你好！“天和一号”，中国规模最大系统最复杂的航天器

北京时间2021年4月29日11：23，搭载“天和一号”核心舱的“长征五号B”遥二运载火箭，在文昌发射场发射升空，核心舱顺利进入预定轨道，为中国空间站的建造建立了基础与核心。

截至2022年4月29日，“天和一号”核心舱（以下简称“天和”或“天和”核心舱）已经飞行了一周年，这是我国目前规模最大系统最复杂的航天器，在空间站关键技术验证阶段经历了一段丰富多彩而充满技术含量的太空之旅！

大火箭提供大舞台，我国规模最大的航天器

所谓运载火箭能力有多大，太空探索舞台就有多大。在中国航天史上，运载火箭的运力一直是航天发射规模的约束条件。上世纪，我国低轨运力最强的是“长征二号E”运载火箭，其近地轨道（LEO）运力为9.2吨，这个运力直到“长征七号”火箭才被超越，后者LEO运力达到了14吨。2020年“长征五号B”火箭在文昌发射场成功首飞，其LEO运力达到了25吨，将我国低轨航天发射能力提升了一大步，为“天和”核心舱的发射提供了前提条件。

“天和”核心舱负责中国空间站组合体的控制和管理，总长16.6米，舱体最大直径4.2米，由节点舱、小柱段、大柱段、后端通道及资源舱组成，其起飞质量达到了22.5吨，是目前我国自主研制的规模最大的航天器。而就在“天和”发射的1年之前，“长征五号B”遥一火箭发射了新一代载人飞船试验船深空版，其起飞质量也达到了21.6吨，略逊于“天和”核心舱。

航天飞机之后世界质量最大的航天器

2011年7月21日美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机在佛罗里达州肯尼迪航天中心着陆，世界航天告别了航天飞机。自那以后，世界范围内20吨级的载荷发射次数并不多，包括欧洲ATV自动货运飞船，起飞质量约20吨；美国“猎户座”飞船，其深空版起飞质量可达25吨，但是2014年首飞只配备了模拟服务舱，返回舱的质量为12吨；中国新一代载人飞船深空版，起飞质量21.6吨；俄罗斯“科学号”实验舱，起飞质量20.3吨，这些都不及“天和”达到22.5吨的起飞质量，后者是美国航天飞机退役之后质量最大的航天器。

此外，21世纪以来，除了美国的航天飞机，“天和”核心舱是世界发射升空的质量第二大的单体航天器，第一大单体航天器是国际空间站美国“命运号”实验舱（destiny laboratory module），发射质量达到了24吨 [1]，由美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机于2001年2月7日发射升空，对接于“团结号”节点舱（unity node module）。

庞大的系统工程！我国系统最复杂的航天器

巨大的体量是外在，为太空探索提供了舞台，复杂的系统设计是内核，支撑了众多的空间应用，“天和”核心舱是一个精致的“大个子”。

规划了丰富的功能区。舱内配置有工作区、睡眠区、卫生区、就餐区、医监医保区、锻炼区以及物品存放区等，其中工作区分布于大柱段和节点舱，睡眠区和卫生区分布于小柱段，就餐区分布于大柱段，锻炼区在大柱段和小柱段均有分布，物品存放区则位于后端通道上，系统而完备的功能区设计，为航天员工作和生活提供舒适良好的保障条件。

设计了能力强大的分系统。和运载火箭一样，“天和”核心舱由多个各司其职的分系统构成，包括推进系统、热控系统、测控通信系统、结构和机构系统、数管系统、GNC系统、总体电路系统、环控生保系统、航天员系统、舱外服系统、载荷任务管理系统、网络管理、核心处理、数管综合管理等众多分系统，而每一个分系统又拥有一个复杂而完备的结构，“天和”核心舱的复杂程度会超乎大部分人的预料。

以热控分系统为例，这是空间站控制冷暖的“大管家”，该分系统主要分为主动热控和被动热控两大部分。其中，主动热控主要由流体回路子系统、信息控制子系统和仪器区通风子系统三个部分组成。流体回路子系统在空间站周身设置了内含特殊液体的管路，并在舱外安装了用于散热的热控辐射器和提供流体动力的扩展泵组，该子系统主要分为外回路、低温内回路、中温内回路。如果把整个流体回路子系统比作中央空调，外回路就相当于空调的室外机，低温内回路、中温内回路就相当于室内机，低温内回路主要为航天员服务，负责冷干降温和除湿及再生生保设备散热，温度在露点以下；中温内回路主要为设备服务，负责带走密封舱大部分设备热量，并将热量引到舱壁需要补热的部位，进行热量的综合利用，保持温度错开露点，这样就避免了舱内出现大面积结露点。

除了流体回路子系统外，主动热控还包括仪器区通风子系统、信息控制子系统，仪器区通风子系统采用的是风冷，用于一些不方便通过流体回路子系统散热的设备，通过吹风散热，相当于装了一些“风扇”。信息控制子系统是主动热控的“大脑”，可以采集数据、控制各种泵、阀等机电产品，并负责整站的测温、控温等工作，同时，信息子系统还可以自主发现并处理流体回路子系统的故障，实现了空间站主动热控的自主健康管理。

与主动热控平行，热控分系统还包含被动热控，这主要分为密封舱外壁和密封舱内壁两个部分，其中密封舱外壁包括热控材料、涂层、热辐射器等，比如白色多层隔热材料，舱外发动机区域的高温隔热屏（用于防护高温羽流）；密封舱内壁则包覆着保温泡沫，防止低温壁面出现结露。

“管中窥豹，可见一斑”，一个热控分系统都如此复杂，由众多分系统组成的“天和”核心舱则是一个十分庞大的系统工程，也是目前我国系统最复杂的航天器。

来自“天宫”的浪漫，在近地空间“搭积木”

在整个关键技术验证阶段，“天和”核心舱先后迎来了“天舟二号”货运飞船、“神舟十二号”载人飞船、“天舟三号”飞船以及“神舟十三号”飞船，经历了6种组合体构型、8次交会对接、3次分离撤离。

在“天和”发射入轨时，处于最简单的单舱结构（标记为组合体状态一）；“天舟二号”上行后对接于“天和”后向端口，形成轴向中后两舱组合体（组合体状态二）；“神舟十二号”上行对接于前向端口，形成轴向前中后三舱组合体（组合体状态三）；“神舟十二号”撤离下行腾出前向端口，恢复轴向中后两舱组合体（组合体状态四，构型同状态二）；“天舟二号”绕飞对接于前向端口，形成轴向前中两舱组合体（组合体状态五）。

“天舟三号”上行对接于后向端口，形成轴向前中后三舱组合体（组合体状态六，构型同状态三）；“神舟十三号”上行对接于径向端口，形成四舱“T”型组合体（组合体状态七）；“天舟二号”撤离下行，形成三舱“L”型组合体（组合体状态八）；“神舟十三号”撤离下行，形成轴向中后两舱组合体（组合体状态九，构型同状态二）；“天舟三号”绕飞对接于前向端口，形成轴线前中两舱组合体（组合体状态十，构型同状态五），合并同类项，在关键技术验证阶段“天和”共经历了6种组合体构型。

在关键技术验证阶段，“天和”先后迎来了“天舟二号”、“神舟十二号”、“天舟三号”、“神舟十三号”，各自上行时均需进行一次交会对接，同时“天舟二号”、“天舟三号”分别完成了一次从后向端口至前向端口的绕飞对接，此外，“天舟二号”在执行机械臂辅助舱段转位和手控遥操作试验时进行了2次交会对接，这一阶段“天和”共经历了8次交会对接，其中“天舟二号”独占4次。

在关键技术验证阶段，“天和”先后经历了“神舟十二号”、“神舟十三号”、“天舟二号”下行，完成了3次分离撤离。在短短一年时间里，“天和”经历了迎来4次、送往3次，进行了2次“让位”、2次试验，在10种组合体状态下经历了6种组合体构型，中国航天将“积木”搭到了近地空间。

顺利毕业！性能优于设计！

在轨一年，“天和”开展了物化再生生保、大型组合体控制、柔性太阳电池翼与驱动机构、机械臂技术、航天员出舱技术等多项关键技术验证工作。经评估结果符合预期，目前功能性能优于设计。

就在“天和”在轨一周年之际，4月29日中国载人航天工程办公室在北京组织召开了《空间站任务关键技术验证阶段评估报告》评审会，空间站任务关键技术验证阶段任务目标已全部实现，工程各系统已准备到位，具备转入空间站建造阶段条件。

中国空间站“天和一号”核心舱是一型“内外兼修”航天器，外在上作为中国规模最大的航天器为中国的太空探索提供了广阔的舞台，内在上作为中国系统最复杂的航天器为中国的太空探索提供了强大的工具。在繁忙的空间站关键技术验证阶段，“天和”是这一阶段工作的核心所在，迎来送往之间，空间站在“分分合合”中经历了多种组合体构型的转换，俨然在近地空间“搭积木”，并以高于设计的功能性能表现完美毕业。你好！“天和一号”，下个路口见！

作者：大白高国

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参考资料

[1]数据引自中国航天科技集团官网
http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4787/c829068/content.html

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