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中国空间站多加几个舱段 还是比不上国际空间站 二期工程了解下

来源:   2023-01-03 12:17:12

中国空间站有多大?

根据载人航天办公室介绍,中国空间站一期将包括一个核心舱以及两个实验舱,每个舱段大约22吨重。

同时,在中国空间站建成以后,将长期停靠一艘神舟载人飞船以及一艘天舟货运飞船,神舟载人飞船重8吨,天舟货运飞船重13吨。

(中国空间站一期示意图)

也就是说中国空间站一期建成以后,总重量大约在80-90吨。

一些对航天有了解的读者可能知道,国际空间站总重超过400吨,远比中国空间站一期要重。

中国空间站未来能够扩展到国际空间站那么重吗?中国空间站会不会因为比国际空间站轻就比不上呢?

1

二期建设——中国空间站的扩展计划

首先,中国空间站有相应的扩展计划,这就是中国空间站二期建设工程。

就像很多小区分一期二期一样,中国空间站也分一期建设工程和二期建设工程。一期建设工程我们在开头就已经介绍过了。

而二期建设工程就是再发射三个舱段,同时把天舟和神舟飞船长期驻留数量也翻倍,这样二期建设工程结束以后,中国空间站总重将会达到170吨。

(中国空间站二期设计)

目前,“神舟13号”的三名航天员已经在“天和”号核心舱里面生活了五个月左右,“天和”号核心舱表现出色。

而“天和”号核心舱有一个孪生兄弟,就是核心舱备份舱。

根据空间站建设计划,“神舟13号”的航天员要对“天和”核心舱进行全面的检查和评估,判断“天和”核心舱是否能够胜任中国空间站的核心舱任务。

打个比方,这就是“天和”核心舱的转正考试,只有通过考试才能正式成为中国空间站的核心舱。

(发射前的“天和”核心舱)

如果“天和”号核心舱不能通过考试,就要发射核心舱备份舱,视情况决定是要放弃“天和”号核心舱,还是把“天和”号作为普通舱段对接到核心舱备份舱上。

当然,现在看来“天和”号核心舱的表现令人非常满意,通过转正考试基本没有问题。

这时候,在地面的核心舱备份舱就将会转变身份,作为中国空间站二期建设工程的舱段使用。

核心舱备份舱将会对接到“天和”号核心舱的前向对接口上,就像是两个核心舱串起来一样。

核心舱备份舱将会给中国空间站带来几个新的对接口,随后两个新的实验舱将会和核心舱备份舱对接,把中国空间站从“T”型扩展为“干”型。

这就是计划中的中国空间站二期建设方案。

2

先进?不,恰恰是落后——国际空间站桁架

很多人都对国际空间站的桁架有误解。

首先,国际空间站的桁架对于国际空间站舱段之间的连接,没有任何的强度增强效果。

很多所谓科普都说桁架能够增强舱段之间的连接,但是整个国际空间站的桁架只和“命运”号实验舱连接,而其他舱段和桁架之间都没有连接。

(国际空间站的桁架只连接了一个舱段)

其他舱段都没有和桁架连接,那桁架能够增强舱段连接又从何谈起呢?

事实上,国际空间站的舱段呈“一”字布局,吊挂在桁架下方,相互之间的连接靠的是舱段之间的对接口。

桁架真正的作用是为了布置国际空间站的太阳能电池板,以及给许多设备提供安装空间。

比如国际空间站的机械臂就安装在桁架上,有一个滑轨小车可以让机械臂在桁架上进行移动,扩展了机械臂的工作范围。

(国际空间站的机械臂)

其次,国际空间站的桁架给国际空间站带来了不少死重,国际空间站400吨的重量,有接近一半的重量来自桁架。

很多人把国际空间站的桁架视作国际空间站先进的象征,但事实上,国际空间站的桁架是二十年前设计建造的。

在当时的设计、材料和加工工艺水平下,国际空间站的桁架为了保持足够的强度,其重量可不小。

(桁架是国际空间站的标志性特征)

而且,因为国际空间站的桁架,整个国际空间站的重心偏离推进系统的推力中心。

也就是说,国际空间站每一次进行轨道维持机动的时候,都有一部分燃料浪费在修正推力中心和空间站重心之间的偏差上。

所以国际空间站的桁架不是什么先进的象征,反而是国际空间站上最落后的地方。

以现在的技术水平,在满足国际空间站的使用需求下,完全可以设计出重量轻得多的轻型桁架。

3

真正的先进——中国空间站的

轻型桁架与太阳能电池板

而且,中国空间站又不是没有桁架,并且中国空间站的桁架设计比国际空间站先进多了。

在中国空间站一期建设过程中,当“问天”、“梦天”两个实验舱发射对接以后,中国航天员就要开始进行一项舱外作业。

(中国空间站一期与国际空间站的对比)

在两个实验舱尾部,安装有一个轻型桁架,这个桁架作用和国际空间站上的桁架是一样的,都是为了布置太阳能电池板。

实验舱的太阳能电池板就是布置在这个桁架上的。而航天员的任务,是把原本安装在核心舱上的太阳能电池板拆下来,转移到实验舱的尾部。

这样做的原因是,在实验舱对接以后,实验舱会阻挡一部分的阳光,导致核心舱太阳能电池板发电效率降低。

苏联的“和平”号空间站,在服役后期舱段多了以后,就出现了严重的太阳能电池板遮挡问题。

(苏联“和平”号空间站)

所以要把核心舱的太阳能电池板转移到实验舱的轻型桁架上,保证太阳能电池板的发电效率。

中国空间站二期建设的三个舱段到位以后,同样要进行转移太阳能电池板的行动。

而在空间站二期建设完成以后,中国空间站的太阳能电池板面积将会达到国际空间站的百分之八十,而且同样不存在遮挡问题。

(中国空间站二期,太阳能电池板面积接近国际空间站)

中国空间站利用“T”型布局的舱段,大大减少了桁架的长度,同时使用新的材料和设计,让桁架重量大幅度下降。

国际空间站的太阳能电池板,大部分是光电转化效率百分之22的上一代太阳能电池板,只有两个新的太阳能电池板效率达到百分之32。

而中国空间站的太阳能电池板全部都是百分之30光电转化效率的新一代太阳能电池板,这让中国空间站的发电能力和国际空间站相差无几。

4

科研能力——近地轨道空间站的根本

目前,近地轨道空间站的主要任务,是进行各种各样的科学实验。

所以要衡量一个空间站的水平,就要看空间站的科学实验能力。而决定空间站科学实验能力的主要因素,就是空间站舱段中实验舱的水平。

国际空间站目前有四个实验舱,分别是美国的“命运”号实验舱,欧洲的“哥伦布”号实验舱,日本的“希望”实验舱以及俄罗斯“科学”号实验舱。

(国际空间站上的“哥伦布”号实验舱)

这里面,“命运”“哥伦布”“希望”都是较为先进的实验舱,而去年刚刚发射的“科学”号实验舱却是最落后的一个,因为它是上世纪90年代建造的。

国际空间站有十多个舱段,却只有四个实验舱,主要原因有两个方面。

首先,国际空间站比较注重扩展性,有五六个舱段是节点舱,这些节点舱占据了国际空间站不少位置。

同时也是因为扩展性的理念,国际空间站上还有诸如“莱纳昂多”这样的多功能舱,所以国际空间站上实验舱数量占比不高。

其次是俄罗斯舱段缺乏科研能力,而且原计划的两个俄罗斯实验舱,直到现在才发射了一个“科学”号。

(“科学”号在2021年7月发射升空)

而中国空间站一期是一个核心舱和两个实验舱,二期是两个核心舱和四个实验舱,在总舱段只有六个的时候,就以及有四个实验舱。

而且这些都是和“命运”等实验舱一个水平,甚至要更加先进的实验舱。

所以规模比国际空间站小很多的中国空间站,在科学实验能力上并不比国际空间站差,甚至更好。

国际空间站一共有33个标准实验机柜,其中“命运”号13个,“哥伦布”号10个,“希望”号10个,而“科学”号并没有标准实验机柜。

(“问天”号实验舱结构)

中国空间站一期有26个标准实验机柜,其中“天和”号4个,“问天”号9个,“梦天”号13个。

二期空间站建设将会把上面这些机柜数量翻一倍,总数可能会达到52个,远比国际空间站多。

所以,在科学研究能力上,中国空间站二期建设完成以后,将会超过国际空间站。

当然,这也是因为中国空间站没有额外的节点舱,全靠两个核心舱提供对接口,这也让中国空间站的扩展能力比国际空间站要差不少。

5

多样和统一——空间站的对接口

国际空间站作为“国际”空间站,其最大的优点就是扩展性强,功能丰富。

但同时国际空间站也面临一个很大的问题,那就是国际空间站上有多达三种对接口,而每一种对接口之间互不兼容。

首先,俄罗斯舱段以及俄罗斯的“联盟”载人飞船、“进步”货运飞船使用的是锥-杆式对接口。

然后,美国飞船,比如“龙”载人飞船,“天鹅座”货运飞船,使用的是APAS-95对接口。

(“龙”飞船是美国现在主要的载人飞船)

最后,美国、欧洲以及日本的舱段之间,使用的是CBM大型对接口。

这使得国际空间站虽然有多达8个对接口,但其实具体到每一种对接口上也不多。

CBM大型对接口只能使用在舱段之间的连接,要通过PMA对接适配舱转换成锥-杆对接口或者APAS-95对接口,才能让飞船进行对接。

(航天飞机同样通过PMA(红框内黑色舱段)进行对接)

这使得国际空间站上经常出现对接口紧张的局面。

比如因为APAS-95对接口资源紧张,欧洲在发射ATV货运飞船的时候,不得不放弃熟悉的APAS-95对接口,转而使用俄罗斯的锥-杆对接口。

而中国空间站就没有这个问题。从“天宫一号”和“神舟8号”开始,中国空间站始终使用同一种对接口。

包括空间站舱段,“神舟”载人飞船,“天舟”货运飞船以及新一代载人飞船,都是使用同样的对接口。

(中国新一代载人飞船)

这种对接口和APAS-95对接口相似,但是电气线路设计有一些不同,所以要让使用APAS-95直接对接中国空间站是不可行的。

中国对接口在结构上基本一致,只是为了能够减轻一些重量,用来进行舱段连接的对接口取消了自动对接装置,称为停泊口。

中国空间站一期的两个实验舱,就将对接在停泊口上。取消了自动对接装置,实验舱又要怎么接上停泊口呢?

(“梦天”号实验舱)

首先,实验舱发射以后,先和核心舱正面的对接口进行自动对接,这个对接口是装有自动对接系统的。

对接完成以后,航天员就要操纵机械臂,把正面的实验舱转移到侧面进行对接。这样,在机械臂的帮助下,没有自动对接系统也能顺利完成接上停泊口。

6

未来——中国空间站即将建成

目前,“神舟13号”的航天员还在太空中开展各种科研实验。

按照计划,“神舟13号”乘组将会在4月返回地面。随后“神舟14号”将会在五月发射升空。

(“神舟14号”将在五月份发射)

在“神舟14号”成员组停留太空的六个月中,将会迎来中国空间站一期建设的两个实验舱。

“问天”号实验舱计划在7月份,由长征5号B运载火箭从海南文昌发射场发射升空。

“梦天”号实验舱则是计划在9月份进行发射,同样由长征5号B运载火箭进行发射。

也就是说,在今年我们就将看到中国空间站一期建设完成。

(即将发射的“问天”号实验舱)

而二期建设方案还在讨论之中,计划上将在2024年到2025年开展中国空间站二期建设工作。

在不远的将来,我们就能够看到完全体的中国空间站划过天空,这是一座性能完全不输,甚至超过国际空间站的中国空间站。

我们的征程是星辰大海。

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