为什么修一个“不如”国际空间站的天宫?

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中国空间站能比得过国际空间站么?答案是:并“比不过”,那为什么还要这样弄?

90年代初,随着苏联解体,计划发展的下一个和平号空间站破产,美国也在计划发展自家的自由号空间站(Freedom)。俄罗斯独立后,二者的空间站方案一拍即和,决定共建一个空间站,同时接受世界上主要国家加入的申请,这个方案便是自1998年运行到今天的国际空间站,它是个标准的第四代空间站。

相比较第三代空间站和平号,桁架结构的使用则使得整个空间站结构更大、功能更加复杂、扩展空间更大。可以从建设过程明显看出,桁架质量甚至超过了普通舱段。时至今日,国际空间站已经成长为一个宽109米、长73米、高20米、重达419吨、内部容积916立方米的空间巨无霸,相当于一栋七层楼高的小型体育场。自从2000年11月2日首次载人任务以来,它已经连续保持了21年载人飞行,每年8次左右货运对接和4次左右载人对接,一个批次的宇航员停留时间大概半年左右。

20年来的运转,国际空间站完成了数不清的科学实验,为人类科技进步和航天技术发展做出了巨大贡献。它是人类载人航天的最高技术体现,也孕育了各个国家的各种载人航天相关器具,例如美国的航天飞机(载人/货运)、龙飞船(货运)、龙-2飞船(载人)、天鹅座(货运),俄罗斯的进步号(货运)和联盟号(载人),欧盟的ATV(货运),日本的HTV(货运)。它的特殊环境也促使了国际上关于天文观测、对地遥感、航天医学、植物育种等多方面技术的快速进步,成为一个独一无二的科研平台。目前它依然处在很好的运营状态,除役时间在逐渐延期。

那么,我国天宫最后采取了和平号的第三代模块积木式方案,和国际空间站为什么设计方案不同?

a、相对于第一和二代空间站,第三代空间站已经是一个非常大的跨越,全方位的。第四代空间站的确可以依赖桁架式结构做到更大更强,但并没有巨大的优势;

b、大型空间站往往需要更加强力的运载器具,国际空间站离了极其昂贵的航天飞机(平均15亿美元一次)是根本不可能建成的,但这也导致它的建造费用爆增,20年来总费用超过了2000亿美元!我国目前最强的长征五号与质子K是同一级别火箭,但不足以建设大型桁架式的结构,或者强行改第四代空间站方案建造费用将是个天文数字;

c、国际空间站的运营费用已经极高,例如国际空间站常年保持6人在轨生存,半年左右进行轮换。在龙-2出现之前,联盟飞船垄断,但一张船票就需要8100万美元,太贵了!而维持运行也需要大量货运飞船前往,费用极其高昂。每年总费用在30亿美元,够中国完成现有嫦娥探月了。

d、因为技术后发优势,实际上中国的小型空间站(100吨级)能完成的事情不亚于国际空间站。之前发博讲过各种细节,这个放在最后,但非常重要。

例如三大绝活:

1、离子电推进发动机维持轨道。这种发动机采用将惰性气体电离并高速喷出的方式产生微弱推力,可以近乎无限时间连续工作,对于对抗400千米高轨道上微弱的空气阻力、保持轨道大有益处。而且消耗推进剂极少,未来天宫的货运补给次数相较国际空间站(传统推进方式)会大幅减少。

2、柔性太阳能电池板。和这些年比较流行的柔性屏一样,柔性的设计相比之前的机械折叠展开让太阳能电池板有更多使用和扩展空间,且使用了目前国际上最先进的三结砷化镓材料,产生电能效率更高。等两个实验舱发射后,别看核心T结构总重只有60吨,理论上电能产出甚至不亚于420吨的国际空间站。

3、机械臂。这是模块化空间站能够组建的核心器件之一。天宫的长达10米、7个自由度、可抓取25吨物体(失重环境)自由移动,未来各种对接、出舱、维修等,都会有它大展身手的空间。

因而,对于我国而言,选择建立一个第三代空间站已经足够完成绝大部分任务目标。长期保持3人在轨运行,用现有的长5B(重型建设工作)、长7(天舟货运飞船)和长2F(神舟载人飞船)火箭即可支撑,性价比显然要高很多。

实际上,天宫空间站方案也很灵活。在运行中,天宫空间站将同一个光学舱段共轨飞行。该光学舱是一个十几吨的大型巡天望远镜,在很多指标上都接近甚至超过哈勃太空望远镜,视场角是哈勃的300多倍。这种共轨方案减少了对望远镜的干扰,同时如果望远镜出类似哈勃曾经的质量问题时,也有可能维护升级。同时,核心舱还保有备用对接口等,如有需要可以将天宫空间站进一步升级成更大版本,例如改成十字型。这些设计理念是非常先进实用的。

我国航天依然处在追赶阶段,但已经在从跟跑努力到并跑,争取未来领跑,有太多地方需要花钱,即便再怎么多快好省也要避免航天人“巧妇难为无米之炊”的窘境,天宫空间站保持一个超高性价比建设和运营方案,对于我国是最优解。

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90年代初,随着苏联解体,计划发展的下一个和平号空间站破产,美国也在计划发展自家的自由号空间站(Freedom)。俄罗斯独立后,二者的空间站方案一拍即和,决定共建一个空间站,同时接受世界上主要国家加入的申请,这个方案便是自1998年运行到今天的国际空间站,它是个标准的第四代空间站。