中國(guó)空間站建設(shè)進(jìn)入高潮,，基建狂魔走向太空

來(lái)源：新浪網(wǎng)

2022年7月24日下午14時(shí)22分，中國(guó)低軌發(fā)射能力最大的火箭 - 長(zhǎng)征五號(hào)B再次拔地而起,，將重量超過(guò)23噸（含1.55噸推進(jìn)劑）的中國(guó)空間站問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙送入軌道,，創(chuàng)造了中國(guó)低軌發(fā)射重量和單體航天器重量記錄。問(wèn)天艙的發(fā)射,，標(biāo)志著中國(guó)空間站進(jìn)入了建設(shè)高潮,。未來(lái)三個(gè)月，我們將見(jiàn)證人類(lèi)歷史上模塊化空間站建造的最高速度——從核心艙發(fā)射到空間站建成耗時(shí)僅一年半,。


△剛剛,，長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭搭載中國(guó)空間站問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙，在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射升空,。（圖源：CCTV）

問(wèn)天艙入軌后,，其末端巨大的太陽(yáng)能電池板將部分展開(kāi)。這塊單板完全展開(kāi)后長(zhǎng)23米的三結(jié)砷化鎵柔性電池板是中國(guó)迄今為止研發(fā)的最大航天器太陽(yáng)帆板,。發(fā)射6.5小時(shí)后,，問(wèn)天號(hào)將對(duì)接到空間站天和核心艙的前向?qū)�接口。這將是中國(guó)空間站首次在有人狀態(tài)下進(jìn)行的對(duì)接,，也是空間站建造史上最快的艙段交會(huì)過(guò)程,。



△問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射前在測(cè)試廠房（圖源：CMS/互聯(lián)網(wǎng)）

如果一切順利，接下去神舟14號(hào)機(jī)組將執(zhí)行中國(guó)載人航天史上最具挑戰(zhàn)性的任務(wù),�,？臻g站將進(jìn)行復(fù)雜的三次轉(zhuǎn)向，將問(wèn)天艙調(diào)整到垂直地面位置,，同時(shí)太陽(yáng)帆板二次展開(kāi),，形成“翼展”超過(guò)55米、僅次于國(guó)際空間站的巨型太陽(yáng)翼,。航天員將操縱專(zhuān)用的轉(zhuǎn)位機(jī)械臂（轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)）抓住問(wèn)天艙,，在問(wèn)天和天和核心艙解除對(duì)接鎖定后，通過(guò)上翻,、旋轉(zhuǎn),、下翻三個(gè)動(dòng)作將問(wèn)天艙轉(zhuǎn)動(dòng)90度，再重新對(duì)接到核心艙側(cè)向泊接口,，完成組裝工作,。最后，空間站將再進(jìn)行三次轉(zhuǎn)向，恢復(fù)到正常飛行姿態(tài),。



△問(wèn)天艙轉(zhuǎn)位組裝示意圖（圖源：CMS/互聯(lián)網(wǎng)）

三個(gè)月后,，另一個(gè)20噸級(jí)的夢(mèng)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙也將發(fā)射上天。航天員將重復(fù)上述一系列操作,。我們將在年內(nèi)看到一個(gè)70噸級(jí)模塊化空間站的橫空出世,。

問(wèn)天艙的轉(zhuǎn)位和再對(duì)接是中國(guó)首次在太空進(jìn)行的大型空間結(jié)構(gòu)在軌裝配實(shí)踐。由于運(yùn)載火箭發(fā)射能力限制,，超重超大的航天器只能通過(guò)在軌組裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),。在中國(guó)空間站之前，只有前蘇聯(lián)（俄羅斯）和美國(guó)（加拿大）完成過(guò)這樣的任務(wù),。中國(guó)即將成為世界上第三個(gè)具備超大型航天器在軌組裝能力的國(guó)家,。

1986年，前蘇聯(lián)和平號(hào)空間站核心艙發(fā)射升空,。1987至1996年，蘇聯(lián)陸續(xù)發(fā)射了量子號(hào),、量子二號(hào),、晶體號(hào)、光譜號(hào),、對(duì)接艙,、自然號(hào)等六個(gè)艙段并對(duì)接到和平號(hào)核心艙。它們當(dāng)中有四個(gè)采用前述轉(zhuǎn)位方式重新對(duì)接到了核心艙側(cè)面,。蘇聯(lián)用十年時(shí)間建成了總重130噸的世界第一個(gè)模塊化空間站,。



△和平號(hào)空間站（圖源：NASA）

1998年，俄羅斯質(zhì)子號(hào)火箭把國(guó)際空間站曙光艙送入軌道,，拉開(kāi)了其長(zhǎng)達(dá)12年的建造歷程,。至2010年，經(jīng)15國(guó)通力合作,，終于建成由15個(gè)加壓艙段（曙光,、團(tuán)結(jié)、星辰,、命運(yùn),、尋求、碼頭,、和諧,、哥倫布、希望,、希望后勤艙,、搜尋、寧?kù)o、穹頂艙,、黎明,、萊昂納多）、長(zhǎng)達(dá)94米的桁架和4對(duì)“翼展”達(dá)73米的電池板,，以及散熱輻射板,、機(jī)械臂等外部構(gòu)件構(gòu)成的大型空間站。



△建造中的國(guó)際空間站（2006年）（圖源：NASA）

2011年至2021年,，國(guó)際空間站又增加了比格羅充氣艙,、主教氣閘艙、科學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙等三個(gè)擴(kuò)展艙段,、替換了碼頭號(hào)節(jié)點(diǎn)艙,，使它成為人類(lèi)歷史上建造的最大（109x73米）、最重（420噸）的組合航天器,。

人類(lèi)進(jìn)入航天時(shí)代60多年來(lái),，除了以上三個(gè)空間站，再無(wú)在軌組裝建造大型航天器的案例,。中小型航天器的在軌裝配技術(shù)探索了數(shù)十年,，至今也無(wú)實(shí)用先例。在軌組裝在太空惡劣環(huán)境下進(jìn)行,，建造過(guò)程中航天器系統(tǒng)需要不斷進(jìn)行重構(gòu),，模塊化航天器的總體和子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要全面考慮諸多因素。模塊化艙段或構(gòu)件的建造測(cè)試,、地面模擬,、發(fā)射和對(duì)接、在軌組裝和系統(tǒng)重構(gòu)需要重型火箭,、對(duì)接機(jī)構(gòu),、空間機(jī)械臂、艙外活動(dòng)等各種技術(shù)能力的支持,。事實(shí)證明,，在軌組裝絕非易事。只有少數(shù)航天強(qiáng)國(guó)才能勝任,。

中國(guó)空間站兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙段都采用和平號(hào)開(kāi)創(chuàng)的軸向?qū)���,、機(jī)械臂轉(zhuǎn)位的組裝方式。為了減少電池板相互遮擋,，中國(guó)空間站還計(jì)劃在適當(dāng)時(shí)候?qū)⑻旌吞?hào)核心艙的兩塊電池板移位到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙末段并實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的重構(gòu),，其移位距離遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位操作，將更具挑戰(zhàn)性,。這使得中國(guó)空間站的建造難度和技術(shù)要求都超過(guò)了和平號(hào),。



△完成狀態(tài)的中國(guó)空間站（圖源：CMS/互聯(lián)網(wǎng)）

國(guó)際空間站建造中實(shí)施了更多復(fù)雜的操作,，例如使用機(jī)械臂從航天飛機(jī)貨艙“吊裝”大型艙段并安裝到空間站、桁架的拼接安裝,、大型電池板收攏后移位及重新展開(kāi)等,。由于艙段數(shù)量多、美俄艙段設(shè)計(jì)差異很大,，空間站艙段間,、子系統(tǒng)間的接口和動(dòng)態(tài)重構(gòu)因此也變得相當(dāng)復(fù)雜。但實(shí)事求是地說(shuō),，國(guó)際空間站的復(fù)雜性很大程度上是美俄不同設(shè)計(jì)理念和兩種不同標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)的無(wú)奈結(jié)果,，而非先進(jìn)性的體現(xiàn)。

中國(guó)空間站更為簡(jiǎn)單的建造程序不僅是因?yàn)橐?guī)模小,，也是借鑒了以往空間站經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果,。而中國(guó)空間站的太空機(jī)械臂 - 在軌組裝的關(guān)鍵設(shè)施 - 和國(guó)際空間站的“加拿大臂二號(hào)”相比一點(diǎn)也不遜色，同樣具有在空間站外部長(zhǎng)距離“爬行”的功能,。它完全能勝任國(guó)際空間站執(zhí)行過(guò)的復(fù)雜操作以及現(xiàn)在可能還無(wú)法想象的各種未來(lái)任務(wù),。

航天器在軌建造是人類(lèi)長(zhǎng)期以來(lái)一直夢(mèng)想和追求的目標(biāo)。它不僅是建造超大規(guī)模航天器的唯一手段,，也是未來(lái)太空資源原位利用的重要技術(shù),。在軌建造分為三個(gè)層次：大型航天器在軌組裝、單體航天器在軌裝配,、構(gòu)件級(jí)太空制造。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的空間站在軌組裝屬于第一層次,。后兩個(gè)層次目前各國(guó)都還處于探索階段,。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的多次在軌維修已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了航天器零部件的更換和升級(jí)，其實(shí)已經(jīng)為在軌裝配單體航天器打下了基礎(chǔ),。而在中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船和國(guó)際空間站上進(jìn)行的3D打印實(shí)驗(yàn),，則是構(gòu)件級(jí)太空制造的成功探索。


△中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船上的3D打印實(shí)驗(yàn)（圖源：CCTV）

航天器在軌建造目前還處于初級(jí)階段,。隨著人類(lèi)探索太空規(guī)模的擴(kuò)大,，它將變得越來(lái)越重要，未來(lái)發(fā)展空間十分巨大,。它也將成為主要航天國(guó)家展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域,。大規(guī)模航天器和地面基礎(chǔ)設(shè)施有著不少共性。中國(guó)號(hào)稱(chēng)“基建狂魔”,，它理應(yīng)成為我國(guó)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域,。

中國(guó)航天曾長(zhǎng)期落后于蘇美等航天先行國(guó)家。通過(guò)幾十年積累,，尤其是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)的不懈努力,，現(xiàn)在終于后來(lái)居上,，進(jìn)入了第一陣營(yíng)行列。問(wèn)天號(hào)的發(fā)射,、對(duì)接和安裝標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)掌握大型航天器在軌建造技術(shù),，具有里程碑式意義。這可能是中國(guó)成為“太空基建狂魔”的第一步,。

按計(jì)劃,，中國(guó)空間站在完成第一階段建設(shè)后，還將發(fā)射更多擴(kuò)展艙段,，在軌建造技術(shù)將進(jìn)一步成熟,。我們的下一個(gè)目標(biāo)是月球。中俄已經(jīng)簽約建設(shè)月面科研站,。月球空間站也是合乎邏輯的下一步,。月球距離遙遠(yuǎn)，發(fā)射成本十分昂貴,，月面資源原位利用將極大地降低建造成本并加快進(jìn)度,。我們已經(jīng)開(kāi)始相關(guān)技術(shù)的預(yù)研。近日?qǐng)?bào)道華中科技大學(xué)以月壤為材料,、采用3D打印技術(shù)建造月面基地的項(xiàng)目便是一個(gè)有益的探索,。



△3D打印月面基地示意圖（圖源：華科大）

與此同時(shí)，我國(guó)還在預(yù)研在軌裝配式大口徑太空望遠(yuǎn)鏡,。長(zhǎng)春光機(jī)所發(fā)布的方案顯示,，太空機(jī)器人將在太空中用預(yù)制鏡片拼裝出一面十米口徑的反射鏡。同樣的技術(shù)也可以應(yīng)用于在軌組裝大容量通信衛(wèi)星和雷達(dá)衛(wèi)星所需的大直徑拋物面天線或超大型平面相控陣天線,，實(shí)用價(jià)值巨大,。



△長(zhǎng)光所10米口徑在軌裝配式太空望遠(yuǎn)鏡方案（圖源：CCTV）

不過(guò)，無(wú)論空間站,、月面科研站還是太空望遠(yuǎn)鏡,，規(guī)模仍然有限。要最大程度地發(fā)揮中國(guó)基建狂魔的優(yōu)勢(shì),，需要超大規(guī)模的項(xiàng)目,。所幸的是，我國(guó)已經(jīng)緊鑼密鼓地預(yù)研這樣的一個(gè)項(xiàng)目,。這就是空間太陽(yáng)能電站,。

這個(gè)電站的國(guó)家級(jí)論證早在2014年就已開(kāi)始，目前正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,。在空間太陽(yáng)能電站的競(jìng)賽中,，中國(guó)是唯一進(jìn)入工程驗(yàn)證階段的國(guó)家。在重慶璧山和西安電子科技大學(xué),，兩個(gè)能量傳輸?shù)孛鎸?shí)驗(yàn)基地已經(jīng)建成或正在建設(shè),。2028-2030年,，將發(fā)射在軌試驗(yàn)航天器。2035年,，將建成兆瓦級(jí)實(shí)驗(yàn)電站,。2050年，將建成吉瓦級(jí)商業(yè)電站,。



△西電空間太陽(yáng)能電站實(shí)驗(yàn)基地（圖源：西安電子科技大學(xué)）


△空間太陽(yáng)能商業(yè)電站想象圖（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

空間太陽(yáng)能電站規(guī)模巨大,。吉瓦級(jí)電站僅傳輸天線直徑就達(dá)一公里，整體尺度將達(dá)十公里級(jí),，質(zhì)量近萬(wàn)噸,。兆瓦級(jí)電站也會(huì)有大幾百噸至千噸。電站構(gòu)件需要通過(guò)數(shù)百次發(fā)射送到軌道,。大量的裝配工作則需要高度自動(dòng)化的機(jī)器人來(lái)完成,。這個(gè)項(xiàng)目不僅有巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，巨額資金的投入也是必不可少的,。

就像高鐵等地面基礎(chǔ)設(shè)施一樣,，能擔(dān)負(fù)起如此規(guī)模的太空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的國(guó)家可能只有中國(guó)，因?yàn)橹挥兄袊?guó)才具備資金,、技術(shù),、政治意愿和長(zhǎng)期執(zhí)行能力等必要條件。只要中國(guó)保持穩(wěn)定,，經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展,，我們一定能率先建成世界上首個(gè)實(shí)用的空間太陽(yáng)能電站。

大規(guī)模太空基建項(xiàng)目的重要性在于,，政府投資巨型項(xiàng)目所創(chuàng)造出來(lái)的需求將有力地支撐商業(yè)航天這個(gè)新產(chǎn)業(yè),，加速可復(fù)用運(yùn)載工具、在軌建造技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的成熟和航天成本的大幅降低,。這將徹底改變游戲規(guī)則，使我們?cè)谖磥?lái)大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地,。

展望更遠(yuǎn)的未來(lái),，空間太陽(yáng)能電站可能只是個(gè)開(kāi)端。人員大規(guī)模進(jìn)入太空才是太空經(jīng)濟(jì)的高潮,。如果將空間站和道路橋梁,、水電煤、通信網(wǎng)絡(luò)等地面基礎(chǔ)設(shè)施同等看待,，那么政府就有理由以公益方式投資建造“太空城市”并以極低價(jià)格甚至免費(fèi)提供給商業(yè)航天公司,。而天地往返交通和太空生活服務(wù)則可由商業(yè)公司來(lái)提供。由于政府承擔(dān)了基礎(chǔ)設(shè)施成本,，太空旅行的費(fèi)用將大大減低,。這有可能催生出一個(gè)規(guī)模巨大的太空旅游產(chǎn)業(yè),。這種政府投資、通過(guò)補(bǔ)貼牽引需求,、通過(guò)規(guī)�,；�降低成本、刺激市��(chǎng)擴(kuò)張后進(jìn)一步規(guī)�,；�的良性循環(huán)模式非常適合中國(guó)國(guó)情,，多年來(lái)屢試不爽，比如新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè),。

不要以為“太空城市”仍然是科幻小說(shuō)題材,。國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了將“太空酒店”作為創(chuàng)業(yè)目標(biāo)的商業(yè)航天公司。巨型太空城市不可能一蹴而就,。小規(guī)模的太空酒店會(huì)是起點(diǎn),，然后一百人，一千人,，一萬(wàn)人,，一步一步才能達(dá)到目標(biāo)。我們有制度優(yōu)勢(shì),，有基建狂魔的實(shí)力加持,，現(xiàn)在又有了空間站在軌建造經(jīng)驗(yàn)，沒(méi)有理由落后于人,。



△美國(guó)OAC公司計(jì)劃的太空酒店（圖源：OAC）

現(xiàn)在來(lái)看看我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,。美國(guó)在地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中國(guó)。特朗普和拜登政府的“巨額”基建法案都虎頭蛇尾,。它們即使通過(guò),，由于資金利用率低于中國(guó)數(shù)十倍，情況估計(jì)也不會(huì)有太大改觀,。NASA的情況也類(lèi)似,。這些年SLS重型火箭和重返月球計(jì)劃步履艱難，顯示問(wèn)題已積重難返,。

馬斯克的商業(yè)航天帝國(guó)是中國(guó)真正的對(duì)手,。他目前在可復(fù)用火箭等技術(shù)上領(lǐng)先中國(guó)。他也在實(shí)施星鏈,、星艦等巨型項(xiàng)目,。但如果是空間太陽(yáng)能電站和太空城市這種規(guī)模高一等級(jí)的項(xiàng)目，恐怕也會(huì)力不從心,。至于前面提到的太空酒店公司,，目前還在PPT階段，后面的路還很長(zhǎng),。只要中國(guó)能在規(guī)�,；�上發(fā)力突破,，勝出的機(jī)會(huì)更大。太空再現(xiàn)“基建狂魔”不是夢(mèng),。

未來(lái)的某一天,，當(dāng)一個(gè)中國(guó)制造、璀璨奪目的“天空之城”從星空中劃過(guò)的時(shí)候,，人們也許會(huì)想起2022年的那個(gè)夏秋,，他們的前輩們是怎樣邁出太空基建第一步的。