中國空間站建設進入高潮，基建狂魔走向太空

來源：新浪網

2022年7月24日下午14時22分，中國低軌發(fā)射能力最大的火箭 - 長征五號B再次拔地而起，將重量超過23噸（含1.55噸推進劑）的中國空間站問天實驗艙送入軌道，創(chuàng)造了中國低軌發(fā)射重量和單體航天器重量記錄。問天艙的發(fā)射，標志著中國空間站進入了建設高潮。未來三個月，我們將見證人類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僅一年半。


△剛剛，長征五號B遙三運載火箭搭載中國空間站問天實驗艙，在海南文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射升空。（圖源：CCTV）

問天艙入軌后，其末端巨大的太陽能電池板將部分展開。這塊單板完全展開后長23米的三結砷化鎵柔性電池板是中國迄今為止研發(fā)的最大航天器太陽帆板。發(fā)射6.5小時后，問天號將對接到空間站天和核心艙的前向對接口。這將是中國空間站首次在有人狀態(tài)下進行的對接，也是空間站建造史上最快的艙段交會過程。



△問天實驗艙發(fā)射前在測試廠房（圖源：CMS/互聯(lián)網）

如果一切順利，接下去神舟14號機組將執(zhí)行中國載人航天史上最具挑戰(zhàn)性的任務�？臻g站將進行復雜的三次轉向，將問天艙調整到垂直地面位置，同時太陽帆板二次展開，形成“翼展”超過55米、僅次于國際空間站的巨型太陽翼。航天員將操縱專用的轉位機械臂（轉位機構）抓住問天艙，在問天和天和核心艙解除對接鎖定后，通過上翻、旋轉、下翻三個動作將問天艙轉動90度，再重新對接到核心艙側向泊接口，完成組裝工作。最后，空間站將再進行三次轉向，恢復到正常飛行姿態(tài)。



△問天艙轉位組裝示意圖（圖源：CMS/互聯(lián)網）

三個月后，另一個20噸級的夢天號實驗艙也將發(fā)射上天。航天員將重復上述一系列操作。我們將在年內看到一個70噸級模塊化空間站的橫空出世。

問天艙的轉位和再對接是中國首次在太空進行的大型空間結構在軌裝配實踐。由于運載火箭發(fā)射能力限制，超重超大的航天器只能通過在軌組裝技術來實現(xiàn)。在中國空間站之前，只有前蘇聯(lián)（俄羅斯）和美國（加拿大）完成過這樣的任務。中國即將成為世界上第三個具備超大型航天器在軌組裝能力的國家。

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



△和平號空間站（圖源：NASA）

1998年，俄羅斯質子號火箭把國際空間站曙光艙送入軌道，拉開了其長達12年的建造歷程。至2010年，經15國通力合作，終于建成由15個加壓艙段（曙光、團結、星辰、命運、尋求、碼頭、和諧、哥倫布、希望、希望后勤艙、搜尋、寧靜、穹頂艙、黎明、萊昂納多）、長達94米的桁架和4對“翼展”達73米的電池板，以及散熱輻射板、機械臂等外部構件構成的大型空間站。



△建造中的國際空間站（2006年）（圖源：NASA）

2011年至2021年，國際空間站又增加了比格羅充氣艙、主教氣閘艙、科學號實驗艙等三個擴展艙段、替換了碼頭號節(jié)點艙，使它成為人類歷史上建造的最大（109x73米）、最重（420噸）的組合航天器。

人類進入航天時代60多年來，除了以上三個空間站，再無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探索了數(shù)十年，至今也無實用先例。在軌組裝在太空惡劣環(huán)境下進行，建造過程中航天器系統(tǒng)需要不斷進行重構，模塊化航天器的總體和子系統(tǒng)設計需要全面考慮諸多因素。模塊化艙段或構件的建造測試、地面模擬、發(fā)射和對接、在軌組裝和系統(tǒng)重構需要重型火箭、對接機構、空間機械臂、艙外活動等各種技術能力的支持。事實證明，在軌組裝絕非易事。只有少數(shù)航天強國才能勝任。

中國空間站兩個實驗艙段都采用和平號開創(chuàng)的軸向對接、機械臂轉位的組裝方式。為了減少電池板相互遮擋，中國空間站還計劃在適當時候將天和號核心艙的兩塊電池板移位到兩個實驗艙末段并實現(xiàn)供電系統(tǒng)的重構，其移位距離遠超實驗艙轉位操作，將更具挑戰(zhàn)性。這使得中國空間站的建造難度和技術要求都超過了和平號。



△完成狀態(tài)的中國空間站（圖源：CMS/互聯(lián)網）

國際空間站建造中實施了更多復雜的操作，例如使用機械臂從航天飛機貨艙“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等。由于艙段數(shù)量多、美俄艙段設計差異很大，空間站艙段間、子系統(tǒng)間的接口和動態(tài)重構因此也變得相當復雜。但實事求是地說，國際空間站的復雜性很大程度上是美俄不同設計理念和兩種不同標準帶來的無奈結果，而非先進性的體現(xiàn)。

中國空間站更為簡單的建造程序不僅是因為規(guī)模小，也是借鑒了以往空間站經驗教訓后優(yōu)化設計的結果。而中國空間站的太空機械臂 - 在軌組裝的關鍵設施 - 和國際空間站的“加拿大臂二號”相比一點也不遜色，同樣具有在空間站外部長距離“爬行”的功能。它完全能勝任國際空間站執(zhí)行過的復雜操作以及現(xiàn)在可能還無法想象的各種未來任務。

航天器在軌建造是人類長期以來一直夢想和追求的目標。它不僅是建造超大規(guī)模航天器的唯一手段，也是未來太空資源原位利用的重要技術。在軌建造分為三個層次：大型航天器在軌組裝、單體航天器在軌裝配、構件級太空制造。目前已經實現(xiàn)的空間站在軌組裝屬于第一層次。后兩個層次目前各國都還處于探索階段。哈勃太空望遠鏡的多次在軌維修已經實現(xiàn)了航天器零部件的更換和升級，其實已經為在軌裝配單體航天器打下了基礎。而在中國新一代載人飛船試驗船和國際空間站上進行的3D打印實驗，則是構件級太空制造的成功探索。


△中國新一代載人飛船試驗船上的3D打印實驗（圖源：CCTV）

航天器在軌建造目前還處于初級階段。隨著人類探索太空規(guī)模的擴大，它將變得越來越重要，未來發(fā)展空間十分巨大。它也將成為主要航天國家展開激烈競爭的重要領域。大規(guī)模航天器和地面基礎設施有著不少共性。中國號稱“基建狂魔”，它理應成為我國發(fā)揮優(yōu)勢的領域。

中國航天曾長期落后于蘇美等航天先行國家。通過幾十年積累，尤其是進入新世紀以來的不懈努力，現(xiàn)在終于后來居上，進入了第一陣營行列。問天號的發(fā)射、對接和安裝標志著中國已經掌握大型航天器在軌建造技術，具有里程碑式意義。這可能是中國成為“太空基建狂魔”的第一步。

按計劃，中國空間站在完成第一階段建設后，還將發(fā)射更多擴展艙段，在軌建造技術將進一步成熟。我們的下一個目標是月球。中俄已經簽約建設月面科研站。月球空間站也是合乎邏輯的下一步。月球距離遙遠，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度。我們已經開始相關技術的預研。近日報道華中科技大學以月壤為材料、采用3D打印技術建造月面基地的項目便是一個有益的探索。



△3D打印月面基地示意圖（圖源：華科大）

與此同時，我國還在預研在軌裝配式大口徑太空望遠鏡。長春光機所發(fā)布的方案顯示，太空機器人將在太空中用預制鏡片拼裝出一面十米口徑的反射鏡。同樣的技術也可以應用于在軌組裝大容量通信衛(wèi)星和雷達衛(wèi)星所需的大直徑拋物面天線或超大型平面相控陣天線，實用價值巨大。



△長光所10米口徑在軌裝配式太空望遠鏡方案（圖源：CCTV）

不過，無論空間站、月面科研站還是太空望遠鏡，規(guī)模仍然有限。要最大程度地發(fā)揮中國基建狂魔的優(yōu)勢，需要超大規(guī)模的項目。所幸的是，我國已經緊鑼密鼓地預研這樣的一個項目。這就是空間太陽能電站。

這個電站的國家級論證早在2014年就已開始，目前正在進行關鍵技術驗證。在空間太陽能電站的競賽中，中國是唯一進入工程驗證階段的國家。在重慶璧山和西安電子科技大學，兩個能量傳輸?shù)孛鎸嶒灮匾呀浗ǔ苫蛘诮ㄔO。2028-2030年，將發(fā)射在軌試驗航天器。2035年，將建成兆瓦級實驗電站。2050年，將建成吉瓦級商業(yè)電站。



△西電空間太陽能電站實驗基地（圖源：西安電子科技大學）


△空間太陽能商業(yè)電站想象圖（圖源：互聯(lián)網）

空間太陽能電站規(guī)模巨大。吉瓦級電站僅傳輸天線直徑就達一公里，整體尺度將達十公里級，質量近萬噸。兆瓦級電站也會有大幾百噸至千噸。電站構件需要通過數(shù)百次發(fā)射送到軌道。大量的裝配工作則需要高度自動化的機器人來完成。這個項目不僅有巨大的技術挑戰(zhàn)，巨額資金的投入也是必不可少的。

就像高鐵等地面基礎設施一樣，能擔負起如此規(guī)模的太空基礎設施建設的國家可能只有中國，因為只有中國才具備資金、技術、政治意愿和長期執(zhí)行能力等必要條件。只要中國保持穩(wěn)定，經濟繼續(xù)發(fā)展，我們一定能率先建成世界上首個實用的空間太陽能電站。

大規(guī)模太空基建項目的重要性在于，政府投資巨型項目所創(chuàng)造出來的需求將有力地支撐商業(yè)航天這個新產業(yè)，加速可復用運載工具、在軌建造技術等關鍵技術的成熟和航天成本的大幅降低。這將徹底改變游戲規(guī)則，使我們在未來大國競爭中立于不敗之地。

展望更遠的未來，空間太陽能電站可能只是個開端。人員大規(guī)模進入太空才是太空經濟的高潮。如果將空間站和道路橋梁、水電煤、通信網絡等地面基礎設施同等看待，那么政府就有理由以公益方式投資建造“太空城市”并以極低價格甚至免費提供給商業(yè)航天公司。而天地往返交通和太空生活服務則可由商業(yè)公司來提供。由于政府承擔了基礎設施成本，太空旅行的費用將大大減低。這有可能催生出一個規(guī)模巨大的太空旅游產業(yè)。這種政府投資、通過補貼牽引需求、通過規(guī)模化降低成本、刺激市場擴張后進一步規(guī)模化的良性循環(huán)模式非常適合中國國情，多年來屢試不爽，比如新能源汽車產業(yè)。

不要以為“太空城市”仍然是科幻小說題材。國外已經出現(xiàn)了將“太空酒店”作為創(chuàng)業(yè)目標的商業(yè)航天公司。巨型太空城市不可能一蹴而就。小規(guī)模的太空酒店會是起點，然后一百人，一千人，一萬人，一步一步才能達到目標。我們有制度優(yōu)勢，有基建狂魔的實力加持，現(xiàn)在又有了空間站在軌建造經驗，沒有理由落后于人。



△美國OAC公司計劃的太空酒店（圖源：OAC）

現(xiàn)在來看看我們的競爭對手。美國在地面基礎設施建設方面已經遠遠落后于中國。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，由于資金利用率低于中國數(shù)十倍，情況估計也不會有太大改觀。NASA的情況也類似。這些年SLS重型火箭和重返月球計劃步履艱難，顯示問題已積重難返。

馬斯克的商業(yè)航天帝國是中國真正的對手。他目前在可復用火箭等技術上領先中國。他也在實施星鏈、星艦等巨型項目。但如果是空間太陽能電站和太空城市這種規(guī)模高一等級的項目，恐怕也會力不從心。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。只要中國能在規(guī)�；习l(fā)力突破，勝出的機會更大。太空再現(xiàn)“基建狂魔”不是夢。

未來的某一天，當一個中國制造、璀璨奪目的“天空之城”從星空中劃過的時候，人們也許會想起2022年的那個夏秋，他們的前輩們是怎樣邁出太空基建第一步的。