天和号核心舱发射，中国天宫空间站正式开建
2021年04月29日 12:16:38
来源：果壳
4月29日11时22分，新一代运载火箭长征五号B将中国迄今最大的航天器“天和”号核心舱送入预定轨道，标志着中国空间站时代即将开启。
长征五号B火箭点火升空，将天和号核心舱送入轨道 | Tea-tia摄
当今最重单体舱段
所谓空间站，是一种在近地轨道上长时间运行的，可供多名航天员长期驻留工作生活、开展空间实验的载人航天器。
人类载人航天历史上曾经出现过四个系列共12座空间站。1971年第一座空间站“礼炮”1号升空，质量为18吨。半个世纪后的今天，唯一在轨运行的国际空间站总质量达到了420吨，宛若一座太空宫殿。
1992年9月21日，中央政治局常委会批准我国载人航天工程按“三步走”发展战略实施：
第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；
第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；
第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。
经过前期任务的顺利实施，多项关键技术实现突破。如今，“三步走”的最后一步就在眼前，神话传说里的天宫即将成为现实。
建成后的天宫空间站渲染图 | CNSA
中国未来的空间站被命名为“天宫”，将由1个核心舱 + 2个实验舱组成，形成“T”字形结构，可以靠泊1艘货运飞船和2艘载人飞船，如果将以上这些都算上，质量将达到100吨左右。
空间站中最关键的一个组件是核心舱，被命名为“天和”。它全长16.6米，最大直径4.2米，发射质量为22.5吨，是我国研制的最大航天器，也是21世纪以来全球范围内发射的最大最重的航天器，超过了国际空间站上任意一个密闭舱段。
核心舱可分为资源舱、生活控制舱和节点舱。资源舱为空间站提供电力、燃料等必需资源。生活控制舱又分大柱段、小柱段，是航天员生活和工作的主要场所。节点舱是空间站的对接枢纽，用来连接各个舱段及飞船。
核心舱结构示意图 | CNSA
从位置上讲，核心舱位于空间站“T”形架构的主干上，以后实验舱、载人飞船和货运飞船都将与它连接。如果将来空间站要扩建，会将两个核心舱相连，形成一条主轴，这种桁架式的结构也是未来空间站的发展趋势。
从功能上讲，核心舱是整个空间站的大脑，是当仁不让的“核心”。它集成了控制系统、计算机系统、通信系统、消防系统、空气处理系统、厨房、卫生间、睡眠区等。如果用三个简洁的关键词对核心舱的功能进行概况的话就是：管理、控制、生活。
天和号核心舱正样 | CMS
四大“神器”令人惊叹
这次发射的核心舱外形炫酷，体型硕大。然而，你是否知道它所携带的“神器”有哪些？
第一，电推发动机
电推发动机是一种不依赖化学燃烧就能产生推力的设备。它将太阳能转化为电能，电能再转化为机械能，具有比冲高、推力小、精度高、寿命长等特点。由于电推发动机不再需要使用固体或液体燃料，因而省去了很多复杂的机构，不仅能大幅减少航天器对燃料的需求，也能大幅减轻航天器的重量。
“天和”号核心舱上配置了大功率LT-100型霍尔电推系统，等到空间站建成后，一年只需发射一艘13吨级“天舟”货运飞船就可以满足燃料补给需求，而这方面国际空间站每年需要发射4艘货运飞船。
第二，砷化镓太阳能电池
“天和”号核心舱上使用了目前世界上最先进的三结砷化镓太阳能电池翼。它的光电转换效率高达50%以上，而传统的晶硅电池通常只有20%左右，理论上限也只不过33%。此外，它还具有很好的耐温性，250℃高温也能正常工作。
在“天和”号上使用的太阳翼单侧翼展为13米，而明年将发射升空的“问天”号和“梦天”号两个实验舱的太阳翼单侧翼展将达到30米！届时，“天宫”号空间站的供电能力将达到100千瓦，而体量是“天宫”号4倍的国际空间站只能提供80余千瓦电量，而且还必须外挂散热片。
正在接受光照测试的砷化镓柔性太阳能电池翼
第三，机械臂
“天和”号上还装备了一只强大有力的“手臂”——长约10米的七自由度机械臂，包含2根臂杆、2个末端作用器、2台手眼相机和2台肘部相机。它能够在太空中轻松抓取重达25吨的物体，真实模拟人的手臂灵活转动，将物体运送至空间站外部的任何位置。它甚至还能通过选择合适的转位基座实现舱外爬行。
机械臂的主要功能包括空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员出舱活动、舱外各类负载搬运、舱外状态监视检查、舱外设备安装、更换或维修等。
机械臂是空间站的核心技术之一，当今世界上只有极个别的国家掌握。比如目前国际空间站上使用的是加拿大斯巴宇航公司生产的第二代空间站遥控机械臂系统，俗称“加拿大臂2”。加拿大也因这项重要贡献获得了国际空间站3%的使用权。
国际空间站上的“加拿大臂2” | NASA
第四，节点舱
节点舱是组件多舱体空间站的重要部件之一，有了它，空间站才能像搭积木一样越建越大。虽说它是空间站的“标配”，但“天和”上的节点舱却有着独到之处。
它作为核心舱的一部分，是最早进入太空的舱段之一。它像立方体一样提供了前、后、左、右、上、下六个方向的接口，其中前向接口与生活控制舱相连，左右两个方向专门用于“问天”和“梦天”两个实验舱的停泊，轴向对接口和对地方向对接口主要用于飞船的对接或停泊。
天和号节点舱，正前方的即为轴向对接口
节点舱所有的对接口将同时适配“神舟”载人飞船和“天舟”货运飞船。加之核心舱的资源舱一侧也有一个对接口，这样就可以同时停靠3艘飞船，至于是载人还是货运，理论上讲可随意搭配，具有很大的灵活性。
另外还剩一个对天方向的通道，并非对接口，而是出舱口。这是为便于航天员在空间站初建阶段进行出舱活动而专门设计的。因此，节点舱还充当了气闸舱的作用，真是“一专多能”。
天和号节点舱，有护栏的为航天员出舱口 | 中国航天科技集团
未来天宫惊喜多多
与航天强国相比，中国空间站的建设起步较晚。从时间上看，比“礼炮”1号晚了50年，比“和平”号晚了35年；从规模上看，“天宫”也远比不上国际空间站。但是，它也具备自己显著的优势和特点。
首先，充分利用最新技术
在“天宫”号空间站上集中体现了近20年来能源技术、材料技术、空间探测技术、再生生保技术、科学研究设备等诸多领域的最新成果。虽然我们起步晚，但是起点很高。
其次，独立研发标准统一
国际空间站有16个国家参与建设，但是各国产品并未完全统一标准，例如美国NASA、美国SpaceX（龙飞船）、俄罗斯、欧盟等舱段对接口的制式都不相同，必须改装或加装转接口才能相互连接；实验室的标准也不尽相同，各做各的。
由于“天宫”号空间站完全由中国自主研发，有着更好的标准化设计，减少了不必要的浪费。
天宫号空间站整体结构 | POCKN
第三，科学实验覆盖全面
“天宫”号空间站目前的设计方案与几年前有着巨大的变化，这是因为在论证及研发过程中，充分考虑了各方面的需求，尤其是科学家的需求。
天宫空间站在110m³的密封舱内规划设计了16个专用科学实验柜和7个具有空置空间的实验柜，另外还有3个舱外暴露实验装置，覆盖了包括微重力流体物理与燃烧科学、空间生命科学与生物技术等在内的11个空间科学与应用研究方向。
虽然国际空间站上有31个科学实验柜，它拥有可居住容积达388m³，如果比较单位体积实验柜的数量的话，天宫号是国际空间站的2.6倍。
第四，国际合作大国担当
国际空间站虽有“国际”之名，但实际上只有参与建设的16个国家可以“玩”。即便如此，这几个国家所享有的使用时间和使用空间也极不均衡。
中国空间站更显大国担当，首次明确向所有联合国成员开放。目前已有来自17个国家的9个科研项目成功入选天宫空间站首批合作清单。
中国空间站建造时间表 | 微博用户@Vony7
中国空间站之所以引发强烈关注，是因为从规划中我们已经看到了严谨、科学和自信，知道它必然超越前辈。
虽然“天和”号核心舱只是空间站的第一个组件，后续还有大量的实验任务，但过去的30年历程告诉我们，中国载人航天正是这样步履稳健地实现一个又一个目标的。
中国天宫，未来可期！