王翔

神舟十三號飛船上天后，中國空間站的核心艙和靠泊飛船會共同呈現為一個小型的T字構型。2022年，兩個實驗艙發(fā)射升空后，整個中國空間站就是一個大大的T 字構型。昔日建造空間站的遠景目標，今天正在開枝生葉。

構型，是指物體以特定的形式、圖案或組合構成某事物。這個在自然科學和社會科學里都有的概念，投射至航天領域，特指航天器的形狀與結構型式。大道有形，積厚成器。中國空間站為什么長成這樣，T字構型中蘊藏了哪些科學、技術與工程原理？驅動這個龐然大物的設計思想和使命又是什么呢？

航天器構型原則一：適配天地環(huán)境

有人問：科幻電影里的宇宙飛船奇形怪狀，為什么現實中全世界的航天器，有些看上去長得差不多，而有些又大相徑庭？

“看上去差不多”，是因為航天器作為飛出地球大氣層的空間探索平臺，面臨許多共同的約束條件。

在發(fā)射段，運載火箭通常通過整流罩對航天器進行防護。在整流罩圓錐加圓柱形的空間約束下，航天器的發(fā)射狀態(tài)是相似的，比如SpaceX 的星鏈，也得60顆一起組合成一根“大玉米”。

進入在軌飛行段，沒有了大氣，航天器的各種設備就可以根據工作需要伸展出來，航天器的形狀也因此“大相徑庭”。但有一點是相通的：為了使航天器易于運動控制，構型要保證主結構和質量分布盡量對稱、緊湊，以獲得好的質量特性。

到了著陸段，情況就不一樣了。對地球、火星這樣擁有大氣層的星球，氣動控制、防熱等“剛需”決定了著陸飛行器長得比較像，比如神舟飛船和嫦娥返回器，就是典型的鐘罩加球形底。而對月球這種沒有大氣層的星球，仍然可以像嫦娥著陸器、阿波羅登月艙那樣，根據各自功能需求，進行有棱有角的個性化設計。

航天器構型原則二：滿足功能和性能要求

航天器是要上天干活兒的，它承擔的任務在很大程度上決定了它的構型。

以形賦意的這一邏輯，典型案例來自載人飛船。

載人飛船通常有兩艙（密封的載人艙段+ 非密封的動力艙段）和三艙（密封的軌道艙或多功能艙段+ 密封的返回艙段+ 非密封的動力艙段）兩大類構型。作為三艙構型的代表，聯盟號飛船在研制之初，就是為頻繁執(zhí)行天地往返任務所做的設計。

在當時的研制條件下，正常及各種應急情況下的返回技術難度很大，氣動外形、熱防護、降落傘、著陸緩沖等技術的實現代價相對很大。最終，聯盟號采用的設計策略是：返回部分（實際也是應急救生時依賴的部分）盡可能小，以降低上述各項設計和產品實現的難度，提高返回著陸的可靠性。

因此，聯盟號飛船的返回艙是保證人的生存環(huán)境、具備返回氣動外形及返回著陸基本功能的最小配置。飛行期間，航天員可以到軌道艙獲得更舒適的活動空間，交會對接測量設備、對接機構等只有在天上才使用的設備也都配置在軌道艙，返回之前就分離扔掉了，不再占用寶貴的返回重量。三艙構型體現了載人飛船設計的均衡優(yōu)化，與早期兩艙設計的東方號、水星號等相比，有很大進步。

最近幾年，SpaceX 的“龍”飛船、波音公司的Starliner、洛馬公司的Orion以及我國已開展一次試驗飛行的新一代載人飛船，構型又都是兩艙。不過，此兩艙非彼兩艙。這幾款新飛船都采用了重復使用設計，而在重復使用的前提下，返回部分占比越大越經濟。不僅如此，這幾款飛船也都兼顧無人飛行時的貨運返回，更大的返回艙空間也有利于貨物裝載。

三艙還是兩艙，各艙占比多少，都取決于飛船的功能和性能要求;艙段布局，同樣體現了載人航天的設計思想。

仍以聯盟號飛船為例，三艙選擇“軌- 返- 推”還是“返-軌- 推”構型？考慮飛船在地面和低空的逃逸需求，返回艙布局在船箭組合體的最頂端更有利，即“返- 軌- 推”。但是，返回艙要保證航天員能夠進入軌道艙，并且能夠與空間站對接，就得在兩端開門。而若在返回艙大底上開門，在保證密封及返回防熱等方面，其安全性和可靠性遠不如封閉結構。因此，聯盟號定型為“軌-返-推”構型，同時將逃逸方案設計為逃逸火箭帶軌- 返組合體一起飛行，之后以俗稱“下蛋”的方式將返回艙單獨分離扔下來。

這樣做雖然增加了逃逸的重量和機構以及動作復雜性，但保證了每次返回時處于高溫迎風面的返回艙大底的安全可靠。權衡利弊后取舍，這種構型的代價是值得付出和可以接受的。

航天器構型原則三：保障重要設備在軌工作

天線、帆板、敏感器等重要設備，需要視場無遮擋。因此，在航天器的構型設計中，這些設備應當被布局在航天器幾何外形的端部或者其他對天、對地、對目標可視、無遮擋的部位，以方便設備的展開及工作。這是對航天器構型的硬約束。

載人航天器還要為航天員和大型設備創(chuàng)造好的工作條件。因此，空間站上的密封艙通常采用大尺寸圓柱形作為主體構型，好為航天員提供盡可能大的有效活動空間，也可容納大型試驗設備。國際空間站甚至打破常規(guī)，以突出于艙段外表面、近似閣樓的形式設計了穹頂艙。

今天，這個穹頂艙是國際空間站的宇航員喜歡待著觀察地球的“全景窗”。又因其突出于主結構之外，對空間站自身的觀察條件也遠優(yōu)于普通舷窗，穹頂艙在來訪飛行器對接空間站時，也被用作站上飛行工程師觀察和輔助機械臂操作的工位。

空間站特有的建造方式，讓三大原則更復雜

空間站由多個飛行器或結構件拼接而成，既要設計單個飛行器的構型，又要統(tǒng)籌在軌組合的整體構型;既充分考慮空間站本身，還要顧及來訪飛行器各種可能的對接形式。

對照前文所述三項原則，以及空間站作為多艙段組合體的特殊性，人類歷史上的空間站有什么代表性構型？這些構型成功嗎？

蘇聯的和平號空間站，是世界上第一個采用多模塊積木式結構構建的長期性空間站。整個空間站化整為零，各艙段功能各異、分期發(fā)射，在軌進行裝配，逐步擴展空間和功能，達到了單艙空間站無法企及的規(guī)模和能力。組成和平號的每個飛行器都有獨立的飛行能力，對接組裝后擁有既可獨立亦可并網的電源。各艙段通過節(jié)點艙連接，最終的組合體構型呈輻射狀。

和平號以多艙組合體提供了足夠大的設備安裝空間，通過分期上行配置了再生式的生保設備，解決了多種科學實驗及乘員長期駐站的需求;輻射狀構型保持了對稱緊湊的質量特性，且不影響交會對接和在軌飛行控制，進而保障了艙外天文和對地觀測設備的工作。

但是，部分在單艙段階段正常工作的設備進入組合體狀態(tài)后，工作受到了影響。影響最顯著的是太陽能帆板。由于輻射狀艙段的相互遮擋，無論何種姿態(tài)下，太陽能帆板的總受曬率都不高，導致整站的發(fā)電效率降低。有資料表明，由于相互遮擋，和平號組合體的帆板共損失了40% 的發(fā)電能力。與帆板的工作條件類似，用于各艙段散熱的輻射器也因受到幾何遮擋而效率降低。再把視線投向仍在天上飛行的國際空間站。它的前身從20世紀80年代初即開始論證，各種方案均以桁架為構型主體，桁架的個數、規(guī)模、形態(tài)及組成方法有所差異。最終方案采用了單桁架掛艙結構，以109米長的桁架結構為承載主體，在其中間部位掛載并拼接所有的密封艙段，桁架與艙段組合體近似呈十字構型，桁架兩端各配置兩對太陽電池翼。

這一構型的優(yōu)點是很多的：密封艙以飛行方向為主要的擴展拼接方向，有利于來訪飛行器的交會對接;桁架垂直于軌道面，兩端的太陽翼拉開了足夠距離，不僅安裝空間不受限，而且運行時相互之間，以及受艙段的遮擋影響很小，桁架上安裝的其他設備也能夠不受遮擋;桁架還實現了一個獨特的功能，配置了機械臂導軌，機械臂甚至航天員可以利用移動基座系統(tǒng)沿導軌運動，變換作業(yè)地點。

前者像朵綻放的花，后者像多段圓柱體和長條拼接的積木，這兩個空間站為什么構型迥異？因為建設手段不同。

和平號每個艙段要靠自己交會對接連上組合體，之后最多通過轉位機構改變對接口即在節(jié)點艙球體上的安裝角度，最終形成輻射狀的構型。而國際空間站的主體部分是由航天飛機運輸上天，利用機械臂輔助進行組裝，因此能夠組裝安裝桁架結構，并擴展沒有飛行能力的艙段。

2000—2007年，航天飛機完成了9次專門運輸桁架組件的飛行——大多數單次上天的桁架組件重量在14～16噸。另有兩次飛行，分別運輸加拿大臂-2及其導軌。有了機械臂的輔助，空間站構型擴展的約束小了很多，而且能夠在運輸之后“改變”構型。前文提到的國際空間站的穹頂艙，就是與寧靜號節(jié)點艙-3串列布置在航天飛機貨艙中發(fā)射上天，再用機械臂單獨安裝在寧靜號的側面，形成“凸出”的構型。

中國空間站三艙的模樣是怎么來的？

中國空間站以三艙段組合形成基本構型。從各艙段到組合體，它們的“模樣”都是系統(tǒng)功能驅動的結果：每個艙段構型設計必須滿足發(fā)射和獨立在軌飛行的要求，組合體則要作為完整系統(tǒng)形成有利于在軌長期工作的構型，并要有可行的組裝手段。

先看看每個艙段的構型。中國空間站三艙的模樣是怎么來的？

核心艙

天宮一號和貨運飛船都采用了大尺寸密封艙加小直徑資源艙的構型，資源艙外側安裝帆板和天線等需占據包絡空間的艙外設備。然而，中國空間站核心艙并沒有沿用這一思路，因為它有一個最重要的功能和約束條件——前后都得接納飛船和其他來訪飛行器對接。

前端是節(jié)點艙，后端也要有對接口和人員通道，因此只能將資源艙設計為直徑達到包絡上限的環(huán)形，“套”在密封通道之外。而對于密封艙部分，設計師將其分為大小直徑兩個柱段，帆板、中繼天線、機械臂等大尺寸艙外設備都布置在小柱段，從而使其加上了各種“外掛”后的外包絡仍在火箭整流罩允許范圍內。小柱段內部則不能布置大尺寸設備，用于航天員生活休息。

就這樣，核心艙演化出了大小尺寸密封艙加大直徑資源艙的模樣，同時各部分沿軸向形成節(jié)點艙-小柱段-大柱段-資源艙的順序?；谶@樣的排列順序及設備布局，發(fā)射時重量較輕的小柱段在上，有利于整體基頻和強度設計，減少結構重量;入軌后，航天員生活區(qū)能夠與工作區(qū)分開，相對安靜、私密并且離節(jié)點艙近，應急情況便于撤離。

實驗艙

實驗艙沒有前后對接的需求，只在一端對接即可。因此，實驗艙的資源艙采用了傳統(tǒng)的小尺寸“實心”布局，外部布置帆板、天線。

此外，兼顧到組合體構型，兩個實驗艙不僅尺寸、質量特性大體一致，從而獲得整體構型下較好的動力學特性，而且從布局上都采用了工作艙-氣閘艙-資源艙的順序。對接之后，氣閘艙成為所有密封艙組合的“端部”，發(fā)生意外時可以隔離而不影響其他艙段。

T字構型的安全、效率與未來拓展

各艙段的構型有理有據，艙段組合同樣不是隨意的。

由于中國空間站采用運載火箭發(fā)射各艙段入軌、上天后交會對接的建設方式，整體構型仍然得在“以節(jié)點艙為球心的輻射狀”構型上做文章。但我們沒有走和平號的老路，而是設計了中國特色的T 字構型。

三艙布于同一平面，形成T 字;兩個尺寸、質量特性大體一致的實驗艙對向布置，形成T 字的一橫;利用每個實驗艙自身近20米長的結構，結合各自資源艙末端配置的雙自由度太陽翼驅動機構，兩對大型太陽翼成為T 字一橫遠端的兩個“大風車”，不管空間站以何種姿勢飛行，都能照上太陽從而獲得高效的發(fā)電效果;兩個實驗艙的氣閘艙分別位于T 字一橫的端頭，正常工作泄壓或異常隔離時均不影響其他密封艙段構成連貫空間，保證了安全性。

作為T字那一豎的核心艙，在這個對稱關系中仍然保持著前、后、下三向對接的能力。后向對接貨運飛船，使得組合體可以直接利用貨運飛船的發(fā)動機進行軌道機動;前向、徑向兩個對接口不僅可以接納兩艘載人飛船實現輪換，而且保持正常三軸穩(wěn)定對地姿態(tài)時兩對接口都在軌道平面內，即可讓載人飛船在軌道面內沿飛行方向和沿軌道半徑方向直接對接，無須對接后再轉換對接口。對于航天任務流程而言，簡潔不僅美，更是安全。

動態(tài)的構型與設計的智慧

“設計不僅僅是外觀和感覺，設計就是其工作原理（Designis not just what it looks like and feels like. Design is how itworks）?！泵绹O果公司聯合創(chuàng)始人史蒂夫·喬布斯的這句話，筆者非常贊成。

像所有航天器，以及在地球上工作的設備和系統(tǒng)一樣，中國空間站的構型是設計出來的。設計，意味著它承載了特定的功能和使命，意味著它是在特定的眾多約束條件下取得的優(yōu)化解，意味著它凝聚了航天設計師在現有條件下創(chuàng)造最大價值的智慧。

當然，空間站的構型并非一成不變，而是在空間、時間兩個維度上動態(tài)發(fā)展：

實驗艙I對接上核心艙之初，兩艙空間站將呈大一字構型;實驗艙I 轉位而實驗艙II 尚未對接時，兩艙空間站為L 構型;實驗艙II剛對接上未轉位時，三艙空間站是橫向且不對稱的T 字構型……除去這些在建設過程中出現的臨時構型，中國空間站未來還可能在機械臂的輔助下進行擴展艙段的組裝，進而形成十字、干字等擴展構型。

看上去，它像變形金剛一樣不斷改換構型。然而，變化的過程和結果都來自設計，萬變而不離其宗。

人類空間站發(fā)展已歷4代。什么才是更好、更強大的空間站？簡單比較沒有意義，也沒有標準答案?；诋敶目茖W技術，滿足自身需求、契合自身能力，夠用、好用、安全、高效的空間站，就是我們中國人自主設計、正在建設的空間站。