载人航天被认为是当今世界技术最复杂、难度最大的航天工程 ， 技术与国力的双重考验造就了它的高难度 。
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神舟载人飞船返回舱吊装
我国载人航天工程最早可以追溯至上世纪六十年代末至七十年代初的“714曙光一号工程” ， 从技术角度观察 ， 当时东方红一号与实践一号两颗卫星相继发射 ， 初步具备了进入空间能力 。
脱胎于“八年四弹”工程的长征二号系列运载火箭也在加速推进 ， 上世纪七十年代中期返回式卫星技术攻克 ， 具备了航天器天地往返能力 ， 研制一款3吨级载员两人类似双子星座号的载人飞船并不存在无法逾越的技术难关 。
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曙光一号飞船方案
受限于国力 ， 在那个年代并不是推进载人航天工程的最佳时机 ， 虽然最终工程计划取消 ， 但不可否认的是 ， 上世纪六七十年代的航天能力积累为后续载人航天工程的跨越式发展奠定了坚实基础 。
比如运载火箭发射场、远望号航天测量船队、陆基航天测控网、航天员的选拔与训练、飞船外形设计与风洞试验、关键单机系统研制等工作在那一时期皆取得了重大进展 ， 新世纪发射神舟载人飞船的长征2F载人火箭也源自那一时代的长征二号运载火箭 。
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诞生于上世纪七十年代的远望二号航天测量船
当时间进入上世纪九十年代初 ， 国内生产总值对比上马曙光一号飞船的时代翻了两番 ， 具备了重启载人航天工程的物质条件 。 与此同时 ， 返回式卫星发射数量也已经有两位数 ， 天地往返技术更趋成熟 ， 长征二号E型运载火箭的研制进程虽然跌跌撞撞但最终也收获了成功 ， 掌握了10吨级近地轨道航天器发射能力 。
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返回式卫星
在这样一个背景下举世瞩目的“921载人航天工程”于1992年9月21日正式上马 ， 确立了“三步走”发展规划 。
历经二十八年发展如今我们已经成功发射6艘神舟载人飞船与1艘天舟货运飞船 ， 天宫一号目标飞行器与天宫二号空间实验室相继成功部署 ， 连续将14人次航天员送入太空并安全返回地球 。
攻克了载人天地往返、多人多天、航天员出舱行走、空间交会对接、燃料在轨补加、航天员中期驻留等核心技术 ， 为最终建成大型载人空间站做好了技术储备与能力储备 ， 圆满完成了载人航天工程三步走战略中的前两步 。
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太空中的神舟11号载人飞船
2019年7月19日21时06分 ， 天宫二号空间实验室受控离轨再入大气层 ， 自那时开始载人航天工程全线转入备战天宫空间站 ， 载人航天工程第三步战略全面拉开帷幕 。
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天宫二号空间实验室
当时间进入2021年4月 ， 距离天宫空间站天和一号核心舱发射升空的日子也越来越近 ， 此时此刻人们最关注的自然是天宫空间站的能力问题 ， 与国际空间站相比我们的空间站究竟处于怎样一个水平？现在是到了该好好对比一下的时刻了 。
对比先发玩家 ， 北方强邻的联盟系列飞船已经实施142次载人发射 ， 这还不包括他们的东方号与上升号两代载人飞船发射记录 。 大洋彼岸包括水星计划、双子星座计划、阿波罗计划、天空实验室计划、载人龙飞船在内共实施过30次载人飞船发射 ， 5架航天飞机也累计执行了135次载人飞行任务 。
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联盟载人飞船 MS-17飞行任务
载人航天领域两个手执牛耳的玩家更是合力打造了人类迄今为止规模最大技术难度最高的国际空间站 ， 创造了一系列空前纪录与科研成果 。
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国际空间站
一切过往 ， 皆为序章 。 面对人类航天的辉煌历史 ， 天宫空间站正在用实际行动书写属于自己的篇章 。
我国载人航天工程从立项伊始就提出“造船为建站 ， 建站为应用” ， 国际空间站的运营目标同样也是应用 ， 怎么应用？通过部署科学实验设施进行科研产出 ， 进而服务地球人类 ， 科研机柜的数量是衡量一座空间站应用效能的重要指标 。
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神舟七号载人飞船
国际空间站在轨质量高达420吨 ， 天宫空间站一期工程则是百吨级 。 前者的科研机柜数量是31个 ， 后者则是23个 。
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天宫空间站科研机柜
国际空间站在轨规模是天宫的4倍有余 ， 然而科研机柜数量仅为天宫的1.3倍 ， 后者用更小规模实现与前者等量齐观的科研能力 ， 由此可见天宫的空间利用率更高 。
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天宫空间站天和一号核心舱
问题来了 ， 造成这一数据反差的原因是什么？
还得从空间站的设计结构分析 ， 国际空间站被认为是第四代载人空间站 ， 标志就是应用了桁架结构 。 所谓桁架式空间站指的是舱体依托桁架结构搭建 ， 与之对应的则是舱体与舱体对接的第三代积木式空间站 ， 代表型号是和平号 。
国际空间站虽然应用了桁架结构 ， 但其内在仍然是积木式 ， 420吨规模中供航天员工作生活的舱段规模仅有180吨左右 ， 这些舱段是以积木式结构组合在一起 。
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国际空间站积木式结构
【载人航天|天宫空间站两个核心舱，二期扩展工程宣示雄心！力压国际空间站】180吨舱体规模受限于参建方的标准不一 ， 以及舱体研发时代的技术局限性 ， 又导致大量的空间浪费与闲置 。
例如 ， 部署于世纪之交的曙光号核心舱、团结号节点舱、星辰号服务舱三个舱体规模就高达50吨 。
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国际空间站的骨干舱段
曙光号虽然名为核心舱但现在发挥的功能仅是储存燃料 ， 集生命保障、轨道控制、制导导航等功能于一体的星辰号服务舱则发挥着核心舱功能 。 用于连接其他舱段的团结号节点舱与曙光号对接 ， 由于两家对接口尺寸无法兼容因此需要附加一个对接适配器 。
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黑色部分即是团结号的对接适配器
与之对比 ， 天宫空间站一个20吨级的天和一号核心舱就满足了国际空间站上述三大舱段的功能需求 ， 该舱段从外形看分为“大柱段”与“小柱段”两部分 ， 以功能分区则分为资源舱、生活控制舱、节点舱三部分 。
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天和一号核心舱大柱段
资源舱配置有推进剂贮箱以及姿轨控动力系统 ， 除此之外还应用了霍尔电推力器用于补偿大气阻力带来的轨道高度损失 ， 这是人类首次将电推动力用于载人航天器 。
电推动力优势是可以减轻货运补给压力 ， 降低货运飞船发射频次 ， 节约运营成本 ， 还能缩小常规推进剂贮箱尺寸 ， 增大舱内可使用空间 。
生活控制舱大柱段部分是空间站总体控制设备安装位置 ， 除此之外还有部分科研设备安装位置 。 与之对比 ， 国际空间站曙光号+团结号+星辰号50吨级舱段都没能实现平台控制与科研实验两项任务的兼容 。
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天和一号核心舱结构设计
生活控制舱小柱段配置有三个睡眠区、一个锻炼区、两个平台设备区 ， 以及一个未解密区域 。 与之对比 ， 国际空间站星辰号服务舱也是20吨级舱段却只有两个睡眠区 。
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天和一号大柱段内部
小柱段末端则是节点舱 ， 它可以提供1个轴向对接口、1个侧向对接口、2个侧向对接停泊口 ， 加上大柱段后端通道 ， 天和一号核心舱总计有5个对接口 ， 可以同时对接三艘飞船 ， 以及停泊两座大型实验舱段 。
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节点舱
国际空间站大多数对接口受限于对接次数限制 ， 需要附加舱段过渡才能与载人飞船对接 ， 而天和一号核心舱节点舱无需任何附加舱段可直接与飞船对接 。
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国际空间站码头号附加对接舱
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神舟飞船可直接与节点舱对接
除此之外节点舱还兼具气闸舱功能 ， 是航天员实施出舱活动的转换通道 ， 出舱口位于节点舱天顶方向 。
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节点舱航天员出舱口
小柱段外围还配置有一部承载力达25吨的10米长“七自由度大型空间机械臂” ， 机械臂首尾两端配置相同 ， 可经由在空间站外壁布置的“电力数据抓取夹具”实现机械臂在舱体表面的爬行移动 。 国际空间站也有布置于桁架的同类空间机械臂 ， 但其部署成本显然更高 。
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黑色柱体即是天和一号核心舱机械臂
国际空间站的空间利用率之所以相对较低主要有两个原因 ， 一方面是因为部分舱段设计年代久远功能单一占用了大部分舱段空间 ， 另一方面是空间利用过于靡费 。
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国际空间站宁静号节点舱
例如 ， 用于舱段对接的宁静号节点舱规模就有19吨 ， 国际空间站十几个舱段中真正用于科研实验的舱段也只有3个 ， 分别是命运号实验舱、哥伦布实验舱、希望号实验舱 ， 舱段规模均没有超过20吨 。
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与团结号节点舱对接的命运号实验舱
天宫空间站则是物尽其用 ， 有两个20吨级大型实验舱 ， 分别是问天号实验舱Ⅰ与梦天号实验舱Ⅱ ， 两个实验舱先后与天和一号节点舱轴向对接口对接 ， 尔后由转位机械臂移动至节点舱侧向停泊对接口完成转位组装 。
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天宫实验舱转位组装
两个大型实验舱相较于天和一号核心舱更是别有洞天 ， 它们是天宫空间站23个科研机柜的主要布放场所 ， 问天号实验舱Ⅰ还配置有供航天员实施出舱作业的专用气闸舱 ， 功能类似国际空间站的寻求号气闸舱 。
问天号实验舱Ⅰ部署到位后天和一号节点气闸舱转为备份气闸舱 ， 问天号舱壁外还配置有一部5米长七自由度机械臂 ， 它可以与核心舱10米长主机械臂对接形成长度达15米的大型机械臂 ， 配合主机械臂舱体爬行功能 ， 可实现空间站外表面全触达 。
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问天号实验舱Ⅰ明年发射
梦天号实验舱Ⅱ在早期设计方案中还有一部大口径巡天光学望远镜 ， 但考虑到光学设施需要微振动工作环境以及镜头调向需求 ， 结合国力增强因素 ， 在最终空间站设计方案中大口径巡天光学望远镜被设计成了与天宫空间站共轨运行的“巡天光学舱” 。
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天宫早期设计方案中的空间光学望远镜
巡天光学舱也是20吨级大型舱段 ， 配置2米口径离轴三反光学望远镜 ， 具有强大的国际竞争力 ， 在保持与哈勃空间望远镜同等量级分辨率条件下视场大300倍 ， 角分辨率0.15″ ， 工作在紫外-近红外波段 ， 可在宇宙加速膨胀、暗能量本质、暗物质属性、检验宇宙学模型、引力波源对应体、银河系三维结构、天体测量、恒星、黑洞、星系等领域展开观测研究工作 。
平时巡天光学舱与天宫空间站共轨运行 ， 需要在轨维修时则与天和一号核心舱节点舱轴向对接口对接 ， 相较于哈勃空间望远镜每一次维修都需要发射航天飞机相比 ， 巡天光学舱维修成本更低 。
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巡天光学舱
解放光学设备安装空间的梦天号实验舱Ⅱ一下子多出了一大截空置舱段 ， 怎么办？研发团队别具匠心地将此处设计成了“可展开式暴露实验平台” ， 该平台还配置有货物专用气闸舱 ， 是实验载荷进出空间站的转换通道 。
梦天号实验舱Ⅱ综合科研能力可对标国际空间站的希望号实验舱 ， 顺带提一下问天号实验舱Ⅰ舱壁外表面也配置有数量可观的外部实验载荷挂点 。
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可展开式暴露平台
前文提到百吨级天宫空间站科研产出能力与400吨级国际空间站等量齐观 ， 那么我们能不能最终超越呢？天宫空间站的电力供应能力早已为此埋下了伏笔 。
还是再回到国际空间站的桁架式设计 ， 大型综合桁架结构的设计初衷就是为了布置大型太阳能电池翼 ， 以规避和平号积木式空间站电池翼相互之间存在的严重遮挡问题 ， 进而提高发供电能力 ， 四部大型太阳能电池翼总发电功率是90千瓦 。
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和平号空间站
天宫空间站的供电配置则是四两拨千斤 ， 问天号与梦天号两个实验舱尾部均有一段小桁架 ， 桁架上各有一部大型太阳能电池翼 。
可以说国际空间站并非严格意义上的桁架式空间站 ， 天宫空间站也并非严格意义上的积木式空间站 ， 适合的才是最好的 ， 因此以空间站结构样式为标准评定性能优劣早已是不合时宜的思维逻辑 。
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天宫空间站大型电池翼安装在短桁架上
天宫两部大型太阳能柔性电池翼应用了“三结砷化镓电池” ， 光电转换效率达到了30%以上 ， 一部电池翼发电功率即可达40千瓦 ， 是国际空间站太阳能电池翼发电能力的将近两倍 ， 两部电池翼加上核心舱电池翼发电功率可达100千瓦以上 。
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砷化镓柔性太阳能电池翼
除此之外 ， 国际空间站4部太阳能电池翼在进行电力传输时还需要专门的散热板进行温控 ， 而天宫却不需要 ， 进一步证明我们在发供电领域实现了对400吨级国际空间站的反超 。
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国际空间站用于发供电温控的散热板
如此澎湃的电力只用于百吨级空间站显然是大材小用 ， 笔者前文在描述天宫空间站核心舱时刻意使用了“天和一号”的型号名称 ， 因为我们还有“天和二号扩展核心舱” ， 此前载人航天工程总师周建平也明确承认目前的百吨级规模只是天宫的“初期规模” 。
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扩展核心舱发射计划
具体扩展方案是 ， 天和二号扩展核心舱大柱段后端通道直接对接天和一号核心舱节点舱轴向对接口 ， 然后再发射两个不带大型太阳翼的20吨级实验舱与天和二号对接 ， 尔后将天和一号核心舱两片电池翼分别移动至问天号实验舱Ⅰ与梦天号实验舱Ⅱ小型桁架上 ， 如此一来天宫空间站在轨规模直接翻一番 ， 逼近200吨级 ， 科研机柜数量乘以2达到46个 ， 综合效能彻底超越国际空间站 。
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天宫空间站二期扩展构型
二期扩展型天宫空间站对接口数量也将由此前的3个增至4个 ， 能够同时对接三艘神舟载人飞船与一艘天舟货运飞船 ， 空间站额定载员人数将由3人增至6人 ， 轮换期间最大载员人数可达9人 。
正所谓好马配好鞍 ， 当前承担天宫空间站天地往返任务的是神舟与天舟两型飞船 ， 神舟是久经考验的三舱构型载人飞船 ， 它可以胜任3名航天员的天地往返运输任务 ， 同时轨道舱与返回舱分别具备一定的货物上行与下行能力 。 天舟则是当今世界载荷比最高的货运飞船 ， 发射质量近13吨 ， 可以承运6.5吨货物补给空间站 。
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天舟货运飞船
神舟与天舟都是天宫空间站得以顺利运行的关键装备 ， 但航天人并不满足于此 。 去年5月5日执行天宫空间站关键技术验证阶段首次飞行任务的长征5B遥一运载火箭成功发射 ， 验证了22吨级近地轨道运载能力 ， 验证载荷就是我国旨在用于载人登月任务的新一代载人飞船试验船 。
新一代载人飞船试验船自立项伊始就确立了两大应用场景 ， 一个是21.6吨的深空载人版本 ， 可用于载人登月、载人登小行星、载人登火星等深空载人任务；另一个就是14吨级近地轨道版本 ， 此版本飞船可承担6至7名航天员的空间站天地往返运输任务 。
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新一代载人飞船试验船
新一代载人飞船返回舱可重复使用 ， 不论是运输效率还是发射成本相较于神舟载人飞船都是质的提升 ， 长征七号是近地轨道版新一代载人飞船的标配火箭 。
天舟货运飞船虽然载荷比做到了世界顶级水平 ， 但也有运力过剩的问题 。 与之对比国际空间站则有进步号、天鹅座、龙、HTV共四型货运飞船 ， 运力有大有小 ， 选择更灵活 。
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核心舱大柱段后端通道用于对接货运飞船
为了解决天宫空间站高效低成本补给问题 ， 今年年初载人航天办公室发布了“面向空间站运营的低成本货物运输”方案设想的公告 ， 该公告具体提出了两个型号要求 ， 一是具备1至4吨货运上行能力 ， 二是具备100至300公斤货运下行能力 ， 从而完善天宫空间站天地往返运输体系 。 根据当前我国航天工业实力 ， 研制这两款飞船并不存在难度 ， 因此需要招标遴选最优方案 。
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货运飞船将不止天舟一款
正所谓能力越大责任也就越大 ， 天宫空间站不仅要在硬件水平上超越国际空间站 ， 还要在运行机制上超越 。
国际空间站虽冠名国际 ， 实际却是名不副实 。 作为400吨级国际空间站主要参建方的北方强邻只有两个5吨级微型实验舱可用 ， 连一个像样的科研机柜都没有 。 欧空局为国际空间站的建设也出了很多力 ， 他们仅有的一个哥伦布实验舱还要分出一半空间给NASA 。
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堂堂航天大国只能蜗居于此做实验
天宫空间站则完全不同 ， 这是一座由我国独立建造的国家级太空实验室 ， 首先在方案设计与实施上少了很多掣肘因素 ， 标准更统一 。
再就是我们面向联合国所有成员国开放 ， 这在人类航天史上还是第一次 。 当前已有来自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 ， 我们免费提供这些科研项目的上行运输服务 ， 并提供在轨空间实验场所 ， 但同时所获得的科研数据必须无条件与我们共享 。
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第一批入选天宫空间站的外方实验项目
天宫合作模式是真正的互利共赢 ， 一方面我们用最小的成本收获大量科研成果 ， 另一方面项目申请国也能得到空间应用能力的切实提升 ， 这与国际空间站的门户有别完全不同 ， 使得空间站运营工作可以更加聚焦科研产出 ， 避免不必要的资源消耗 。
通过硬件技术水平与运营模式的多番对比后 ， 两座空间站孰优孰劣相信大家都有了答案 。
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即将发射天和一号核心舱的长征五号B遥二火箭
想必也有人会说天宫是钻了“后发优势”的空子 ， 然而后发优势是为我们专属定制的吗？
要知道 ， 天宫是我国一力承担 ， 而国际空间站则是多国共同参建 。 正如文章开头指出的那样 ， 技术与国力的双重考验造就了载人航天的高难度 ， 而放眼全球能同时驾驭这两大考验的玩家屈指可数 ， 这就是天宫空间站可以一枝独秀的关键所在 。
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