这次三位航天员为什么要上太空（载人航天总设计师）

✪ 周建平 中国载人航天工程总设计师

【导读】今天，2022年4月16日，神舟十三号载人飞船返回舱成功着陆，航天员安全顺利出舱，身体状态良好。据报道，2022年，我国将完成空间站在轨建造，建成在轨稳定运行的太空实验室。随着国际空间站日渐老化，加之美俄矛盾也对国际空间站运行造成影响，中国空间战的重要性开始凸显。人们发问，由美俄欧日等主导的国际空间站长期处于领先位置，并将中国拒之门外，而今中国正迎头赶上，这究竟是如何做到的？中国为什么要建设空间站？未来又将向何处去？

本文是中国载人航天工程总设计师周建平于2013年发表的论文《我国空间站工程总体构想》，系统论述我国空间站工程的战略目标、总体构想、技术路线、技术特色、实现途径以及国际合作等问题。周建平介绍，1992年中国载人航天工程立项，确定“三步走”的发展战略目标，并提出清晰的技术路线。从载人飞船上天到出舱行走，再到空间交会对接，30年以来，每一步、每阶段的规划都得到坚定执行，使得中国空间站建设得以高速推进。

美、俄是世界唯二的掌握全套空间站技术体系的国家，相比之下，我国目前仍有差距。但是，通过空间站组装建造和初步运营，我国将全面系统地掌握空间站技术，形成建造和运营长期大型复杂载人空间设施的能力。周建平认为，空间站建成后，在控制、信息、电源、资源再生利用，物资补给需求，运营成本，应用效益等方面，我国将达到国际先进水平并在一些方面有所超越，并且更为经济合理。我国空间站建成运营后，未来某段时间可能会成为国际上唯一在轨运行的空间站，并将积极开放空间站工程的国际合作。他认为，中国空间站将代表未来空间站发展的重要方向。

本文原载《载人航天》2013年第1期，原题为《我国空间站工程总体构想》。文章仅代表作者观点，供诸君参考。

我国空间站工程总体构想

载人航天工程是当今世界高新技术发展水平的集中展示，是衡量一个国家综合国力的重要标志。回顾世界载人航天发展50余年的历史，各国载人航天计划的提出和实施，无不是首先基于国家发展战略的考虑。

上世纪六十年代起，美苏两国为争夺世界霸权地位，展开了激烈的太空竞赛。1961年4月12日，苏联发射东方号飞船，完成了人类首次载人航天飞行，震惊了全世界，也刺激美国下决心加大在航天领域的投入，以改变其在太空竞赛中落后的局面。1961年4月20日，美国总统肯尼迪询问副总统约翰逊对太空计划的意见，约翰逊回复说:“我们既没有尽最大努力，也没有达到让美国保持领先的程度。”，“登月计划不仅可行，也绝对可以使美国在太空竞赛中获得领先地位。”于是，美国不惜举全国之力，启动了“阿波罗”计划，旨在通过实现载人登月，在载人航天这一最能体现综合国力领域取得领先优势。

1969年7月21日，美国成功实现人类首次登月。首位登月航天员阿姆斯特朗踏上月球时说的“这是个人的一小步，却是人类的一大步”，生动表达了人类载人航天活动的巨大意义和影响力。苏联在登月失利后，侧重发展空间站，在空间站建造和运营方面取得了领先地位。“阿波罗”计划之后，美国先后实施了航天飞机计划和国际空间站计划。

2004年，美国总统布什宣布的“空间探索新构想”及其后批准的“星座计划”是“阿波罗”时代以来美国最为雄心勃勃的无人和载人空间探索计划。美国空间探索政策执行委员会的报告认为，重返月球，并对火星及更远星体进行探索，对保持美国技术领先地位，增强经济活力，维护国家安全，提高美国人民生活不可或缺。美国总统奥巴马上台后认为，“星座计划”中重返月球任务采用的是与“阿波罗”计划相似的技术去实现曾经完成过的目标，创新意义不足。美国应该采用更为先进、可靠的技术将人送到月球以远的小行星、火星等新的目的地。为此，提出了瞄准“月球以远”的载人航天任务目标，以保持和展现美国在航天技术上的领先地位和能力。

▍发展载人航天技术是国家重大战略决策

上个世纪80年代，面对世界科技进步突飞猛进、综合国力竞争日趋激烈的形势，中央作出了实施“高技术研究发展计划（863计划）”的重大决策，对我国尖端科技事业的发展进行了全面部署，航天技术成为863计划中的七大领域之一，并成立了航天领域专家委员会。该委员会经过深入论证，提出了以载人飞船起步，推动我国载人航天技术发展的建议。其后，原国防科工委组织进行了载人飞船工程技术经济可行性论证。

1992年，中央做出了实施载人航天工程的重大战略决策，确定了三步走的发展战略目标：第一步，在2002年前，发射两艘无人飞船和一艘载人飞船，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，在第一艘载人飞船发射成功后，大约在2007年左右，突破载人飞船和空间飞行器（如轨道舱）的交会对接技术，并利用载人飞船技术改装、发射一个8吨级的空间实验室，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20吨级的空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

我国载人航天工程第一步任务，即载人飞船工程，于1999年至2002年成功进行了四次无人飞行试验。2003年，乘载航天员杨利伟的神舟五号飞船成功完成了我国首次载人航天飞行。2005年，神舟六号飞船成功实现了“多人多天”载人航天飞行，航天员费俊龙、聂海胜飞行5天后安全返回，使我国突破和掌握了载人天地往返基本技术，成为世界上第三个能够独立自主开展载人航天活动的国家。中华民族从此在这一尖端高技术领域占有了一席之地。

2005年2月，中央批准实施载人航天工程第二步第一阶段任务。主要任务目标为：一是实施航天员出舱活动，突破航天员出舱活动技术；二是实施航天器交会对接任务，突破和掌握航天器交会对接技术；三是开展有效的空间应用、空间科学与技术实验；四是为工程进一步的发展创造基本条件。为实现上述任务目标，工程计划安排一次航天员出舱活动，三次交会对接试验。

2008年，神舟七号载人航天飞行任务成功完成，翟志刚着我国研制的“飞天”舱外航天服，在刘伯明和景海鹏的协同下完成了我国首次出舱活动。2011年天宫一号目标飞行器成功发射入轨，2011和2012年，天宫一号分别与神舟八号和神舟九号成功进行了无人交会对接和载人交会对接。景海鹏、刘旺和刘洋在轨飞行13天，其中在天宫一号与神舟九号组合体中工作、生活10天，并完成了我国首次人工控制交会对接。2013年，我国还将发射神舟十号，再次将3名航天员送入天宫一号访问和驻留，完成各项试验任务。

2005年12月，国务院颁布《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020年），将载人航天与探月工程列为国家科技重大专项，并明确指出“载人航天与探月工程，是国家综合国力和科技水平的重要体现……该专项的实施，可大大提高我国的国际威望，增强民族凝聚力，并在航天领域未来的国际竞争和合作中处于有利位置。”

2010年9月，中央批准实施空间站工程，明确我国空间站工程的战略目标是：在2020年前后，建成和运营近地空间站，使我国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术，具备长期开展近地空间有人参与科学技术实验和综合开发利用太空资源能力的国家。

我国载人航天事业二十年科学发展和实践充分证明，实施载人航天工程，是中央着眼世界科技革命迅猛发展的时代背景、我国社会主义现代化建设全局的一项重大战略决策。如同当年发展“两弹一星”一样，建设具有世界先进水平的、与我国大国地位相适应的载人航天能力，是提升国家核心竞争力和科技创新力的现实需要。在本世纪二十年代初建成的空间站必将成为实现中华民族伟大复兴、实现中国梦、建设中国特色社会主义现代化强国的重要标志之一。

(从2021年10月16日至2022年4月16日的183天，中国航天员翟志刚、王亚平、叶光富完成了我国迄今为止最长的载人飞行任务，中国空间站关键技术验证取得显著成效)

▍空间站工程要充分体现国家发展战略目标

我国载人航天三步走战略的第一步目标是掌握将人送入太空并安全返回的基本技术，第二步任务目标则是掌握建造空间站的关键技术，如出舱活动、交会对接以及载人空间组合体控制和运行技术等，为实施空间站工程奠定坚实的技术基础。这两步任务的完成使我国具备了建设空间站的基本技术能力。第三步任务的实施，将使我国成为世界上第三个建造和运营空间站的国家。从目前的国际空间站计划看，我国空间站将有可能成为2020年后唯一运行的大型载人空间设施。

与美国和俄罗斯两个载人航天大国相比，我国目前在载人航天技术基础、研发保障、研发经验等诸多方面都还存在很大差距。空间站工程的实施，为我国载人航天缩小与世界先进水平的差距提供了前所未有的发展机遇，也使我们面临前所未有的巨大挑战。但只要积极勇敢面对挑战，充分利用后发优势，坚持以创新推动发展，用跨越加快技术进步，就一定能够建成具有鲜明时代特征和中国特色的空间站，为中华民族伟大复兴、实现富民强国的“中国梦”，为促进人类和平与发展的崇高事业做出应有贡献。

空间站工程在国家发展战略中的作用将主要表现在以下几个方面：

（1）提高民族自信心和自豪感，增强民族凝聚力，提升大国地位。我国载人航天发展成就举世瞩目，极大激发了全国人民的爱国热情和民族自信心，起到了巨大的凝聚中华民族的作用。空间站工程是我国载人航天工程持续发展的一个崭新阶段，更加先进的技术、更加强大的功能、更加广泛深入的科学研究和探索、长期持续的载人空间活动，将进一步拓展国家利益空间，对进一步增强我国的国际影响力和竞争力，提高我国的政治威望和大国地位发挥积极作用，产生深远影响。（2）建成功能完整、性能先进、效益突出的空间站工程大系统。在空间站工程阶段，我国将研制、发射、建造和运营由多个舱段构成的空间站和为之提供发射和运输服务的运载火箭、载人飞船、货运飞船，以及相应的地面支持系统，建成完整配套的空间站工程大系统。通过实施空间站工程，我国将全面掌握空间站技术，形成建造和运营大型复杂载人空间设施的强大能力，培养高素质的工程研制和管理队伍，带动航天和相关领域的科技创新和技术进步，为载人深空探索积累技术和经验，确立我国载人航天强国地位。（3）实现中国人长期在轨健康生活和有效工作。通过实施空间站工程，我国将掌握人在近地轨道长期生存、生活和工作的技术，充分发挥人在空间活动中不可替代的作用，开展科学研究、技术试验和探索活动。空间站工程将为扩大中华民族活动疆域和生存空间提供可靠的技术基础。（4）开展较大规模系统和连续的空间科学研究和空间应用。利用空间站这一近地空间大型科学实验和空间应用平台，开展较大规模、涉及多个学科领域的科学技术实验和空间应用，力争取得若干原创性科学成果，以及重大应用成果，为国民经济发展和社会进步服务，为人类文明进步做出应有的贡献。（5）进一步激发全民科学精神和创新热情。空间站工程将依托全国优势科研机构，建设开放性的空间科学平台，开展科学研究、科学普及和教育活动，积极扩大公众参与，为提高全民科学素养，激发青少年学科学、爱科学和用科学的热情做出重要贡献。（6）开展广泛的载人航天国际合作。在空间站工程研制、建造和运用过程中，将积极探索重大科学领域国际合作的模式和途径，积极推动开展广泛的国际（区域）合作，成为国际空间科学活动共用平台的提供者，为全球科学家共同从事探索太空、开发空间资源服务，进一步提升国家软实力。▍空间站工程总体方案构想

当前，我国已成为全球第二大经济体，人均GDP超过5000美元，是世界最大的发展中国家。到2020年，将全面建成小康社会。我国空间站工程的研制、建造和运营将是持续20多年的过程。要立足这一基本国情，服务国家发展战略目标，系统、全面、深入地开展工程总体方案论证和设计工作。

空间站工程总体方案要围绕建设具有中国特色和时代特征的中国空间站这一宏伟目标，坚持以下基本原则：符合中国国情，有所为、有所不为；规模适度，留有发展空间；具有突出的中国元素和核心内涵；具有与我国不断增强的大国地位相匹配和适应的能力，体现国家发展的战略目标，创新驱动发展;追求技术进步，充分采用当代先进技术建造和运营空间站，全面掌握大型空间设施的建造和操作技术；注重应用效益，在空间站应用领域取得重大创新科技成果;追求运营经济性，走可持续发展的道路。

我国空间站包括核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ，通过交会对接和舱体转位组装构成空间站基本构型。运行轨道为倾角42°~43°，高度340km~450km的近圆轨道。设计寿命10年，并具有通过维护维修延长使用寿命的能力。额定乘员3人，可以适应2人或无人值守飞行。建造期间，航天员乘组采用间断方式访问空间站；建造完成后，采用乘组轮换方式，实现航天员长期连续在轨生活和工作，轮换时最大可达6人。配置舱外机械臂等设备，协同航天员完成舱外建造、维护维修，以及舱外载荷操作任务。空间站核心舱和两个实验舱均由长征五号B运载火箭在海南发射场发射。

空间站由神舟载人飞船完成航天员乘组和部分物资的天地往返运输，由货运飞船运输补给物资，下行销毁废弃物。载人飞船由长征二号F运载火箭在酒泉航天发射场发射，货运飞船由长征七号运载火箭在海南航天发射场发射。由陆海天基测控通信网完成空间站、载人飞船和货运飞船以及相应运载火箭的测控通信。载人飞船仍返回至现有着陆场。

空间站建造完成后，进入运营和管理阶段。该阶段的主要任务是：开展长期、持续的载人航天活动和空间科学研究、空间应用、技术试验等活动，充分发挥空间站应用效益;根据空间科学研究、空间应用和国际合作的需要，进行空间站扩展和载荷更换;对空间站进行维护维修和评估，延长使用寿命。

（一）空间站基本方案（1）总体构型。采用水平对称T形构型作为空间站三舱组合体基本拓扑结构，所有舱段均位于组合体当地水平面内。空间站核心舱前端指向飞行方向。核心舱前端设置节点舱，节点舱对地方向和轴向前端各设置1个对接口用于载人飞船与空间站对接和停靠。在核心舱后端轴向设置1个对接口用于货运飞船对接和停靠。节点舱左右方向各设置1个停泊口，分别用于实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ的长期停靠，对天方向设置供出舱活动用的出舱口。空间站基本构型如图1。

(图1 空间站基本构型)

以核心舱为主，统一控制和管理空间站组合体。核心舱的节点舱在空间站建造初期和技术验证阶段兼做气闸舱，在空间站建造完成后，用做备份气闸舱。以核心舱的密封舱为主配置航天员生活设施。核心舱还具有一定的有效载荷实验能力。

实验舱主要用于从事空间科学实验、空间应用和空间技术实验。

实验舱I由密封舱、气闸舱和资源舱构成。密封舱除科学实验外，还用于存放航天员消耗品和补给货物，备份空间站核心舱部分平台功能。

实验舱II由密封舱、多功能巡天光学设施非密封舱和资源舱构成。

（2）空间站建造

空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完成建造。首先，实验舱对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过舱段转位操作，将其转移到节点舱II、IV象限，与节点舱刚性连接，构成三舱基本构型。实验舱I和II配置交会测量设备、主动式对接机构和转位机构。核心舱节点舱配置被动式对接机构和供舱段转位用的基座，转位过程包括舱段分离、转位、再对接三个过程。实验舱转位主要采用转位机构实现，也可由机械臂操作完成。

在没有类似航天飞机的大型运输工具情况下，利用舱段交会对接和平面转位方式完成积木加局部桁架混合构型大型空间站的组装建造，在货运飞船、航天员和机械臂支持下，可完成类似国际空间站的复杂舱外建造和操作活动。我国空间站总体构型和建造模式区别于和平号空间站和国际空间站，具有显著的中国特色，是一种创新的发展思路，是大型空间设施建设的更为经济、合理的建造方式。

（3）空间站环境控制和生命保障

采用再生生命保障系统，实现资源再生利用。再生生命保障系统包括电解制氧、再生式二氧化碳去除、微量有害气体再生式吸收、冷凝水收集与处理、尿液收集与处理等设备。统一由核心舱进行密封舱气体成分、压力、温湿度控制，以及水回收管理、微生物控制和废弃物管理。配置一定数量非再生生保物品，供应急情况下保障维修时使用。

再生生保技术将较好地实现资源再生利用，大幅降低货运保障需求。我国空间站资源再生利用水平要达到与国际空间站相当的技术水平。空间站运营期间，还将发展二氧化碳还原技术和其它生活垃圾处理和再利用技术，进一步提高物资再生循环利用水平和效率。远期还将研究受控生保技术，探索更先进的资源循环利用技术，为载人深空探测和建立月球和火星基地储备技术。

（4）空间站电源

空间站电源系统设计必须确保供电可靠、安全和长寿命，并为开展多领域科学技术实验提供比较充足的供电支持，还具有一定的冗余能力。

空间站电源系统采用转换效率30%以上的三结砷化镓电池片以及先进的锂蓄能电池。核心舱采用单自由度柔性太阳电池帆板，提供核心舱单舱飞行时的能源供应，实验舱采用两自由度柔性太阳电池帆板，通过驱动机构实现对日定向。太阳电池帆板可维修和更换。空间站各舱之间电源并网，统一供电，并向停靠的载人飞船和货运飞船提供一定功率的电能。采用100V全调节母线体制，具备独立运行和组合体并网运行两种工作模式。

电源系统设计难点在于需要综合考虑发电效率、舱段构型、运输条件、飞行姿态与控制、遮挡效应、维修更换、长寿命、高可靠等复杂因素，是空间站方案设计中的关键技术之一。充分利用系统设计方法和现代能源技术的最新成果，我国空间站电源系统的综合性能和效率指标将超过其它空间站。

（5）空间站动力与控制

采用控制力矩陀螺为主，喷气控制为辅的控制方式进行空间站姿态控制，空间站姿态稳定度指标为0.005°/s。根据不同的构型，采用惯性飞行、力矩平衡飞行和对地定向飞行三种姿控方案，减少喷气卸载导致的推进剂消耗。建造完成后的正常构型状态下，姿态控制不消耗推进剂。空间站发动机统一配置设计，协同工作，综合利用各舱段以及停靠货运飞船的动力系统，提高动力系统冗余度、可靠性和寿命。

首次在空间站上采用电推进技术，补偿大气阻力的影响，大幅降低轨道维持的推进剂补给需求。采用先进的交会控制技术和实验舱电源二次展开技术，解决安装大面积太阳电池帆板的实验舱近距离交会控制问题。

（6）空间站信息系统

采用当代信息技术的最新成果，统一构建空间站信息系统。根据信息来源、种类分类管理。设置系统网、通信网和载荷网。空间站舱内、舱外均配置无线移动通信网络和视频监视系统，提高航天员生活、工作的通信保障支持能力和对舱内舱外状态的感知能力。利用信息并网技术，进行空间站各舱段及来访航天器的信息管理与共享，以及利用相关设备进行冗余重构。空间站信息传输与测控采用天地一体化设计，对地链路采用S频段统一载波（USB）测控体制。各舱段测控通信设备统一调度，在各种飞行姿态下，均可保障测控通信覆盖率，提高天地通信和数据传输能力和效率，提高天地交互能力。设计自主健康管理系统，提高空间站健康管理水平，降低航天员站务管理和地面运营管理工作负荷。

（7）空间站出舱活动和舱外操作

在神舟七号出舱活动舱外服技术基础上，研制新一代飞天舱外服，提高环控、电源、通信保障能力、航天员操作作业工效和舱外持续工作时间，提高可靠性和安全性，以全面满足空间站建造、维修维护的需求。舱外航天服支持航天员舱外工作能力与国际空间站舱外航天服相当。

核心舱配置大型机械臂1个，实验舱配置小型机械臂1个。两个机械臂可独立或协同工作，也可组合为一个机械臂，扩大作业范围。机械臂可完成舱段捕获、转移、设备安装、维修、更换、载荷操作、航天员辅助转移及舱外状态监视等任务。此外，还配置有专门用于舱段转位的转位机构。

舱外服、气闸舱、机械臂、舱外操作工具和出舱活动辅助设备等，共同支持航天员完成舱外移动、建造、操作、维护维修等任务，保障人在空间作用的充分发挥。在航天员、机械臂、舱外服以及货运飞船支持下，可达到与国际空间站相类似的复杂空间操作能力，可完成如舱段捕获转移、帆板转移安装、舱外载荷和设备的维修和安装等复杂舱外建造任务。

（8）航天员生活与工作保障

空间站是航天员在太空长期生活与工作的场所，也是研究保障人在太空长期健康生活和有效工作的最佳平台。本着“以人为本”的理念，充分考虑声、光、电、热、辐射、气体等空间环境，以及工效、心理、美学因素的影响，空间站要为航天员提供宜居的生活环境，配置丰富的锻炼、娱乐设施和医监医保手段，提供全面的医学监督和医学保障，保障航天员长期健康生活和有效工作。

空间站配置3名乘员长期生活设施，并提供轮换期3名航天员临时生活设施，包括饮水就餐、个人卫生、排泄物和生活垃圾收集处理等，航天员自由活动空间约90立方米。密封舱内气体环境采用与地面相同的氧氮混合气体和压力体制，采用降噪与隔音设计降低舱内噪音，航天员工作和生活区的噪声环境按优于和平号空间站和国际空间站噪声环境设计和控制。

采用现代先进技术，空间站为航天员提供便利、可靠、自动化程度高的显示、照明、报警和操作设施，配置各种工具、限位、定位装置和天地交互手段，保障航天员高效工作，完成站务管理、建造、维护维修、物资转移、舱外操作、科学技术实验等操作任务。

采用自动化和地面遥控为主管理平台和载荷设备，显著降低航天员日常管理负荷，更多地发挥人的创造性、自主性和应急处置能力，提高人在空间作业的效率和效能。

（9）空间站扩展

空间站建造完成后，要运营10年以上，应具备良好的舱段扩展、能源扩展和应用支持扩展能力，以适应可能产生的新的重大科学研究需求。扩展能力必须在方案设计阶段统筹考虑。

在现有三舱构型基础上，预留机电热等扩展接口，具有对接新舱段的能力。空间站可接纳符合我国空间站标准的他国航天器访问，也可在航天员和机械臂协同配合下，在空间站上安装舱外实验平台或实验设备。

舱段扩展，需要发射一个带有节点舱的新舱段。例如，再对接一个核心舱形成四舱结构，既可以满足扩展需求，又可以增强空间站关键系统的备份能力，同时不必专门研制新的舱段。在四舱扩展构型的基础上，利用增加的对接口，可进行舱段扩展，增加新的舱段。

空间站能源扩展的一个优先方案是将核心舱太阳电池帆板转移安装在实验舱I和II尾部桁架上，沿实验舱轴向方向展开。该方案优点是可以将空间站资源有效重组利用，无其它形式能源扩展带来的上行运输需求。能源的进一步扩展应与舱段扩展统筹考虑，分步实施。

核心舱、实验舱I和II预留舱外实验平台、载荷挂点及接口，用于运营阶段扩展舱外实验能力。

利用上述3种扩展方式，空间站最大可增加1个核心舱、2个科学实验舱、4个大型舱外暴露实验平台，并可在舱外外挂大型实验载荷。扩展后的最大规模可达180t，长期乘员人数3~6人。空间站扩展构型如图2所示。图中A、B、C舱为扩展舱段。

(图2 空间站最大扩展构型)

我国空间站采用模块化扩展方式，预留扩展接口和扩展支持能力，为运营阶段留下了灵活的发展空间。可以根据空间科学和技术发展的新需求，灵活选择，适时进行。扩展能力也为开展国际合作，扩大空间站应用能力，进一步提高空间站应用效益提供了发展空间。扩展后的规模仍在较佳范围，总体上与国家经济实力相符。

3.2 载人飞船和货运飞船

载人天地往返运输系统是航天员往返空间站的运输工具，最重要的是确保可靠和安全。我国空间站由神舟载人飞船往返运送航天员乘组和少量物资，技术状态不变。

航天员访问空间站期间，载人飞船停靠空间站，供航天员正常和应急返回。正常情况下，载人飞船在入轨后2天内与空间站对接，最长可停靠180天，撤离后返回舱在1天内返回现有着陆场。载人飞船对接端口为节点舱轴向和径向端口，必要时，也可对接在核心舱后端口。

货运飞船直径为3.35m，上行货物运输能力6500kg，下行销毁废弃物能力6000kg。货运载荷比达46%。国外相同规模货运飞船载荷比分别为:欧洲航天局ATV载荷比为36.58%，日本HTV载荷比为37.5%。

货运飞船由货物舱和推进舱两舱组成。货物舱用于装载和存放乘员用品、实验载荷等。考虑到空间站舱外建造需求，货运飞船采用模块化货舱设计，与推进舱组合，适应补给物资、舱外大型载荷、实验平台等的运输需求。货物舱有全密封、半密封和全开放三种形式。货运飞船还具有支持科学技术实验的能力，从而可以利用保障货物运输以外的剩余上行运输能力完成科学实验任务，提高飞行试验效益。货运飞船构型如图3。

(图3 货运飞船构型)

具有密封、半密封和全开放三种货舱构型的货运飞船，能够进行空间站各类补给品和设备的上行货物运输、推进剂补加，也可以运输太阳电池帆板及暴露实验平台等大型舱外设施设备，必要时可以运输小型舱段。强大的货运能力可为空间站建造、运营和扩展提供有力支持，显著提高空间站舱外建造和扩展能力。货运飞船还具有组合体轨道控制能力。

货运飞船载荷比高，采用创新的多模块组合式货运方案，为我国空间站实现复杂的舱外建造活动提供了有力支持和广阔空间，将成为除已退役的美国航天飞机以外世界上功能最为完整、效益最高的货运系统。

3.3 运载火箭

采用长征二号F载人运载火箭发射载人飞船，技术状态不变，低轨运载能力约8.1t。

研制长征七号运载火箭用于发射货运飞船。火箭芯一级直径3.35m，捆绑4个2.25m直径助推器，分别安装2台和1台120t级液氧煤油发动机。芯二级直径3.35m，安装4台18t级液氧煤油发动机。该火箭设计了货运和载人两种状态，先期研制货运型。货运状态火箭总长约53m，低轨运载能力约13.5t。载人状态火箭总长约59m，低轨运载能力约13t以上。以其为基本型，可衍生出我国新一代中型运载火箭系列，成为未来中国运载的主力系列运载火箭。

在长征五号运载火箭基础上，研制长征五号B运载火箭，用于发射空间站各舱段。火箭芯级直径5m，捆绑4个直径3.35m助推器，芯级安装2台50t级液氢液氧发动机，助推器各安装2台120t级液氧煤油发动机。全箭长约54m，整流罩直径5.2m。长征五号B运载火箭近地轨道运载能力25t，与目前国际上主流大型运载火箭能力相当。目前国际上在役的大型运载火箭运载能力分别为：美国“宇宙神”5火箭25t，“德尔它”4火箭23t，欧洲“阿里安”5火箭21t，俄罗斯“安加拉”火箭24.5t，日本H-2A火箭19.5t。

长征五号B运载火箭和长征七号运载火箭均按照“通用化、组合化、系列化”要求设计，采用性能先进的低温发动机、无毒环保的推进剂，助推与芯级发动机联合摇摆控制，火箭控制系统采用系统级冗余和总线技术。两种新一代运载火箭的可靠性、运载能力、入轨精度等主要性能将大幅提高，并将使我国具有与世界航天大国相同的进入近地空间的运载能力。

3.4 空间站工程应用

我国空间站应用将突出有人操控和空间站大平台特点，充分借鉴国际成功经验和教训，瞄准空间科学技术前沿，兼顾科学探索和空间资源开发需要，坚持创新驱动原则，推动原始创新。在空间科学研究领域，力争在科技前沿探索中取得一批具有国际影响的重大成果，推动我国空间科学的一些重要领域进入世界先进行列；在空间技术领域，开发和试验一批前沿核心关键技术，为未来我国航天技术发展、载人深空探测和空间应用提供有力支撑；在航天医学领域，瞄准航天医学发展的制高点，解决制约长期载人航天飞行的主要医学问题；在空间应用方面，在某些领域取得重大应用效益，为国家经济社会发展做出贡献。

综合各方面的应用需求，考虑空间站支持能力，空间站主要科学研究和应用方向为：航天医学、空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理学、空间环境与空间物理、航天元器件与部件、空间地球科学与应用、天基信息技术、航天新技术和空间应用新技术等。

我国空间站可开展密封舱、非密封舱和舱外3类科学技术实验。

空间站设计突出服务空间科学研究和应用的目标，提供良好的有效载荷工作环境、充足的电力供应、强大的信息和操作支持能力以及机、电、气、热等保障条件。空间站密封舱内可开展航天医学和材料、生物、物理、流体等空间科学实验；密封舱外可开展对地观察、天文、地球和空间环境、信息、空间技术等各类科学技术试验。

空间站以建成国家太空实验室为目标，将为我国和全球的科学家提供先进的空间科学技术研究和实验平台，为空间科学和应用领域取得重大成果创造良好条件。可望在物理学、天文学、材料、生物等科学领域，以及对地观测、信息、航天等技术领域获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果。

3.5 空间站工程地面支持系统

采用现代信息技术构建性能先进、以天基为主的陆海天基测控通信网，具备正常、应急和救援的测控通信支持能力和飞行控制能力，可满足空间科学技术实验的要求，具有高可靠、高安全、高覆盖率的特点。

酒泉发射场和新建海南航天发射场负责完成空间站工程三种火箭、四类航天器的测试发射任务，技术勤务保障能力强大，满足正常、应急、高密度和高可靠的发射需求。

着陆场系统在交会对接任务阶段基础上，着重提高在载人飞船执行航天员长期访问空间站任务中正常和各种应急返回情况下的航天员搜救能力和搜救效率。

空间站工程的实施，将使我国航天发射和测控通信地面系统功能更加完整、性能更加先进，并为空间站可靠运行提供良好的保障条件，为我国航天技术持续发展进步奠定良好的基础。

▍空间站工程的国际（区域）合作

从世界载人航天发展进程看，国际合作是必然的趋势。美国通过与俄罗斯的合作，以较低的成本，迅速掌握了空间站建造、运营技术，为国际空间站的成功奠定了坚实的基础。由于有俄罗斯飞船的支持，国际空间站在“哥伦比亚”号航天飞机失事后，能够维持正常运行，保障了后续建造任务的顺利完成。同时，美国通过空间站的国际合作，节省了大量资金，并在世界载人航天中进一步巩固了领先地位；俄罗斯也通过与美国及其他国家的合作，维持了其航天研制生产能力，使其航天工业渡过了最困难的时期。

未来的载人火星深空探测，由于其技术复杂性和巨大投入，任何一个国家都难以独立承担，国际合作方式可能是最好的选择。

我国政府一贯主张和坚持和平开发和利用太空的基本原则。我国空间站工程将积极开展国际和区域合作，欢迎各国航天机构和科研机构参与我国空间站的研制、建设和科研活动。通过国际合作，为全球科学家提供一个共同开展科学研究和探索的高水平空间平台，共同分享研究经验和成果，增强互信，共同促进人类文明发展和进步。

通过吸纳其它国家和地区参与我国空间站建造或应用，可以学习、借鉴国际载人航天领域成熟经验和先进技术，提高研制起点，降低研制风险;提升空间站在空间科学研究与应用、航天医学等方面的应用水平，促进科学技术发展，提高空间站综合应用效益。

我国空间站预计于2020~2022年间建成，按照目前各国载人航天计划，届时，有可能成为国际上唯一在轨运行的空间站（编者注：国际空间站原定在2024年退役，但近年又延期到2028年）。空间站工程的国际合作可以采用舱段合作、接纳他国飞船访问、航天员联合飞行、空间国际救援，以及合作开展空间科学和空间应用研究等方式。

舱段合作主要有两种途径，一是对接国外独立研制的科学实验舱，二是对接与其他国家合作研制的科学实验舱。舱段合作是最具影响力的空间站国际合作形式。我国空间站在基本构型建造完成后，具备再扩展3个舱段的能力。

国外独立研制舱段应具备自主交会对接能力，满足我国空间站有关标准、规范和接口要求，可由其自行发射，也可由我国的运载火箭发射。不具备交会对接能力的小型舱段还可由我国货运飞船上行运输，并由机械臂和航天员将其组装到空间站指定位置，此类舱段质量可达5000kg，包络可达直径3m、长4.5m。合作研制舱段由我国运载火箭在境内发射。

与具备丰富的载人航天飞行经验国家合作，通过航天员联合飞行，结合空间应用与航天医学等项目的合作研究，共同开展对空间资源的开发与利用。此外，可以利用我国的航天员选拔训练体系和基础设施，为我国港澳台地区和其它国家选拔训练航天员，并提供飞行机会，共同推动载人航天发展。

空间国际救援是国际人道主义精神体现的新领域和新形式。空间国际救援主要考虑两方面，一是我国飞船救援国际空间站，二是我国空间站接受他国飞船的救援。救援目的包括载人飞船对空间站驻站人员的紧急救援以及货运飞船对空间站平台的救援，包括提升轨道，紧急补给物资等。

目前国际空间救援的主要技术壁垒在于交会对接接口，需要相互适应的、统一的技术标准和规范，这在技术上是可以解决的。目前需要的是相互间强烈的合作愿望。

在空间站上，最广泛的国际合作将体现在科学研究、空间应用和空间技术试验项目方面的合作，以及搭载国外（区域）有效载荷。合作可以扩大我国空间站应用领域和范围，提升我国空间站应用水平和应用能力，进一步发挥空间站综合效能，扩展国家太空实验室的作用，促进世界科技进步和人类文明发展，使我国在空间科学研究方面能逐渐形成引领作用。合作的方式包括共同研制有效载荷、搭载国外有效载荷、发布关系全球资源环境重要数据、共享应用成果等。空间站应用合作主要在空间站上实施，部分项目也可以利用货运飞船进行。

同时，空间站工程充分重视我国港澳台地区的空间科学研究和应用需求，积极支持其科研机构参与空间站科学研究与应用活动。

▍研制和飞行任务安排

空间站工程分为空间实验室和空间站两个阶段实施。

空间实验室阶段研制并首先发射天宫二号（TG-2）空间实验室，然后发射神舟十一号载人飞船和货运飞船与其对接。在神舟十一号任务中，安排航天员进行中期访问，开展维修试验和多项微重力相关的科学实验，并进行柔性太阳电池基板搭载试验。首发货运飞船将对天宫二号进行推进剂补加，并完成部分关键技术的飞行验证。

空间站阶段分为关键技术验证阶段、建造阶段和运营阶段。关键技术验证阶段发射试验核心舱，并发射多艘载人飞船和货运飞船访问试验核心舱，验证航天员长期驻留、再生生保、柔性太阳电池翼和驱动机构、大型柔性组合体控制、空间站组装建造、维修和舱外操作、空间应用等空间站建造核心关键技术。

空间站关键技术验证任务完成后，对试验核心舱进行评估。若满足在轨建造空间站条件，则直接以其为空间站核心舱，进入建造阶段。分别发射实验舱I和实验舱II与之对接，完成空间站建造。其间将发射多艘神舟载人飞船和货运飞船，支持完成建造任务，并同步开展科学技术实验。若试验核心舱不满足在轨建造空间站条件，则在完成改进完善后，发射新的核心舱，进行空间站建造。

空间站建造任务完成后，进入长期运营和管理阶段。航天员乘组将分批长期驻站生活和工作，开展科学技术研究和探索活动。该阶段将根据新的需求，进行空间站扩展，以及空间站应用载荷的更换。

我国空间站工程采用了利用天宫二号空间实验室和货运飞船验证推进剂补加技术，利用试验核心舱验证空间站组装建造关键技术后，进入空间站建造阶段的总体技术路线。这样的安排充分考虑了我国航天技术的现有基础能力，体现了研制、飞行验证和建造任务循序渐进、稳妥可靠、积极跨越的发展战略思想。

▍结论

载人航天的可持续发展要求其规模与国家经济实力和科技实力相适应。载人空间站的规模越大，其系统越复杂，建造和运营投入越高，风险越大。分析和总结和平号空间站和国际空间站的经验和教训，在当前航天技术水平和空间科学需求条件下，3人长期飞行、100吨级是我国空间站适度且较佳的规模，其建造和运营性价比相对较优。我国空间站以三舱作为基本构型，通过组装建造和初步运营后，将全面系统地掌握空间站技术，使我国形成建造和运营长期大型复杂载人空间设施的能力。

我国载人空间站工程总体方案构想，是在综合考虑载人航天和空间科学持续发展需要，以现有载人航天科研生产能力为基础，以创新发展为目标，经过充分论证后提出来的。积木加局部桁架的空间站构型和多功能货运飞船的创新概念，形成了独特的空间站建造模式，使我国在相比国际空间站耗资小得多的情况下，可以比较全面地掌握大型复杂载人空间设施的建造技术，丰富和发展了空间站技术。我国空间站工程规模适度，具有较强扩展能力，将充分利用现代电子、信息、能源技术的最新成果，高度重视空间站应用效益，注重采用新技术大幅降低运营补给需求，突出了创新、跨越、可持续发展的理念，能较好满足载人航天技术发展和空间应用方面的需求。充分体现了中国特色，具有鲜明的时代特征。

可以预期，我国空间站工程建成后，在控制、信息、电源、资源再生利用，物资补给需求，运营成本，应用效益等方面均将达到当代国际先进水平并在一些方面有所超越，在建造和运营上更为经济合理。总体上，将代表未来空间站发展的重要方向。

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本文原载《载人航天》2013年第1期，原题为《我国空间站工程总体构想》。欢迎个人分享，媒体转载请联系版权方。

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