2020年至今，中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)，重型運(yùn)載火箭長征五號B全面投入應(yīng)用，嫦娥五號完成中國首次航天器登月采樣和返回，火星探測天問一號一次性成功實(shí)施火星“繞”“降”“巡”等三大工程目標(biāo)，高分衛(wèi)星工程、科學(xué)衛(wèi)星和商業(yè)航天項(xiàng)目如火如荼，呈現(xiàn)出了欣欣向榮的氣象。這些成就反映出了中國航天的實(shí)力，也標(biāo)志著中國從世界航天大國邁入航天強(qiáng)國的行列。

   不久前，繼天舟貨運(yùn)飛船、天和核心艙發(fā)射與對接任務(wù)完成之后，中國神舟十二號載人飛船再次攜3名航天員飛赴太空，意味著中國空間站的時(shí)代即將來臨。

人類空間站史回顧

   空間站又稱“太空站”或“航天站”，是一種在近地球軌道上長時(shí)間運(yùn)行、可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器。

   1971年，蘇聯(lián)禮炮1號空間站成功發(fā)射升空，成為人類歷史上首個(gè)空間站。此后的15年里，蘇聯(lián)又相繼發(fā)射了禮炮2號至禮炮7號共6個(gè)空間站。1973年，美國也成功發(fā)射了天空實(shí)驗(yàn)室號空間站。這些空間站中，禮炮1號至5號，以及天空實(shí)驗(yàn)室號為單模塊、單對接口結(jié)構(gòu)，被稱為第一代空間站。而禮炮6號和禮炮7號的結(jié)構(gòu)為單模塊、雙對接口，可同時(shí)對接載人飛船與貨運(yùn)飛船，滿足宇航員長期在軌駐留的需要，被稱為第二代空間站。

   1986年，蘇聯(lián)開啟了新一代和平號空間站建設(shè)。該空間站歷時(shí)十年建設(shè)，先后對接了5個(gè)艙段、模塊，后運(yùn)行到2000年才退役。和平號空間站結(jié)構(gòu)具有多模塊、積木式特征。在軌模塊化組裝，大大降低了每次航天發(fā)射的載重，更安全，更適用于太空大型空間站的組建，故被稱為第三代空間站。和平號空間站在軌駐人運(yùn)行4590余天，共接納了來自12個(gè)國家的135名宇航員，完成了78次出艙行走，以及海量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些數(shù)據(jù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了此前所有載人航天任務(wù)的總和。

   國際空間站被稱為第四代空間站，由美國主導(dǎo)，由俄、日、加等15個(gè)國家參與共同建造、運(yùn)行和使用。該空間站始建于1998年，各功能模塊隨后被陸續(xù)送入軌道裝配，2011年2月組裝工作全部結(jié)束。國際空間站為多模塊、桁架和積木式混合結(jié)構(gòu)，是人類擁有過的規(guī)模最大的空間站。國際空間站中科學(xué)家們完成了數(shù)不清的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為人類科技進(jìn)步和航天技術(shù)發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。

   1992年，中國制定了載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，開啟了建設(shè)空間站的序幕。2011年至2016年期間，中國通過天宮一號、天宮二號驗(yàn)證了空間站的一系列關(guān)鍵技術(shù)。從2020年始，中國相繼成功發(fā)射了天宮空間站天和核心艙、天舟二號貨運(yùn)飛船和神舟十二號載人飛船，完成了飛船與核心艙的對接和在軌測試，中國航天員首次進(jìn)入中國人自己的空間站。按計(jì)劃，在未來的一年半內(nèi)，中國將陸續(xù)發(fā)射多個(gè)艙段和飛船，并于2022年年內(nèi)完成空間站的建設(shè)。

中國空間站價(jià)值巨大

   首先，建設(shè)空間站可直接帶動整個(gè)科技產(chǎn)業(yè)鏈及相關(guān)科技的進(jìn)步，具有重大的戰(zhàn)略意義。以天和核心艙為例，該艙段由我國自主建造，產(chǎn)品、部組件、原材料、關(guān)鍵元器件均實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。這其中帶動了基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)制造領(lǐng)域、數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域等諸方面的長足進(jìn)步。

   以新一代運(yùn)載火箭為例，研制中許多先進(jìn)技術(shù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化，已成功運(yùn)用到大型客機(jī)、高鐵、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，直接服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有效提升了我國的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)水平。

   第二，空間站內(nèi)可以進(jìn)行空間科學(xué)試驗(yàn)以及技術(shù)試驗(yàn)。根據(jù)任務(wù)安排，中國空間站計(jì)劃于2022年完成在軌建造，具備長期開展近地空間有人參與科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源的能力。

   作為長期在軌運(yùn)行的“太空母港”，空間站具有天然的高真空、微重力、超潔凈的環(huán)境。利用空間站的特殊環(huán)境，可瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域，開展相關(guān)科學(xué)技術(shù)研究，產(chǎn)出一批具有前瞻性的重大科技成果。

   第三，空間站上可開展生命科學(xué)和生物技術(shù)研究。中國空間站將安裝1000多套儀器設(shè)備，用于支持生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理等學(xué)科領(lǐng)域。

   有數(shù)據(jù)顯示，歷來的空間站科學(xué)研究中，生命科學(xué)和生物技術(shù)的占比最高，而中國空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)第一批入選的9個(gè)項(xiàng)目中，至少有兩項(xiàng)與生命科學(xué)直接相關(guān)。因此，天宮號空間站的建成將為中國生命科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展提供新的創(chuàng)新載體，助力中國科學(xué)家揭開生命的奧秘。

   第四，空間站科技成果的轉(zhuǎn)化。以天宮號航天員尿處理與回收系統(tǒng)為例，該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)航天員日常生活排泄物的可重復(fù)利用，使得航天員的生活必須品大大減少。再如，空間站的低重力、真空、超凈環(huán)境可以冶煉地球上無法冶煉的高性能合金，也可以生產(chǎn)性能更優(yōu)越的半導(dǎo)體晶體。這些高科技如若未來得到落地轉(zhuǎn)化，必將產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

   第五，空間站建成之后，就相當(dāng)于在太空為所有航天器建造了一個(gè)港口，可為其他航天器提供在軌服務(wù)。此外，天宮空間站給中國科研人員的太空研究提供了極大便利，利用空間站的空間資源，進(jìn)行太空探索和前沿科學(xué)研究，可為未來人類移民外太空積累科學(xué)基礎(chǔ)。

   總之，以前的中國科研人員沒有機(jī)會進(jìn)行如此級別和深度的太空探究，而天宮空間站將為中國的科研人員插上“夢想的翅膀”。 

中國空間站具備明顯的后發(fā)優(yōu)勢

   從結(jié)構(gòu)上劃分，中國空間站屬于第三代空間站。作為第四代的國際空間站，現(xiàn)已年久失修，預(yù)計(jì)2024年左右退役，到時(shí)中國空間站將成為唯一在軌運(yùn)行的空間站。中國空間站有如下優(yōu)勢：

   一是設(shè)計(jì)更為合理。由于美俄標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，國際空間站艙室利用上存在大量冗余和浪費(fèi)，很多地方設(shè)計(jì)不合理。例如，寧靜號對接節(jié)點(diǎn)艙、曙光艙和團(tuán)結(jié)艙之間的對接節(jié)點(diǎn)艙室都沒有用到科學(xué)研究上。

   國際空間站十幾個(gè)艙段中真正用于科研實(shí)驗(yàn)的只有命運(yùn)艙、哥倫布艙和希望號實(shí)驗(yàn)艙，這3個(gè)艙段加起來并不大，實(shí)驗(yàn)機(jī)柜數(shù)約31個(gè)。相比之下，中國空間站艙室比國際空間站少了很多，但空間站寬闊，實(shí)驗(yàn)機(jī)柜數(shù)量達(dá)到了23個(gè)，僅比國際空間站少8個(gè)。

   中國空間站現(xiàn)有一個(gè)核心艙、兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙、一個(gè)載人飛船和一個(gè)貨運(yùn)飛船。其實(shí)載人飛船可以接兩艘，進(jìn)行交接班，空間站中間節(jié)點(diǎn)艙還可兼作氣閘艙用。按照中國空間站的設(shè)想，未來還極有可能再發(fā)射一組核心艙、實(shí)驗(yàn)艙、貨艙及載人飛船，對現(xiàn)有中國空間站進(jìn)行拼接、“擴(kuò)容”。因此，中國空間站的艙室和總體設(shè)計(jì)要優(yōu)于國際空間站。

   二是后發(fā)優(yōu)勢，部分技術(shù)領(lǐng)先。和國際空間站相比，天宮空間站部分技術(shù)已逼近甚至超越前者。

   中國空間站的太陽能帆板比國際空間站效率更高。其大型太陽能柔性電池翼采用了先進(jìn)的砷化鎵材料，轉(zhuǎn)化率達(dá)到了30%，兩部電池翼加上核心艙電池翼發(fā)電功率可達(dá)100千瓦以上。而國際空間站的太陽能電池板效率只有15%，發(fā)電總功率僅為90千瓦。

   中國空間站具有兩個(gè)高性能的機(jī)械臂，核心艙一個(gè)，未來將發(fā)射的實(shí)驗(yàn)艙還有一個(gè)。這兩個(gè)機(jī)械臂可以在艙體上移動和操作，極大方便了艙段的安裝、對接等工作。

   而且，中國空間站有一項(xiàng)黑科技——霍爾電推發(fā)動機(jī)，不同于傳統(tǒng)的化學(xué)燃料發(fā)動機(jī)，它只需攜帶極少的燃料，比沖相當(dāng)于傳統(tǒng)動力的5倍，不僅效率高，還能減少推進(jìn)劑的消耗。

   天宮空間站還附帶著一個(gè)巡天號光學(xué)艙——一個(gè)口徑2米的望遠(yuǎn)鏡。它既可以觀測遙遠(yuǎn)深空，也可以對地觀測，擁有不亞于哈勃望遠(yuǎn)鏡的性能。該光學(xué)艙平時(shí)和空間拉開一段距離共軌飛行，如需檢修，便可靠過來，和空間站對接，以便宇航員維修。

   此外，相比國際空間站，中國空間站在通訊、電子技術(shù)和能源管理方面也略勝一籌。

   三是性價(jià)比高，適合中國國情。國際空間站是目前在軌運(yùn)行最大的空間平臺，規(guī)模約有420余噸。中國空間站一期工程僅百噸級，在總體規(guī)模上遠(yuǎn)不及國際空間站。作為第四代空間站的國際空間站建造耗時(shí)12年，至今總投入高達(dá)2000億美元，加上后續(xù)的定期任務(wù)發(fā)射與維護(hù)，開銷巨大，不是一個(gè)國家可以承受得了的，因此，它只是一個(gè)多國合作的空間站項(xiàng)目。

   從第一代空間站到第四代空間站，如果由一個(gè)國家來承擔(dān)建造，該選擇哪一代比較合適呢？總體而言，第四代規(guī)模巨大，代價(jià)過高，而第一代、第二代又過于陳舊，所以建造一個(gè)第三代空間站最為合適，況且第三代空間站完全可以完成絕大多數(shù)科學(xué)目標(biāo)，性價(jià)比極高。

   正是基于國情和實(shí)效考慮，中國將天宮空間站建設(shè)定位為第三代空間站。值得一提的是，中國空間站完全是由我國自主建造，因此在后續(xù)的空間站科研與國際合作中，我國可以按照自己的意愿進(jìn)行，具有絕對的話語權(quán)。 

   總之，雖然中國空間站比國際空間站建設(shè)得晚，且為第三代空間站，但借助后發(fā)優(yōu)勢，無論是規(guī)模、還是技術(shù)應(yīng)用方面都充分體現(xiàn)了中國特色，走出了一條符合中國國情的空間站可持續(xù)發(fā)展道路。■

（作者系同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院教授）