中国发射的“天和号”核心舱,你参与了吗?
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2021-04-29
天和号核心舱(英语:Tianhe Core Module)是中国的天宫号空间站的核心舱,原为天宫三号,天和核心舱于北京时间2021年4月29日中午11时23分发射。2021年至2023年间将与问天号实验舱以及梦天号实验舱对接,组建成大型的空间站。天宫三号已经取消发射计划,改为天宫号空间站。

2021年4月29日中午11时23分,天和号核心舱已于文昌航天发射场发射升空。并在数分钟后成功入轨。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平代表党中央、国务院和中央军委致电祝贺任务成功。

据报道,中国空间站以天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱三舱为基本构型。作为基本配置。天和核心舱是中国空间站将进入轨道的第一部分。它主要用于空间站的统一控制和管理。它具有长期的自主飞行能力,可以协助宇航员长期停留并进行太空医学,太空科学实验和技术实验。天和核心舱的总长度为16.6 m,最大直径为4.2 m,起飞重量为22.5 t,是目前我国自主研发的最大,最复杂的航天器。
 

一,核心舱为什么是必需的?
 
越是功能完善的空间站,它就需要越大的空间,安装更多更复杂的各种设备,支持更多航天员的生存、生活、工作。但遗憾的是,人类的火箭并不能无限制地把尺寸和吨位做大,它首先会失去经济上的可承受性,继而又会很快失去技术上的可能性。空间站尺寸的主要限制因素,是发射火箭体积和形状。考虑这一点,大型空间站的最优总体设计,就是采用多个圆筒结构的舱体进行“太空拼积木”。


火箭整流罩内的天和号核心舱(转运),已经是国内能发射的最大的航天器
 
采用圆筒结构的优势有很多,包括更容易做的又轻巧又结实,并能最有效率的利用运载火箭的内部空间。这些不同的舱体在地面先后发射到太空以后,会在轨道上进行组装,并最终形成完整的太空站系统。既然采用了分体设计,那么不同组件在发射秩序上,就必然有先有后。而且,不同舱体承担的功能也各有侧重——因为把所有舱体都做成一样的,必然带来极大的浪费,并把总体性能拉低到一个非常凄惨的水平。

和平号空间站代表了现代大型空间的主流成熟设计,“圆筒插圆筒”是最显著的外观特征之一 | NASA
 
所以,在空间站这个“太空积木”中,必须有第一块到位的积木,作为整个系统完整组装的基点。它就是核心舱。这样的地位决定了核心舱也必然是整个空间站的核心舱室。后续的功能舱室都要围绕它建设,它必须能够支持这些舱室的运转;作为第一个上天的舱室,它需要具备宇航员的维生能力。如今,我们对它的了解已经越来越多。2016 年 4 月,中国载人航天工程办公室发布了《空间站工程研制进展》,详细介绍了中国空间站的发展动态。2018 年,中国空间站核心舱在第 12 届珠海航展上首次对外公开展出。


来源:《中国航天》
 
借由这些信息,我们得以窥探天和核心舱和未来空间站的技术制造以及供应链特点。
 
二、天和号组件构成:
 
中国未来的空间站被命名为“天宫”。整个空间站采用水平对称T形构型,将由核心舱和 2 个实验舱组成。设计寿命 10 年,额定乘员 3 人,新旧乘员组轮换时可支持 6 人。作为核心舱的天和号是空间站的主控舱段,是管理和控制中心,也是航天员生活的主要场所。它要负责整个空间站的电源电路、环境控制、生命保障功能,包括气体压力、成分、温度、湿度的调节,水的回收管理,微生物控制和废弃物管理等等,可以满足航天员长期太空飞行的生活需求。

来源:《中国载人空间站方案的变迁》

天和号核心舱带有一个大型机械臂,它前方较为细长的部分是节点舱。天和号核心舱尾部可以连接货运飞船,而节点舱的前部有一个转位基座,可以连接载人飞船、两个实验舱,还有一个对天方向的出舱口,用于航天员出舱活动。在空间站的建造过程中,天和号核心舱的节点舱端口的对接口,会首先完成与实验舱的对接;然后通过转位基座或者机械臂的操作,把实验舱转移到节点舱左/右侧的两个停泊口,实现长期停靠。
 
载人航天工程办公室发布的《空间站工程研制进展》清楚呈现了未来空间站的组建过程
 
按照现有资料,中国空间站核心舱和实验舱均为 20 吨级,合体质量(不含飞船)约 66 吨。乍看起来,与重达 400 多吨的国际空间站有较大差距。不过,以天和号核心舱为代表,国产空间站采用了模块化的总体设计思路,预留了额外的机电热接口。它可以再对接一个新的带节点舱的核心舱,这意味着,能够扩展出一个总规模翻倍的空间站。最大构型下,国产空间站可以扩展到 2 核心舱、4 实验舱、4 舱外实验平台、并同时连接 3 艘飞船。此时整个空间站系统规模达到 180 吨,可以支持 6 名长期乘员。

 
 
基本构型与最大构型对比 |《我国空间站工程总体构想》
 
在得到天和号核心舱的支持后,中国空间站的实验舱就能充分发挥作用了,它们主要用于空间科学实验、空间应用和空间技术实验。其中,实验舱 I 最为重要,它除了存放用于进行科学实验的设备材料、航天员的消耗品和补给货物外,还承担了天和号核心舱一部分功能的备份任务。一旦核心舱的相关设备出现故障,它就会挺身而出、保障空间站的正常运转。

三,这些上市公司产品与空间站有关:

公开资料显示,中国空间站由中国空间技术研究院(五院)研制,其隶属于中国航天科技集团有限公司,成立于1968年2月20日。经过50年的发展,已成为中国主要的空间技术及其产品研制基地,是中国空间事业最具实力的骨干力量。



来源:《第一财经》


四、天和号意味着什么?

1992 年,中国载人航天发展正式确立了“三步走”的战略。

第一步是先把人送入太空并安全返回。这已在 2003~2005 年期间,由神舟系列飞船搭载杨利伟、费俊龙、聂海胜等航天员实现。
第二步是突破空间站建造的一些关键技术,包括航天员出舱活动,飞船与空间实验室的交会对接,并解决一定规模较小、需要航天员短期照料的空间应用问题。这已在 2011~2019 年期间,由天宫一号、二号空间实验室实现。


第三步是建造真正意义上的空间站,解决较大规模、需要航天员长期照料的空间应用问题。刚刚发射的空间站核心舱“天和”号,正是第三步的关键所在。加入太空工厂,共同参与商业航天供应链。

按照目前的计划,今明两年,中国将接续实施 3 次空间站舱段发射,4 次货运飞船及 4 次载人飞船发射,于 2022 年,即载人航天工程正式启动整整三十年之际,完成空间站在轨建造。天和号的发射,预示着国产空间站的建造即将在较短的时间内建成。中国在世界航天领域中的地位和影响力,将会踏入一个全新的阶段。太空工厂,实现商业航天企业间的商业化,市场化。

 
参考文献:

[1] ‍中国载人航天工程办公室. (2016). 空间站工程研制进展.

[2] 周建平. (2013). 我国空间站工程总体构想.

载人航天, (02): 1-10.

[3] 张雪松. (2016). 中国载人空间站方案的变迁.

太空探索, 000(007): 28-33.

[4] 毛新愿. (2019). 中国空间站为什么要这样设计?

卫星与网络, No.198(11): 52-57.