空間不夠？“太空之家”擴建花樣翻新

近日，據(jù)央視報道，中國空間站將迎來“二次擴容”。放眼全球，“太空之家”的擴建思路各有千秋，背后暗藏著頂尖航天技術(shù)的考驗和較量。而“太空之家”每一次擴建升級，都在為航天工作者探索、利用太空資源搭建更合適的支持平臺，以便拓展新用途，收獲更多成果。

“立骨架”與“搭積木”

隨著任務(wù)不斷深化，“太空之家”逐漸面臨航天員駐留、物資存儲、設(shè)備運行等“空間飽和”的情況。隨著太空科研任務(wù)、國際合作任務(wù)越來越多，中國空間站有必要在不久的將來啟動擴容升級，避免科研項目“長期排隊”，還能為飛船、航天飛機、新艙段等提供對接“泊位”，創(chuàng)造更多機遇。那么，怎樣擴建“太空之家”？

隨著航天技術(shù)迭代、運營方需求多樣化，空間站擴建思路也不斷花樣翻新，形成了各具特色的模式。

國際空間站以桁架為基本“骨架”

國際空間站是目前規(guī)模最大的多國合作載人航天設(shè)施，各方在規(guī)劃和建設(shè)之初“心氣高”，于是選擇了桁架式結(jié)構(gòu)，耗時10余年不斷完善。簡單地說，國際空間站將大型金屬桁架當(dāng)作整體“骨架”，允許美、俄、歐、日等多方分別研制實驗艙、居住艙、節(jié)點艙等，逐步對接在桁架上，最終總重超過400噸。

這種擴建模式有利于快速整合多方技術(shù)與資源，但也存在不足：各方研制的艙段技術(shù)標準不統(tǒng)一，對接接口、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等互不兼容，后期維護難度更大。而且，“骨架”固定后，國際空間站后續(xù)靈活擴展就比較麻煩了，運營成本居高不下。

中國空間站選擇了模塊化漸進式擴建的特色方案。形象地比喻，這座“太空之家”就像“搭積木”，先部署核心艙，再逐步對接艙段，穩(wěn)步升級構(gòu)型，確保每一步擴建都有成熟的在軌驗證技術(shù)基礎(chǔ)，安全可控。

據(jù)公開信息顯示，中國空間站“二次擴容”的核心措施是在天和核心艙的前向?qū)涌谠黾右粋€多功能擴展艙段，也就是從“T”字構(gòu)型升級為“十”字構(gòu)型。未來，它還有可能繼續(xù)擴建為“干”字構(gòu)型，總重量將達到180噸級。

此外，全球航天界正在探索更輕便、更廉價的空間站擴建方案。比如，充氣式柔性艙段可以在發(fā)射時壓縮、折疊，大幅節(jié)省火箭整流罩內(nèi)部空間，便于部署入軌。隨后，它能夠迅速充氣展開，形成超大艙段。我國已完成充氣式柔性密封艙全流程技術(shù)驗證，未來也許會給“太空之家”帶來新的驚喜。

“精細活”攻克難關(guān)

在距離地面約400公里高度的近地軌道上，中國空間站以7.8公里/秒的高速繞地球飛行。想擴建這座100噸級“太空之家”，堪稱在太空中完成“精密微創(chuàng)手術(shù)”，必須在每一個環(huán)節(jié)做好“精細活”。

中國空間站目前維持著“T”字構(gòu)型

大噸位艙段的發(fā)射與精準交會對接，是空間站擴建需要攻克的第一道難關(guān)。

為了滿足新任務(wù)的需求，新艙段的尺寸和噸位往往會更大，對火箭運力、整流罩尺寸提出了更高的要求。因此，大型火箭和整個發(fā)射系統(tǒng)需要“勇?lián)厝巍?，積極升級。

隨后，新艙段將與空間站交會對接，被譽為“太空穿針”。兩個大尺寸、大噸位的高速飛行航天器必須做到毫米級位置對接、0.1度以內(nèi)姿態(tài)對齊，還要精細控制相對速度。這時候，全相位自主快速交會對接技術(shù)迎來了“用武之地”。它融合了激光雷達、視覺導(dǎo)航等高精度感知設(shè)備，助力新艙段自主規(guī)劃飛行路徑，實時調(diào)整飛行姿態(tài)，無論從哪個方向接近空間站，都能實現(xiàn)精準、安全對接。

新艙段成功對接空間站后，怎樣確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與姿態(tài)控制，成為第二道難關(guān)。

空間站構(gòu)型改變后，質(zhì)量分布、重心位置必然會有較大變化。而微流星撞擊、貌似微弱的高層大氣阻力、艙段對接產(chǎn)生的沖擊力等都可能會造成“太空之家”異常振動、姿態(tài)偏移，甚至影響整體結(jié)構(gòu)安全。

科研人員需要通過海量的力學(xué)仿真模擬，“提前”測算“太空之家”的情況，再借助形成弱撞擊的對接機構(gòu)，緩沖對接產(chǎn)生的沖擊力。同時，高精度陀螺、控制力矩陀螺、姿控發(fā)動機等“并肩上陣”，毫秒級微調(diào)修正，確?！疤罩摇逼椒€(wěn)運行。

之后，還有第三道難關(guān)，就是空間站擴建后必須系統(tǒng)適配順利、保障能力升級。簡單地說，新艙段接入后，整個空間站的能源供應(yīng)、熱控循環(huán)、生命保障、通信數(shù)據(jù)等都要“無縫兼容”，確保所有接口、數(shù)據(jù)、功能完全匹配。

為此，新一代空間站設(shè)計之初就采用了全標準化接口，艙段能夠“即插即用”，幫助新艙段盡快融入整體。

隨著空間站的能源需求持續(xù)提高，天地團隊需要為它安裝更多的新型柔性太陽能電池翼，大幅增強發(fā)電能力，再借助智能電力調(diào)度系統(tǒng)，給各艙段合理分配能源。

熱控系統(tǒng)也需要升級輻射散熱器與溫控材料，應(yīng)對超過300攝氏度的太空極端溫差，維持艙內(nèi)恒溫環(huán)境。

生命保障系統(tǒng)有必要進一步優(yōu)化水資源再生、氧氣循環(huán)技術(shù)，幫助更多航天員長期生活更安全、更舒適。

“解鎖”新功能新業(yè)務(wù)

隨著空間站持續(xù)擴建，擺脫空間不足、“泊位”緊張的限制，有潛力從科研實驗平臺進一步升級為多功能“太空母港”。

未來中國空間站擴建為“干”字構(gòu)型想象圖

在空間科學(xué)研究領(lǐng)域，空間站的實驗空間大增后，可以部署更多實驗機柜，同時開展大量科研任務(wù)，覆蓋空間生命科學(xué)、微重力物理、空間材料、天文觀測、地球科學(xué)等更多領(lǐng)域。

新艙段還能開辟前沿科學(xué)研究的“專屬領(lǐng)地”，高效聯(lián)動空間望遠鏡等，深入探索宇宙奧秘。艙外暴露平臺也可以搭載更多大型試驗設(shè)備，充分利用近似真空、強輻射、微重力的特殊環(huán)境，為航天器升級、新材料制備等提供寶貴數(shù)據(jù)。

在國際航天合作領(lǐng)域，由于擴建后對接口增加，“太空之家”將?？扛噍d人飛船、貨運飛船、航天飛機等，顯著提升人員、物資的資天地周轉(zhuǎn)效率，進一步擴大開放，迎接更多國家航天員入駐，承接各國、各國際組織的科研載荷，促進國際太空實驗合作、技術(shù)交流，讓太空探索在更活躍的思想“碰撞”中收獲更大的成果價值。

隨著航天產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，更廣泛的社會力量積極參與航天活動。空間站擴建后，有潛力成為新技術(shù)“孵化器”與商業(yè)航天“服務(wù)站”。

一方面，空間站將有更多擴展接口，可以對接創(chuàng)新實驗艙，助力研究在軌維修機器人、太空3D打印機、新型推進系統(tǒng)等前沿技術(shù)設(shè)備，不斷為深空探測和太空資源開發(fā)、太空制造等“磨煉功力”，加強技術(shù)儲備，成為溝通近地軌道與深空的重要“樞紐”。

另一方面，相關(guān)技術(shù)測試成熟后，空間站將不斷拓展業(yè)務(wù)，如在軌維修、大容量“太空加油”、靈活寄存/部署多功能服務(wù)航天器等，降低商業(yè)衛(wèi)星和高價值航天器的運行成本。

未來，空間站還有可能創(chuàng)新運營模式，靈活接受商業(yè)艙段“掛靠”，助力新概念技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用，不斷擴大太空旅游、太空拍攝等新興市場，推動航天事業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

總之，“太空之家”擴建歷程是人類航天技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展、積極創(chuàng)新的生動縮影。人類探索太空的腳步永不停歇，空間站每一次擴容都意味著人類開發(fā)利用太空資源的水平不斷提高。未來，隨著空間站持續(xù)升級擴容，人類更多太空探索夢想終將照進現(xiàn)實。

來源/中國航天報、《飛天科普周刊》

文/崔智亮

編輯/楊斯爽

審核/宿愿

監(jiān)制/姜軍

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號：中國航天科普

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