中國空間站建設(shè)進入高潮，基建狂魔走向太空

來源：新浪網(wǎng)

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(shè)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(jié)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?qū)�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(wǎng)）

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(wù)�？臻g站將進行復(fù)雜的三次轉(zhuǎn)向，將問天艙調(diào)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(zhuǎn)位機械臂（轉(zhuǎn)位機構(gòu)）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(zhuǎn)、下翻三個動作將問天艙轉(zhuǎn)動90度，再重新對接到核心艙側(cè)向泊接口，完成組裝工作。最后，空間站將再進行三次轉(zhuǎn)向，恢復(fù)到正常飛行姿態(tài)。



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

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(fù)上述一系列操作。我們將在年內(nèi)看到一個70噸級模塊化空間站的橫空出世。

問天艙的轉(zhuǎn)位和再對接是中國首次在太空進行的大型空間結(jié)構(gòu)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(shù)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(wù)。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(zhuǎn)位方式重新對接到了核心艙側(cè)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(zhì)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(jīng)15國通力合作，終于建成由15個加壓艙段（曙光、團結(jié)、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(gòu)件構(gòu)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(xué)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(shù)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(gòu)，模塊化航天器的總體和子系統(tǒng)設(shè)計需要全面考慮諸多因素。模塊化艙段或構(gòu)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(gòu)需要重型火箭、對接機構(gòu)、空間機械臂、艙外活動等各種技術(shù)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?qū)�接、機械臂轉(zhuǎn)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?qū)⑻旌吞柡诵呐摰膬蓧K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(gòu)，其移位距離遠超實驗艙轉(zhuǎn)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(shù)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(wǎng)）

國際空間站建造中實施了更多復(fù)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(shè)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(gòu)因此也變得相當復(fù)雜。但實事求是地說，國際空間站的復(fù)雜性很大程度上是美俄不同設(shè)計理念和兩種不同標準帶來的無奈結(jié)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(jīng)驗教訓(xùn)后優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。而中國空間站的太空機械臂 - 在軌組裝的關(guān)鍵設(shè)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(fù)雜操作以及現(xiàn)在可能還無法想象的各種未來任務(wù)。

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(shù)。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(gòu)件級太空制造。目前已經(jīng)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(jīng)實現(xiàn)了航天器零部件的更換和升級，其實已經(jīng)為在軌裝配單體航天器打下了基礎(chǔ)。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(gòu)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(lǐng)域。大規(guī)模航天器和地面基礎(chǔ)設(shè)施有著不少共性。中國號稱“基建狂魔”，它理應(yīng)成為我國發(fā)揮優(yōu)勢的領(lǐng)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(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(shè)后，還將發(fā)射更多擴展艙段，在軌建造技術(shù)將進一步成熟。我們的下一個目標是月球。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，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(jīng)開始相關(guān)技術(shù)的預(yù)研。近日報道華中科技大學(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(yù)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(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(jīng)緊鑼密鼓地預(yù)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(guān)鍵技術(shù)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(xué)，兩個能量傳輸?shù)孛鎸嶒灮�地已�?jīng)建成或正在建設(shè)。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(xué)）


△空間太陽能商業(yè)電站想象圖（圖源：互聯(lián)網(wǎng)）

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(zhì)量近萬噸。兆瓦級電站也會有大幾百噸至千噸。電站構(gòu)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(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，能擔負起如此規(guī)模的太空基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的國家可能只有中國，因為只有中國才具備資金、技術(shù)、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(jīng)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(chǎn)業(yè)，加速可復(fù)用運載工具、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(jīng)濟的高潮。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(wù)則可由商業(yè)公司來提供。由于政府承擔了基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)。

不要以為“太空城市”仍然是科幻小說題材。國外已經(jīng)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(jīng)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面已經(jīng)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(fù)用火箭等技術(shù)上領(lǐng)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)�；�上發(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。