載人航天被認(rèn)為是當(dāng)今世界技術(shù)最復(fù)雜、難度最大的航天工程，技術(shù)與國力的雙重考驗造就了它的高難度。
神舟載人飛船返回艙吊裝
我國載人航天工程最早可以追溯至上世紀(jì)六十年代末至七十年代初的“714曙光一號工程”，從技術(shù)角度觀察，當(dāng)時東方紅一號與實踐一號兩顆衛(wèi)星相繼發(fā)射，初步具備了進入空間能力。
脫胎于“八年四彈”工程的長征二號系列運載火箭也在加速推進，上世紀(jì)七十年代中期返回式衛(wèi)星技術(shù)攻克，具備了航天器天地往返能力，研制一款3噸級載員兩人類似雙子星座號的載人飛船并不存在無法逾越的技術(shù)難關(guān)。
曙光一號飛船方案
受限于國力，在那個年代并不是推進載人航天工程的最佳時機，雖然最終工程計劃取消，但不可否認(rèn)的是，上世紀(jì)六七十年代的航天能力積累為后續(xù)載人航天工程的跨越式發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
比如運載火箭發(fā)射場、遠(yuǎn)望號航天測量船隊、陸基航天測控網(wǎng)、航天員的選拔與訓(xùn)練、飛船外形設(shè)計與風(fēng)洞試驗、關(guān)鍵單機系統(tǒng)研制等工作在那一時期皆取得了重大進展，新世紀(jì)發(fā)射神舟載人飛船的長征2F載人火箭也源自那一時代的長征二號運載火箭。
誕生于上世紀(jì)七十年代的遠(yuǎn)望二號航天測量船
當(dāng)時間進入上世紀(jì)九十年代初，國內(nèi)生產(chǎn)總值對比上馬曙光一號飛船的時代翻了兩番，具備了重啟載人航天工程的物質(zhì)條件。與此同時，返回式衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量也已經(jīng)有兩位數(shù)，天地往返技術(shù)更趨成熟，長征二號E型運載火箭的研制進程雖然跌跌撞撞但最終也收獲了成功，掌握了10噸級近地軌道航天器發(fā)射能力。
返回式衛(wèi)星
在這樣一個背景下舉世矚目的“921載人航天工程”于1992年9月21日正式上馬，確立了“三步走”發(fā)展規(guī)劃。
歷經(jīng)二十八年發(fā)展如今我們已經(jīng)成功發(fā)射6艘神舟載人飛船與1艘天舟貨運飛船，天宮一號目標(biāo)飛行器與天宮二號空間實驗室相繼成功部署，連續(xù)將14人次航天員送入太空并安全返回地球。
攻克了載人天地往返、多人多天、航天員出艙行走、空間交會對接、燃料在軌補加、航天員中期駐留等核心技術(shù)，為最終建成大型載人空間站做好了技術(shù)儲備與能力儲備，圓滿完成了載人航天工程三步走戰(zhàn)略中的前兩步。
太空中的神舟11號載人飛船
2019年7月19日21時06分，天宮二號空間實驗室受控離軌再入大氣層，自那時開始載人航天工程全線轉(zhuǎn)入備戰(zhàn)天宮空間站，載人航天工程第三步戰(zhàn)略全面拉開帷幕。
天宮二號空間實驗室
當(dāng)時間進入2021年4月，距離天宮空間站天和一號核心艙發(fā)射升空的日子也越來越近，此時此刻人們最關(guān)注的自然是天宮空間站的能力問題，與國際空間站相比我們的空間站究竟處于怎樣一個水平？現(xiàn)在是到了該好好對比一下的時刻了。
對比先發(fā)玩家，北方強鄰的聯(lián)盟系列飛船已經(jīng)實施142次載人發(fā)射，這還不包括他們的東方號與上升號兩代載人飛船發(fā)射記錄。大洋彼岸包括水星計劃、雙子星座計劃、阿波羅計劃、天空實驗室計劃、載人龍飛船在內(nèi)共實施過30次載人飛船發(fā)射，5架航天飛機也累計執(zhí)行了135次載人飛行任務(wù)。
聯(lián)盟載人飛船 MS-17飛行任務(wù)
載人航天領(lǐng)域兩個手執(zhí)牛耳的玩家更是合力打造了人類迄今為止規(guī)模最大技術(shù)難度最高的國際空間站，創(chuàng)造了一系列空前紀(jì)錄與科研成果。
國際空間站
一切過往，皆為序章。面對人類航天的輝煌歷史，天宮空間站正在用實際行動書寫屬于自己的篇章。
我國載人航天工程從立項伊始就提出“造船為建站，建站為應(yīng)用”，國際空間站的運營目標(biāo)同樣也是應(yīng)用，怎么應(yīng)用？通過部署科學(xué)實驗設(shè)施進行科研產(chǎn)出，進而服務(wù)地球人類，科研機柜的數(shù)量是衡量一座空間站應(yīng)用效能的重要指標(biāo)。
神舟七號載人飛船
國際空間站在軌質(zhì)量高達(dá)420噸，天宮空間站一期工程則是百噸級。前者的科研機柜數(shù)量是31個，后者則是23個。
天宮空間站科研機柜
國際空間站在軌規(guī)模是天宮的4倍有余，然而科研機柜數(shù)量僅為天宮的1.3倍，后者用更小規(guī)模實現(xiàn)與前者等量齊觀的科研能力，由此可見天宮的空間利用率更高。
天宮空間站天和一號核心艙
問題來了，造成這一數(shù)據(jù)反差的原因是什么？
還得從空間站的設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，國際空間站被認(rèn)為是第四代載人空間站，標(biāo)志就是應(yīng)用了桁架結(jié)構(gòu)。所謂桁架式空間站指的是艙體依托桁架結(jié)構(gòu)搭建，與之對應(yīng)的則是艙體與艙體對接的第三代積木式空間站，代表型號是和平號。
國際空間站雖然應(yīng)用了桁架結(jié)構(gòu)，但其內(nèi)在仍然是積木式，420噸規(guī)模中供航天員工作生活的艙段規(guī)模僅有180噸左右，這些艙段是以積木式結(jié)構(gòu)組合在一起。
國際空間站積木式結(jié)構(gòu)
180噸艙體規(guī)模受限于參建方的標(biāo)準(zhǔn)不一，以及艙體研發(fā)時代的技術(shù)局限性，又導(dǎo)致大量的空間浪費與閑置。
例如，部署于世紀(jì)之交的曙光號核心艙、團結(jié)號節(jié)點艙、星辰號服務(wù)艙三個艙體規(guī)模就高達(dá)50噸。
國際空間站的骨干艙段
曙光號雖然名為核心艙但現(xiàn)在發(fā)揮的功能僅是儲存燃料，集生命保障、軌道控制、制導(dǎo)導(dǎo)航等功能于一體的星辰號服務(wù)艙則發(fā)揮著核心艙功能。用于連接其他艙段的團結(jié)號節(jié)點艙與曙光號對接，由于兩家對接口尺寸無法兼容因此需要附加一個對接適配器。
黑色部分即是團結(jié)號的對接適配器
與之對比，天宮空間站一個20噸級的天和一號核心艙就滿足了國際空間站上述三大艙段的功能需求，該艙段從外形看分為“大柱段”與“小柱段”兩部分，以功能分區(qū)則分為資源艙、生活控制艙、節(jié)點艙三部分。
天和一號核心艙大柱段
資源艙配置有推進劑貯箱以及姿軌控動力系統(tǒng)，除此之外還應(yīng)用了霍爾電推力器用于補償大氣阻力帶來的軌道高度損失，這是人類首次將電推動力用于載人航天器。
電推動力優(yōu)勢是可以減輕貨運補給壓力，降低貨運飛船發(fā)射頻次，節(jié)約運營成本，還能縮小常規(guī)推進劑貯箱尺寸，增大艙內(nèi)可使用空間。
生活控制艙大柱段部分是空間站總體控制設(shè)備安裝位置，除此之外還有部分科研設(shè)備安裝位置。與之對比，國際空間站曙光號+團結(jié)號+星辰號50噸級艙段都沒能實現(xiàn)平臺控制與科研實驗兩項任務(wù)的兼容。
天和一號核心艙結(jié)構(gòu)設(shè)計
生活控制艙小柱段配置有三個睡眠區(qū)、一個鍛煉區(qū)、兩個平臺設(shè)備區(qū)，以及一個未解密區(qū)域。與之對比，國際空間站星辰號服務(wù)艙也是20噸級艙段卻只有兩個睡眠區(qū)。
天和一號大柱段內(nèi)部
小柱段末端則是節(jié)點艙，它可以提供1個軸向?qū)涌凇?個側(cè)向?qū)涌凇?個側(cè)向?qū)油２纯?，加上大柱段后端通道，天和一號核心艙總計?個對接口，可以同時對接三艘飛船，以及停泊兩座大型實驗艙段。
節(jié)點艙
國際空間站大多數(shù)對接口受限于對接次數(shù)限制，需要附加艙段過渡才能與載人飛船對接，而天和一號核心艙節(jié)點艙無需任何附加艙段可直接與飛船對接。
國際空間站碼頭號附加對接艙
神舟飛船可直接與節(jié)點艙對接
除此之外節(jié)點艙還兼具氣閘艙功能，是航天員實施出艙活動的轉(zhuǎn)換通道，出艙口位于節(jié)點艙天頂方向。
節(jié)點艙航天員出艙口
小柱段外圍還配置有一部承載力達(dá)25噸的10米長“七自由度大型空間機械臂”，機械臂首尾兩端配置相同，可經(jīng)由在空間站外壁布置的“電力數(shù)據(jù)抓取夾具”實現(xiàn)機械臂在艙體表面的爬行移動。國際空間站也有布置于桁架的同類空間機械臂，但其部署成本顯然更高。
黑色柱體即是天和一號核心艙機械臂
國際空間站的空間利用率之所以相對較低主要有兩個原因，一方面是因為部分艙段設(shè)計年代久遠(yuǎn)功能單一占用了大部分艙段空間，另一方面是空間利用過于靡費。
國際空間站寧靜號節(jié)點艙
例如，用于艙段對接的寧靜號節(jié)點艙規(guī)模就有19噸，國際空間站十幾個艙段中真正用于科研實驗的艙段也只有3個，分別是命運號實驗艙、哥倫布實驗艙、希望號實驗艙，艙段規(guī)模均沒有超過20噸。
與團結(jié)號節(jié)點艙對接的命運號實驗艙
天宮空間站則是物盡其用，有兩個20噸級大型實驗艙，分別是問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ，兩個實驗艙先后與天和一號節(jié)點艙軸向?qū)涌趯?，爾后由轉(zhuǎn)位機械臂移動至節(jié)點艙側(cè)向停泊對接口完成轉(zhuǎn)位組裝。
天宮實驗艙轉(zhuǎn)位組裝
兩個大型實驗艙相較于天和一號核心艙更是別有洞天，它們是天宮空間站23個科研機柜的主要布放場所，問天號實驗艙Ⅰ還配置有供航天員實施出艙作業(yè)的專用氣閘艙，功能類似國際空間站的尋求號氣閘艙。
問天號實驗艙Ⅰ部署到位后天和一號節(jié)點氣閘艙轉(zhuǎn)為備份氣閘艙，問天號艙壁外還配置有一部5米長七自由度機械臂，它可以與核心艙10米長主機械臂對接形成長度達(dá)15米的大型機械臂，配合主機械臂艙體爬行功能，可實現(xiàn)空間站外表面全觸達(dá)。
問天號實驗艙Ⅰ明年發(fā)射
夢天號實驗艙Ⅱ在早期設(shè)計方案中還有一部大口徑巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，但考慮到光學(xué)設(shè)施需要微振動工作環(huán)境以及鏡頭調(diào)向需求，結(jié)合國力增強因素，在最終空間站設(shè)計方案中大口徑巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計成了與天宮空間站共軌運行的“巡天光學(xué)艙”。
天宮早期設(shè)計方案中的空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡
巡天光學(xué)艙也是20噸級大型艙段，配置2米口徑離軸三反光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，具有強大的國際競爭力，在保持與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡同等量級分辨率條件下視場大300倍，角分辨率0.15″，工作在紫外-近紅外波段，可在宇宙加速膨脹、暗能量本質(zhì)、暗物質(zhì)屬性、檢驗宇宙學(xué)模型、引力波源對應(yīng)體、銀河系三維結(jié)構(gòu)、天體測量、恒星、黑洞、星系等領(lǐng)域展開觀測研究工作。
平時巡天光學(xué)艙與天宮空間站共軌運行，需要在軌維修時則與天和一號核心艙節(jié)點艙軸向?qū)涌趯?，相較于哈勃空間望遠(yuǎn)鏡每一次維修都需要發(fā)射航天飛機相比，巡天光學(xué)艙維修成本更低。
巡天光學(xué)艙
解放光學(xué)設(shè)備安裝空間的夢天號實驗艙Ⅱ一下子多出了一大截空置艙段，怎么辦？研發(fā)團隊別具匠心地將此處設(shè)計成了“可展開式暴露實驗平臺”，該平臺還配置有貨物專用氣閘艙，是實驗載荷進出空間站的轉(zhuǎn)換通道。
夢天號實驗艙Ⅱ綜合科研能力可對標(biāo)國際空間站的希望號實驗艙，順帶提一下問天號實驗艙Ⅰ艙壁外表面也配置有數(shù)量可觀的外部實驗載荷掛點。
可展開式暴露平臺
前文提到百噸級天宮空間站科研產(chǎn)出能力與400噸級國際空間站等量齊觀，那么我們能不能最終超越呢？天宮空間站的電力供應(yīng)能力早已為此埋下了伏筆。
還是再回到國際空間站的桁架式設(shè)計，大型綜合桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計初衷就是為了布置大型太陽能電池翼，以規(guī)避和平號積木式空間站電池翼相互之間存在的嚴(yán)重遮擋問題，進而提高發(fā)供電能力，四部大型太陽能電池翼總發(fā)電功率是90千瓦。
和平號空間站
天宮空間站的供電配置則是四兩撥千斤，問天號與夢天號兩個實驗艙尾部均有一段小桁架，桁架上各有一部大型太陽能電池翼。
可以說國際空間站并非嚴(yán)格意義上的桁架式空間站，天宮空間站也并非嚴(yán)格意義上的積木式空間站，適合的才是最好的，因此以空間站結(jié)構(gòu)樣式為標(biāo)準(zhǔn)評定性能優(yōu)劣早已是不合時宜的思維邏輯。
天宮空間站大型電池翼安裝在短桁架上
天宮兩部大型太陽能柔性電池翼應(yīng)用了“三結(jié)砷化鎵電池”，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了30%以上，一部電池翼發(fā)電功率即可達(dá)40千瓦，是國際空間站太陽能電池翼發(fā)電能力的將近兩倍，兩部電池翼加上核心艙電池翼發(fā)電功率可達(dá)100千瓦以上。
砷化鎵柔性太陽能電池翼
除此之外，國際空間站4部太陽能電池翼在進行電力傳輸時還需要專門的散熱板進行溫控，而天宮卻不需要，進一步證明我們在發(fā)供電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對400噸級國際空間站的反超。
國際空間站用于發(fā)供電溫控的散熱板
如此澎湃的電力只用于百噸級空間站顯然是大材小用，筆者前文在描述天宮空間站核心艙時刻意使用了“天和一號”的型號名稱，因為我們還有“天和二號擴展核心艙”，此前載人航天工程總師周建平也明確承認(rèn)目前的百噸級規(guī)模只是天宮的“初期規(guī)?！?。
擴展核心艙發(fā)射計劃
具體擴展方案是，天和二號擴展核心艙大柱段后端通道直接對接天和一號核心艙節(jié)點艙軸向?qū)涌?，然后再發(fā)射兩個不帶大型太陽翼的20噸級實驗艙與天和二號對接，爾后將天和一號核心艙兩片電池翼分別移動至問天號實驗艙Ⅰ與夢天號實驗艙Ⅱ小型桁架上，如此一來天宮空間站在軌規(guī)模直接翻一番，逼近200噸級，科研機柜數(shù)量乘以2達(dá)到46個，綜合效能徹底超越國際空間站。
天宮空間站二期擴展構(gòu)型
二期擴展型天宮空間站對接口數(shù)量也將由此前的3個增至4個，能夠同時對接三艘神舟載人飛船與一艘天舟貨運飛船，空間站額定載員人數(shù)將由3人增至6人，輪換期間最大載員人數(shù)可達(dá)9人。
正所謂好馬配好鞍，當(dāng)前承擔(dān)天宮空間站天地往返任務(wù)的是神舟與天舟兩型飛船，神舟是久經(jīng)考驗的三艙構(gòu)型載人飛船，它可以勝任3名航天員的天地往返運輸任務(wù)，同時軌道艙與返回艙分別具備一定的貨物上行與下行能力。天舟則是當(dāng)今世界載荷比最高的貨運飛船，發(fā)射質(zhì)量近13噸，可以承運6.5噸貨物補給空間站。
天舟貨運飛船
神舟與天舟都是天宮空間站得以順利運行的關(guān)鍵裝備，但航天人并不滿足于此。去年5月5日執(zhí)行天宮空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證階段首次飛行任務(wù)的長征5B遙一運載火箭成功發(fā)射，驗證了22噸級近地軌道運載能力，驗證載荷就是我國旨在用于載人登月任務(wù)的新一代載人飛船試驗船。
新一代載人飛船試驗船自立項伊始就確立了兩大應(yīng)用場景，一個是21.6噸的深空載人版本，可用于載人登月、載人登小行星、載人登火星等深空載人任務(wù)；另一個就是14噸級近地軌道版本，此版本飛船可承擔(dān)6至7名航天員的空間站天地往返運輸任務(wù)。
新一代載人飛船試驗船
新一代載人飛船返回艙可重復(fù)使用，不論是運輸效率還是發(fā)射成本相較于神舟載人飛船都是質(zhì)的提升，長征七號是近地軌道版新一代載人飛船的標(biāo)配火箭。
天舟貨運飛船雖然載荷比做到了世界頂級水平，但也有運力過剩的問題。與之對比國際空間站則有進步號、天鵝座、龍、HTV共四型貨運飛船，運力有大有小，選擇更靈活。
核心艙大柱段后端通道用于對接貨運飛船
為了解決天宮空間站高效低成本補給問題，今年年初載人航天辦公室發(fā)布了“面向空間站運營的低成本貨物運輸”方案設(shè)想的公告，該公告具體提出了兩個型號要求，一是具備1至4噸貨運上行能力，二是具備100至300公斤貨運下行能力，從而完善天宮空間站天地往返運輸體系。根據(jù)當(dāng)前我國航天工業(yè)實力，研制這兩款飛船并不存在難度，因此需要招標(biāo)遴選最優(yōu)方案。
貨運飛船將不止天舟一款
正所謂能力越大責(zé)任也就越大，天宮空間站不僅要在硬件水平上超越國際空間站，還要在運行機制上超越。
國際空間站雖冠名國際，實際卻是名不副實。作為400噸級國際空間站主要參建方的北方強鄰只有兩個5噸級微型實驗艙可用，連一個像樣的科研機柜都沒有。歐空局為國際空間站的建設(shè)也出了很多力，他們僅有的一個哥倫布實驗艙還要分出一半空間給NASA。
堂堂航天大國只能蝸居于此做實驗
天宮空間站則完全不同，這是一座由我國獨立建造的國家級太空實驗室，首先在方案設(shè)計與實施上少了很多掣肘因素，標(biāo)準(zhǔn)更統(tǒng)一。
再就是我們面向聯(lián)合國所有成員國開放，這在人類航天史上還是第一次。當(dāng)前已有來自17個國家的9個科研項目成功入選天宮空間站首批合作清單，我們免費提供這些科研項目的上行運輸服務(wù)，并提供在軌空間實驗場所，但同時所獲得的科研數(shù)據(jù)必須無條件與我們共享。
第一批入選天宮空間站的外方實驗項目
天宮合作模式是真正的互利共贏，一方面我們用最小的成本收獲大量科研成果，另一方面項目申請國也能得到空間應(yīng)用能力的切實提升，這與國際空間站的門戶有別完全不同，使得空間站運營工作可以更加聚焦科研產(chǎn)出，避免不必要的資源消耗。
通過硬件技術(shù)水平與運營模式的多番對比后，兩座空間站孰優(yōu)孰劣相信大家都有了答案。
即將發(fā)射天和一號核心艙的長征五號B遙二火箭
想必也有人會說天宮是鉆了“后發(fā)優(yōu)勢”的空子，然而后發(fā)優(yōu)勢是為我們專屬定制的嗎？
要知道，天宮是我國一力承擔(dān)，而國際空間站則是多國共同參建。正如文章開頭指出的那樣，技術(shù)與國力的雙重考驗造就了載人航天的高難度，而放眼全球能同時駕馭這兩大考驗的玩家屈指可數(shù)，這就是天宮空間站可以一枝獨秀的關(guān)鍵所在。
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