樞系統(tǒng)，主要對(duì)整個(gè)空間站的飛行姿態(tài)、動(dòng)力性能、載人環(huán)境進(jìn)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(shí)驗(yàn)的地方，小柱段則是航天員的睡眠區(qū)和衛(wèi)生區(qū)，保障航天員的生活和居住。

實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ名為“問天”，主要任務(wù)是開展艙內(nèi)和艙外空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，也是航天員的工作生活場(chǎng)所和應(yīng)急避難場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ配備了航天員出艙活動(dòng)專用氣閘艙，支持航天員出艙活動(dòng)，配置了小型機(jī)械臂，可進(jìn)行艙外載荷自動(dòng)安裝操作。該艙有著核心艙部分關(guān)鍵平臺(tái)功能，這意味著在需要的時(shí)候，它可以執(zhí)行對(duì)整個(gè)空間站的管理和控制。

實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ名為“夢(mèng)天”，具備和實(shí)驗(yàn)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(jī)械臂的輔助下，支持貨物、載荷自動(dòng)進(jìn)出艙。

空間站工程還包括天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和貨物運(yùn)輸系統(tǒng)。天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)由神舟載人飛船和長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭組成，貨物運(yùn)輸系統(tǒng)主要由天舟貨運(yùn)飛船和長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭組成，用于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(shí)現(xiàn)天地往返，在空間站停靠期間也作為救生船，用于航天員應(yīng)急救生和返回。

在中國(guó)空間站里，航天員的活動(dòng)空間將得到極大拓展。

有人統(tǒng)計(jì)過，神舟七號(hào)載人飛船航天員的活動(dòng)空間大概是7立方米；“天宮一號(hào)”航天員有效活動(dòng)空間約為15立方米，大概相當(dāng)于一個(gè)7平方米房間大小。而在中國(guó)空間站里，航天員活動(dòng)空間擴(kuò)展到了110立方米。

如果把神舟飛船比作一輛轎車，那么“天宮一號(hào)”和“天宮二號(hào)”就相當(dāng)于一室一廳，空間站則像是三室兩廳還帶儲(chǔ)藏間。

但是，空間站不是“天宮一號(hào)”簡(jiǎn)單的放大樣。要保證空間站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行、保障航天員長(zhǎng)期在軌健康生活和高效率工作，科研人員還需要開展大量的科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)。與此同時(shí)，有些關(guān)鍵技術(shù)在地面受重力影響，也需要在天上繼續(xù)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證。

中國(guó)空間站工程在今明兩年將接續(xù)實(shí)施11次飛行任務(wù)，包括3次空間站艙段發(fā)射、4次貨運(yùn)飛船發(fā)射以及4次載人飛船發(fā)射，并依次圍繞核心艙完成組裝建造工作。難怪中國(guó)空間技術(shù)研究院的設(shè)計(jì)師說空間站的建造就像是“在太空中搭積木”。

這樣高密度任務(wù)在我國(guó)載人航天工程中從未有過。11次任務(wù)環(huán)環(huán)相扣，一系列關(guān)鍵技術(shù)需要在天上驗(yàn)證，并進(jìn)行分段評(píng)估，才能進(jìn)行下一階段建造工作，進(jìn)而決定“下一步走向”，可謂是“步步驚心”。

舉例來說，天和核心艙上天后，需要根據(jù)自身表現(xiàn)，在48小時(shí)內(nèi)評(píng)估在軌狀態(tài)，進(jìn)而為下一個(gè)任務(wù)——“天舟二號(hào)”發(fā)出指令，讓其進(jìn)入“發(fā)射倒計(jì)時(shí)”準(zhǔn)備階段。兵馬未動(dòng)，糧草先行。天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船上天后，根據(jù)對(duì)接狀態(tài)，給下一個(gè)任務(wù)——神舟十二號(hào)載人飛船相應(yīng)的指令。確認(rèn)一切正常后，載人飛船才能進(jìn)入發(fā)射準(zhǔn)備階段。隨后的每一次飛行，都是建立在之前任務(wù)狀態(tài)正常的基礎(chǔ)上，才能實(shí)施后續(xù)任務(wù)。任務(wù)之間耦合度極高，不允許有任何閃失。

據(jù)介紹，中國(guó)空間站提供3個(gè)對(duì)接口，支持載人飛船、貨運(yùn)飛船及其他來訪飛行器的對(duì)接和停靠。額定乘員3人，乘員輪換期間短期可達(dá)6人，具備十幾噸載荷設(shè)備的安裝和支持能力。

與此同時(shí)，中國(guó)空間站設(shè)計(jì)壽命不小于10年，具有通過維護(hù)維修延長(zhǎng)使用壽命的能力，能夠擴(kuò)展到180噸級(jí)，也為后續(xù)發(fā)展留有一定的空間。

是“無紙化操作”，更是“數(shù)字化工程”

提到空間站，大家首先會(huì)想到國(guó)際空間站。以美國(guó)為首的16個(gè)成員國(guó)組成聯(lián)盟，集合了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的航天技術(shù)，但卻把中國(guó)排除在外。

中國(guó)空間站憑借一國(guó)之力獨(dú)立建造，瞄準(zhǔn)“整體水平能夠達(dá)到世界先進(jìn)水平、局部能夠超越國(guó)際空間站”這個(gè)目標(biāo)來研發(fā)。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，靠的是什么？

對(duì)這個(gè)問題，楊宏有自己深刻的理解：靠的是新型舉國(guó)體制優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新引領(lǐng)和航天事業(yè)多年積累的體系作為保障，開展全國(guó)大協(xié)作，集智攻關(guān)。

他特別指出，要堅(jiān)持以信息技術(shù)來提升載人航天器能力的設(shè)計(jì)理念。在工程研制中大膽采用先進(jìn)信息技術(shù)能夠給航天器帶來突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。

傳統(tǒng)的航天器研制和生產(chǎn)，從圖紙到初樣再到正樣，是必經(jīng)之路。

不同于單一航天器的研制，中國(guó)空間站建設(shè)涉及3個(gè)艙段，還包括與貨運(yùn)飛船、載人飛船的對(duì)接，系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性和耦合性極高，可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。

作為總師，在各個(gè)艙段的設(shè)計(jì)中，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的高效連接，追求最大程度的“一次到位”，成為楊宏關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

“數(shù)字化”就是破解這個(gè)難題的密鑰。

此次在中國(guó)空間站研制中實(shí)現(xiàn)了“數(shù)字化模型設(shè)計(jì)”，設(shè)計(jì)過程中沒有產(chǎn)生一張紙質(zhì)圖紙，這讓研制團(tuán)隊(duì)頗為驕傲。

除了實(shí)現(xiàn)各個(gè)艙段的“友好耦合”外，空間站艙內(nèi)設(shè)備也需要做到“布局優(yōu)化”，讓航天員的工作生活更便利。

“就像我們自己家里搞裝修一樣，除了布線，室內(nèi)還要裝空調(diào)、照明燈，哪個(gè)先裝，哪個(gè)后裝，都需要統(tǒng)籌考慮。采用數(shù)字化建模之后，各個(gè)系統(tǒng)就可以在自己的模塊內(nèi)反復(fù)迭代，直到生成一個(gè)在參數(shù)范圍內(nèi)的最理想、和其他系統(tǒng)匹配度最高的模型，生產(chǎn)方拿到設(shè)計(jì)模型后，直接進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)?！睏詈暾f，恰恰就是采用這種方式，讓設(shè)計(jì)和生產(chǎn)沒有誤差，一氣呵成。就連艙內(nèi)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(gè)小細(xì)節(jié)也能看到“數(shù)字化手段”的功勞。在太空中運(yùn)行的航天器講究“質(zhì)量配平”，大概意思就是艙體布局重量相當(dāng)。一般情況下，這很難依靠已有的設(shè)備實(shí)現(xiàn)“完全配平”，需要額外的“配重”來達(dá)到平衡。此次在空間站中，因?yàn)橛袛?shù)字化手段引入，輕松實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)布局優(yōu)化的目標(biāo)。

值得一提的是，此次艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)了WiFi全覆蓋。航天員所有的生理參數(shù)都通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)下傳。先進(jìn)信息技術(shù)的采用，會(huì)讓航天員如同在地面上一樣看劇、打視頻電話，太空生活會(huì)更加豐富。

是“高可靠產(chǎn)品”，更是“高品質(zhì)樣板”

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

經(jīng)過載人航天“三步走”中“前兩步”的實(shí)施，人的“安全性”問題已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。即便如此，研制團(tuán)隊(duì)還是做了大量功課，針對(duì)能想到的風(fēng)險(xiǎn)都做了詳盡的預(yù)案。

拿安全性來說，航天員在太空中最怕什么？一怕失壓，二怕失火。

太空是一個(gè)真空環(huán)境。宇宙飛船上的密封艙有適合航天員生活和工作的環(huán)境，艙外活動(dòng)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(jī)械損傷，哪怕是一個(gè)很小的洞或裂縫，空氣都會(huì)很快跑光，航天員將會(huì)面臨生命危險(xiǎn)。

所以，密封問題非常關(guān)鍵。研制團(tuán)隊(duì)針對(duì)國(guó)際空間站出現(xiàn)的泄漏問題進(jìn)行了充分的舉一反三。對(duì)艙內(nèi)所有的密封環(huán)節(jié)，進(jìn)行一一復(fù)查。

此外，針對(duì)空間碎片問題，中國(guó)空間站配備了一套撞擊打擊預(yù)防系統(tǒng)，能夠?qū)Α安凰僦汀薄臻g碎片，進(jìn)行定位感知，通過對(duì)空間站實(shí)施升軌或者降軌，對(duì)空間碎片進(jìn)行規(guī)避。

這就跟我們坐飛機(jī)遇到不穩(wěn)定的強(qiáng)烈氣流，飛機(jī)通過改變高度實(shí)現(xiàn)規(guī)避的原理是一樣的。

此外，針對(duì)防失火問題，艙內(nèi)所有的材料都采用阻燃材料，對(duì)高壓用電也進(jìn)行了嚴(yán)格控制。如果發(fā)生重大險(xiǎn)情，航天員緊急撤離和快速撤離模式可立即啟動(dòng)，幫助航天員在5分鐘內(nèi)快速逃離危險(xiǎn)區(qū)。

除了在安全性上做足功課外，設(shè)計(jì)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(zhì)量”。

在中國(guó)空間站上，滿足乘員輪換期間短期可達(dá)6人的居住條件。6人可各自擁有獨(dú)立的睡眠區(qū)和生活區(qū)，設(shè)計(jì)師們對(duì)通風(fēng)、噪聲、燈光等細(xì)節(jié)都有非常周密的考慮。

我們都有這樣的感受，通風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境很重要。但是，風(fēng)大了會(huì)著涼，風(fēng)小了空氣無法流動(dòng)。在密封的艙體內(nèi)，必須要靠風(fēng)扇讓空氣流動(dòng)起來。為了防止航天員著涼，航天員睡眠區(qū)和工作區(qū)的風(fēng)速都是不同的。經(jīng)過多次測(cè)試，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終將中國(guó)空間站工作區(qū)風(fēng)速設(shè)定為每秒0.08米，睡眠區(qū)風(fēng)速則為每秒0.05米。

艙內(nèi)有大量設(shè)備，設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)起來不可避免會(huì)帶來噪聲，并通過艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳導(dǎo)，人在這樣嘈雜的環(huán)境中待久了顯然會(huì)很不舒服。

楊宏坦言，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)花了一年半時(shí)間進(jìn)行噪聲問題攻關(guān)，“付出了很大的辛苦”。楊宏帶著總體設(shè)計(jì)人員和502所的技術(shù)人員協(xié)同攻關(guān)，最終通過加隔振器的方式有效過濾掉了噪聲，使工作區(qū)的噪聲從71分貝降到了58分貝，睡眠區(qū)從58分貝降到了49分貝。對(duì)人體而言，理想的睡眠環(huán)境是30到50分貝。對(duì)比國(guó)際空間站“工作區(qū)72分貝，睡眠區(qū)55分貝”的噪聲參數(shù)，楊宏對(duì)中國(guó)空間站的噪聲處理結(jié)果很滿意。

此外，中國(guó)空間站還將是一個(gè)“智能家居”環(huán)境，航天員通過平板電腦遙控指揮艙內(nèi)的家用電器，在太空廚房里還能使用冰箱、飲水機(jī)、微波爐。

在太空中，航天員將按照北京時(shí)間來作息。空間站環(huán)繞地球一圈是90分鐘，航天員24小時(shí)內(nèi)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(shè)計(jì)師在艙內(nèi)設(shè)置了情景照明系統(tǒng)，就像波音787、空客380客機(jī)一樣，定時(shí)將燈光變成黃昏模式、日間模式。這些細(xì)節(jié)上的周到考慮，都是為了給航天員打造一個(gè)宜居環(huán)境。

是中國(guó)智造，更是中國(guó)創(chuàng)造

楊宏把空間站的建造比作是“搭臺(tái)唱戲”，中國(guó)空間站既是為中國(guó)科學(xué)家，也是為全球科學(xué)家提供的科學(xué)探索平臺(tái)。這一初衷，注定了中國(guó)空間站是開放的。

秉承這樣的設(shè)計(jì)思想，中國(guó)空間站在集納當(dāng)前北斗、天鏈等先進(jìn)航天技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了很多先進(jìn)的民用技術(shù)和商用技術(shù)。

艙內(nèi)的電器都是我們耳熟能詳?shù)募矣秒娖髌放?。無線WiFi數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了艙內(nèi)無纜化，確保了艙內(nèi)環(huán)境井然有序。

在空間站的天地通話環(huán)節(jié)上，將看不到航天員戴著耳機(jī)與地面連線的場(chǎng)景，骨傳導(dǎo)耳機(jī)技術(shù)運(yùn)用其中，將會(huì)大大減少航天員的用耳負(fù)擔(dān)。

地面物流技術(shù)也被設(shè)計(jì)師應(yīng)用其中。伴隨著貨運(yùn)飛船的陸續(xù)抵達(dá)，貨物的打包、開包、整理、安裝的工作量巨大，國(guó)際空間站上已經(jīng)有100多件物品找不到了?！熬拖窦依镆粯?，一個(gè)人放的東西，如何能確保其他人都能找到，這里面學(xué)問也不小。”楊宏舉例說道。

借鑒國(guó)內(nèi)物流巨頭先進(jìn)的貨物管理技術(shù)，中國(guó)空間站建立了一套物流管理系統(tǒng)，航天員能夠通過掃描二維碼的方式，識(shí)別貨物的位置信息和產(chǎn)品信息，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品信息的庫存數(shù)量都能做到動(dòng)態(tài)掌控，一進(jìn)一出，都有臺(tái)賬，確保航天員的工作生活更便捷。