中國空間站多加幾個艙段,還是比不上國際空間站?二期工程瞭解下
中國空間站有多大?
根據載人航天辦公室介紹,中國空間站一期將
包括一個核心艙以及兩個實驗艙
,每個艙段大約22噸重。
同時,在中國空間站建成以後,將長期停靠
一艘神舟載人飛船以及一艘天舟貨運飛船
,神舟載人飛船重8噸,天舟貨運飛船重13噸。
(中國空間站一期示意圖)
也就是說中國空間站一期建成以後,
總重量大約在80-90噸
。
一些對航天有了解的讀者可能知道,國際空間站總重超過400噸,遠比中國空間站一期要重。
中國空間站未來能夠擴充套件到國際空間站那麼重嗎?
中國空間站會不會因為比國際空間站輕就比不上呢?
1
二期建設——中國空間站的擴充套件計劃
首先,
中國空間站有相應的擴充套件計劃
,這就是中國空間站二期建設工程。
就像很多小區分一期二期一樣,中國空間站也分
一期建設工程
和
二期建設工程
。一期建設工程我們在開頭就已經介紹過了。
而二期建設工程就是
再發射三個艙段
,同時把天舟和神舟飛船長期駐留數量也翻倍,這樣
二期建設工程結束以後,中國空間站總重將會達到170噸
。
(中國空間站二期設計)
目前,“神舟13號”的三名航天員已經在“天和”號核心艙裡面生活了五個月左右,“天和”號核心艙表現出色。
而“天和”號核心艙有一個孿生兄弟,就是
核心艙備份艙
。
根據空間站建設計劃,“神舟13號”的航天員要對“天和”核心艙進行全面的檢查和評估,
判斷“天和”核心艙是否能夠勝任中國空間站的核心艙任務
。
打個比方,這就是“天和”核心艙的
轉正考試
,只有透過考試才能正式成為中國空間站的核心艙。
(發射前的“天和”核心艙)
如果“天和”號核心艙不能透過考試,就要發射核心艙備份艙
,視情況決定是要放棄“天和”號核心艙,還是把“天和”號作為普通艙段對接到核心艙備份艙上。
當然,現在看來
“天和”號核心艙的表現令人非常滿意
,透過轉正考試基本沒有問題。
這時候,在地面的核心艙備份艙就將會轉變身份,
作為中國空間站二期建設工程的艙段使用
。
核心艙備份艙將會對接到“天和”號核心艙的前向對介面上,就像是兩個核心艙串起來一樣。
核心艙備份艙將會給中國空間站帶來幾個新的對介面,
隨後兩個新的實驗艙將會和核心艙備份艙對接,把中國空間站從“T”型擴充套件為“幹”型
。
這就是計劃中的中國空間站二期建設方案。
2
先進?不,恰恰是落後——國際空間站桁架
很多人都對國際空間站的桁架有誤解。
首先,國際空間站的桁架對於國際空間站艙段之間的連線,
沒有任何的強度增強效果
。
很多所謂科普都說桁架能夠增強艙段之間的連線,但是
整個國際空間站的桁架只和“命運”號實驗艙連線
,而
其他艙段和桁架之間都沒有連線
。
(國際空間站的桁架只連線了一個艙段)
其他艙段都沒有和桁架連線,那桁架能夠增強艙段連線又從何談起呢?
事實上,國際空間站的艙段呈“一”字佈局,吊掛在桁架下方,
相互之間的連線靠的是艙段之間的對介面
。
桁架
真正的作用
是為了
佈置國際空間站的太陽能電池板
,以及
給許多裝置提供安裝空間
。
比如國際空間站的機械臂就安裝在桁架上,有一個滑軌小車可以讓機械臂在桁架上進行移動,擴充套件了機械臂的工作範圍。
(國際空間站的機械臂)
其次,國際空間站的桁架給國際空間站帶來了不少死重,國際空間站400噸的重量,
有接近一半的重量來自桁架
。
很多人把國際空間站的桁架視作國際空間站先進的象徵,但事實上,國際空間站的桁架是二十年前設計建造的。
在當時的設計、材料和加工工藝水平下
,國際空間站的桁架為了保持足夠的強度,
其重量可不小
。
(桁架是國際空間站的標誌性特徵)
而且,因為國際空間站的桁架,
整個國際空間站的重心偏離推進系統的推力中心
。
也就是說,國際空間站每一次進行軌道維持機動的時候,
都有一部分燃料浪費在修正推力中心和空間站重心之間的偏差上
。
所以國際空間站的桁架不是什麼先進的象徵,反而是國際空間站上最落後的地方。
以現在的技術水平,在滿足國際空間站的使用需求下,完全可以設計出重量輕得多的輕型桁架。
3
真正的先進——中國空間站的
輕型桁架與太陽能電池板
而且,中國空間站又不是沒有桁架,並且中國空間站的桁架設計比國際空間站先進多了。
在中國空間站一期建設過程中,當“問天”、“夢天”兩個實驗艙發射對接以後,中國航天員就要開始進行一項艙外作業。
(中國空間站一期與國際空間站的對比)
在兩個實驗艙尾部,安裝有一個輕型桁架
,這個桁架作用和國際空間站上的桁架是一樣的,都是為了
佈置太陽能電池板
。
實驗艙的太陽能電池板就是佈置在這個桁架上的。
而航天員的任務,是把原本安裝在核心艙上的太陽能電池板拆下來
,轉移到實驗艙的尾部。
這樣做的原因是,在實驗艙對接以後,
實驗艙會阻擋一部分的陽光,導致核心艙太陽能電池板發電效率降低
。
蘇聯的“和平”號空間站,在服役後期艙段多了以後,就出現了嚴重的太陽能電池板遮擋問題。
(蘇聯“和平”號空間站)
所以要
把核心艙的太陽能電池板轉移到實驗艙的輕型桁架上
,保證太陽能電池板的發電效率。
中國空間站二期建設的三個艙段到位以後,同樣要進行轉移太陽能電池板的行動。
而在空間站二期建設完成以後,中國空間站的太陽能電池板面積將會達到國際空間站的
百分之八十
,而且同樣不存在遮擋問題。
(中國空間站二期,太陽能電池板面積接近國際空間站)
中國空間站利用
“T”型佈局的艙段
,大大減少了桁架的長度,同時使用新的材料和設計,讓桁架重量大幅度下降。
國際空間站的太陽能電池板,大部分是
光電轉化效率百分之22
的上一代太陽能電池板,只有兩個新的太陽能電池板效率達到百分之32。
而中國空間站的太陽能電池板全部都是
百分之30光電轉化效率的新一代太陽能電池板
,這讓中國空間站的發電能力和國際空間站相差無幾。
4
科研能力——近地軌道空間站的根本
目前,近地軌道空間站的主要任務,是進行各種各樣的科學實驗。
所以
要衡量一個空間站的水平,就要看空間站的科學實驗能力
。而決定空間站科學實驗能力的主要因素,就是空間站艙段中實驗艙的水平。
國際空間站目前有
四個實驗艙
,分別是美國的“命運”號實驗艙,歐洲的“哥倫布”號實驗艙,日本的“希望”實驗艙以及俄羅斯“科學”號實驗艙。
(國際空間站上的“哥倫布”號實驗艙)
這裡面,
“命運”“哥倫布”“希望”都是較為先進的實驗艙
,而去年剛剛發射的“科學”號實驗艙卻是最落後的一個,因為它是上世紀90年代建造的。
國際空間站有十多個艙段,卻只有四個實驗艙,主要原因有兩個方面。
首先,
國際空間站比較注重擴充套件性
,有五六個艙段是
節點艙
,這些節點艙佔據了國際空間站不少位置。
同時也是因為擴充套件性的理念,國際空間站上還有諸如“萊納昂多”這樣的多功能艙,
所以國際空間站上實驗艙數量佔比不高
。
其次是俄羅斯艙段缺乏科研能力,而且
原計劃的兩個俄羅斯實驗艙,直到現在才發射了一個“科學”號
。
(“科學”號在2021年7月發射升空)
而中國空間站一期是一個核心艙和
兩個實驗艙
,二期是兩個核心艙和
四個實驗艙
,在總艙段只有六個的時候,就以及有四個實驗艙。
而且這些都是
和“命運”等實驗艙一個水平,甚至要更加先進的實驗艙
。
所以規模比國際空間站小很多的中國空間站,
在科學實驗能力上並不比國際空間站差
,甚至更好。
國際空間站一共有
33個標準實驗機櫃
,其中“命運”號13個,“哥倫布”號10個,“希望”號10個,而“科學”號並沒有標準實驗機櫃。
(“問天”號實驗艙結構)
中國空間站
一期有26個標準實驗機櫃
,其中“天和”號4個,“問天”號9個,“夢天”號13個。
二期空間站建設將會把上面這些機櫃數量翻一倍
,總數可能會達到
52個
,遠比國際空間站多。
所以,在科學研究能力上,
中國空間站二期建設完成以後,將會超過國際空間站
。
當然,這也是因為中國空間站沒有額外的節點艙,全靠兩個核心艙提供對介面,這也
讓中國空間站的擴充套件能力比國際空間站要差不少
。
5
多樣和統一——空間站的對介面
國際空間站作為“國際”空間站,其最大的優點就是擴充套件性強,功能豐富。
但同時國際空間站也面臨一個很大的問題,那就是國際空間站上有多達
三種對介面
,而
每一種對介面之間互不相容
。
首先,俄羅斯艙段以及俄羅斯的“聯盟”載人飛船、“進步”貨運飛船使用的是
錐-杆式對介面
。
然後,美國飛船,比如“龍”載人飛船,“天鵝座”貨運飛船,使用的是
APAS-95對介面
。
(“龍”飛船是美國現在主要的載人飛船)
最後,美國、歐洲以及日本的艙段之間,使用的是
CBM大型對介面
。
這使得國際空間站雖然有多達8個對介面,但其實具體到每一種對介面上也不多。
CBM大型對介面只能使用在艙段之間的連線,要透過
PMA對接適配艙
轉換成
錐-杆對介面
或者
APAS-95對介面
,才能讓飛船進行對接。
(太空梭同樣透過PMA(紅框內黑色艙段)進行對接)
這使得國際空間站上經常出現對介面緊張的局面。
比如因為APAS-95對介面資源緊張,歐洲在發射ATV貨運飛船的時候,
不得不放棄熟悉的APAS-95對介面,轉而使用俄羅斯的錐-杆對介面
。
而中國空間站就沒有這個問題。從“天宮一號”和“神舟8號”開始,
中國空間站始終使用同一種對介面
。
包括空間站艙段,“神舟”載人飛船,“天舟”貨運飛船以及新一代載人飛船,都是使用同樣的對介面。
(中國新一代載人飛船)
這種對介面和APAS-95對介面相似,
但是電氣線路設計有一些不同
,所以要讓使用APAS-95直接對接中國空間站是不可行的。
中國對介面在結構上基本一致,只是為了能夠減輕一些重量,
用來進行艙段連線的對介面取消了自動對接裝置,稱為停泊口
。
中國空間站一期的兩個實驗艙,就將對接在停泊口上。取消了自動對接裝置,實驗艙又要怎麼接上停泊口呢?
(“夢天”號實驗艙)
首先,實驗艙發射以後,
先和核心艙正面的對介面進行自動對接
,這個對介面是裝有自動對接系統的。
對接完成以後,航天員就要
操縱機械臂
,
把正面的實驗艙轉移到側面進行對接
。這樣,在機械臂的幫助下,沒有自動對接系統也能順利完成接上停泊口。
6
未來——中國空間站即將建成
目前,“神舟13號”的航天員還在太空中開展各種科研實驗。
按照計劃,“神舟13號”乘組將會在
4月
返回地面。隨後
“神舟14號”將會在五月發射升空
。
(“神舟14號”將在五月份發射)
在“神舟14號”成員組停留太空的六個月中,將會迎來
中國空間站一期建設的兩個實驗艙
。
“問天”號實驗艙計劃在
7月份
,由長征5號B運載火箭從海南文昌發射場發射升空。
“夢天”號實驗艙則是計劃在
9月份
進行發射,同樣由長征5號B運載火箭進行發射。
也就是說,
在今年我們就將看到中國空間站一期建設完成
。
(即將發射的“問天”號實驗艙)
而二期建設方案還在討論之中,計劃上將在
2024年到2025年
開展中國空間站二期建設工作。
在不遠的將來,我們就能夠看到完全體的中國空間站劃過天空,這是一座效能完全不輸,甚至超過國際空間站的中國空間站。
我們的征程是星辰大海。