2020大型空間站的組成和特點



中國2020大型空間構型圖，根據目前規劃，2020大型空間站由1個核心艙、2個實驗艙組成，加上神舟載人飛船及貨運飛船，共5個模組。

在先後掌握了載人飛船和貨運飛船、空間對接與航天器長時間自主運行、太空人中期駐留等技術後，中國將在2017年以後開展大型、長期有人照料的空間站的建設工作，預計2020~2022年建成。但目前沒有對2020大型空間站計劃的詳細介紹，官方只公佈一些簡單的介紹。

由1個核心艙、2個實驗艙組成

空間站主要艙段將使用新一代的長征五號運載火箭發射，因此質量限制大爲放寬，空間站將由1個21噸核心艙和2個20噸級實驗艙組成，總發射重量超過60噸。空間站核心艙長18.1米、最大直徑4.2米，分爲節點艙、生活控制艙和資源艙，是太空人的主要活動場所，也是空間站的管理控制中心。核心艙的節點艙段擁有5個對介面，用於對接實驗艙和載人飛船，是空間站的聯繫樞紐，另外在資源艙尾部還有一個對介面，用於對接貨運飛船。兩個實驗艙長度均爲14.4米最大直徑4.2米，是開展空間實驗的主要艙所，也可供太空人臨時生活，其中實驗艙I還有部分控制功能。

各艙段具備自主飛行能力

類似於蘇聯的和平號空間站，中國的空間站各個艙段均爲獨立的航天器，具備自主飛行能力，這種設計增加了艙段本身的設計製造成本，從技術上說要遜色於國際空間站的設計。國際空間站俄羅斯的主要艙段具備自主飛行能力，但美國、歐洲和日本的艙段使用太空梭運輸並交大型機械臂安裝，本身沒有自主飛行能力。美國設計的CBM通用對接機構也更爲簡單，省去了自主飛行控制和精密對接機構的成本。不過從另一方面來說，具有自主飛行能力的航天器艙段雖然設計製造上較爲複雜和昂貴，但避免了使用太空梭這種複雜而昂貴的天地運輸工具，降低了整體的建設成本。

人類三個大型空間站對比



前蘇聯和平號空間站擁有量子1號和量子2號、晶體、光學和自然艙共5個功能艙，外加核心艙總質量約130噸，是中國未來空間站的2倍。



國際空間站擁有15個加壓艙段，外加桁架、4個大型太陽能電池翼以及其他設備總質量達到了空前的400噸以上。

人類歷史上前後有前蘇聯和平號空間站、國際空間站兩個大型、長期有人照料的空間站。

前蘇聯和平號空間站

和平號空間站是前蘇聯載人航太的巔峰之作，擁有量子1號和量子2號、晶體、光學和自然艙共5個功能艙，外加核心艙總質量約130噸，是中國未來空間站的2倍。但由於和平號使用較老的多艙空間站設計，布設太陽能電池翼上存在諸多不便，致使電力供應從來沒能滿足實驗艙的需求。

爲此，蘇聯解體前設計了和平2號空間站，與此同時，美國也開始規劃自由號空間站（後被國際空間站取代）。兩者都是太空梭建設的大型桁架式空間站，通過大型桁架充分滿足電力供應和非加壓載荷的挂載需求。

國際空間站

前蘇聯解體後，此前美蘇的太空爭霸轉變爲合作，美俄決定聯合建造國際空間站，同樣使用桁架式空間站設計。國際空間站規模龐大技術先進，不過整個系統也極爲複雜並且建設極爲依賴美國太空梭。國際空間站擁有15個加壓艙段，外加桁架、4個大型太陽能電池翼以及其他設備總質量達到了空前的400噸以上。國際空間站具有分屬美、俄、歐、日的4個大型試驗艙，可以滿足各類空間科學、天文與對地觀測以及空間生命科學和航太醫學需求。

中國未來空間站屬於“小字輩”

中國在2020年前後建成的大型空間站核心艙和兩個試驗艙總計約60多噸，加上1艘8噸級的神舟飛船和1艘13噸級的貨運飛船也不過是80多噸，這個質量不僅小於目前400多噸的國際空間站，也小於早已再入墜毀的約130噸的和平號空間站，甚至不如美國當年的空間實驗室重。

儘管在規模上有所不足，不過中國空間站艙段性能上並不遜色。而且中國的空間站僅需要長征五號發射3次即可完成基本建設，不會陷入國際空間站那樣早期10年大多數時間用於建設空間站以至於空間科研成果聊聊的尷尬。對比國際空間站的規模，中國自主建設獨立運行的空間站上兩個實驗艙足以滿足多數空間科學實驗的需求。未來中國多項空間科學尤其是天文觀測專案將以空間站爲載體實施。



波音747-400客機、國際空間站、和平號空間站與中國規劃中的未來空間站同比例比較。大型複合式空間站功能全面，同時也意味著建造開支、周期與風險的成倍增加。和平號空間站經歷蘇聯解體風波，歷時10年方才完工，國際空間站則經歷了更多的拖遝，兩者實際工程進度都比最初預計落後嚴重。但中國未來空間站則相對簡單，僅需3次發射即可完成建設，貫徹了經濟至上的原則。

中國空間科學研究水平較爲落後



中國航太工業最早也是起源於東風4號、東風5號遠端、洲際導彈的研製。圖爲早期長征2號運載火箭發射，這枚長征2號火箭箭體直接採用東風5號洲際導彈，而此時東風5號尚未完成研製。

空間站的主要作用是基礎科學研究

在談到載人航太工程時，有一點是常常爲人所忽略的，這就是我們建造空間站、發射載人飛船的目的究竟是什麽？

在載人航太發展之初，軍用是首要目的，美國和前蘇聯都曾設想過或實際應用過載人飛船進行對地成像、電子偵察。但隨著技術的進步，照相和電子偵察及其它軍用航太任務都可以由無人衛星去完成，載人航太逐漸演變成美蘇之間展示國力的政治性競爭。在前蘇聯解體後，美蘇合作建設國際空間站，載人航太的主要目的已轉變爲基礎科學性質的空間科學研究，主要是在空間站上進行前沿的空間科學實驗。

中國空間科學研究水平較爲落後

說到空間站專案的實際科學應用，中國空間科研的落後和能力的匱乏是無需諱言的。中國工業基礎薄弱工業水平較低，自身工業發展缺乏發展高端基礎科研的需求。這種形勢下中國缺乏對基礎科學研究的投入，同時長期以來缺乏對基礎科研價值的認識。空間科學研究作爲耗資巨大而收效緩慢的領域很難得到投資。

載人航太專案開始前，中國利用少數衛星進行了空間環境探測，如空間物理探測的實踐一號和實踐四號。此外還利用返回式衛星進行了空間生命科學、空間材料科學、空間微重力科學、航太新技術等一系列實驗，但多爲返回式衛星的富餘能力搭載、規模有限。在空間天文上，第一顆專用天文衛星硬X射線調製望遠鏡提出十多年但命運多舛直到今年才立項。可以說中國空間科學研究不論是空間環境探測還是空間天文，或是微重力條件下的空間材料、空間生命和航太醫學的研究上，對比發達國家都相對落後，尤其是相關載荷設備的技術水平有很大差距。

中國空間科學在人員上也有很大缺口，2007年國防科工委系統工程一司副司長張偉接受訪談時提到“空間科學研究人員數百人，與國外相比，隊伍規模明顯偏小”。

中國航太工業首要滿足國防需求

制約中國空間科研發展的另一個障礙是中國航太工業曾長期由國防部門分管，長期以來主要滿足第二炮兵的需求，一直到現在航太工業首要的目標也是滿足國防需求，對軍事任務毫無關係的空間科研專案興趣寥寥。而進行科研的中科院等系統本身資金有限而且更傾向投入自己掌握的專案，因此中國空間科研的落後也就不足爲奇了。

空間站爲中國空間科學發展帶來契機



神舟三號搭載的空間材料多工位元晶體生長爐，開展了二元/三元半導體材料、金屬/非金屬合金及非晶合金材料製備及其相關工藝的研究，爲開發新型材料提供了理論依據。



由於外太空輻射強烈、溫差變化激烈，航天器結構老化速度很快，所以國際空間站計劃於2020年退役。

神舟、天宮擁有更好的搭載能力

載人航太工程的啓動，爲中國追空間科學研究趕發達國家先進水平提供了一個很好的契機，因爲載人飛船、空間實驗室比起返回式衛星有著更好的搭載能力。在神舟一號到神州六號飛船任務期間，中國以空間探測和空間科學實驗爲中心開展了數十項科學課題研究，進行了以高層大氣爲主的空間環境探測，對地觀測、空間天文觀測，還進行了以空間材料科學、空間生命科學和微重力流體物理學爲主的數十項課題研究。

神舟二號的γ射線探測、神舟三號的多工位元晶體生長爐、神舟四號的微重力流體物理實驗室都取得了不錯的成果。神舟七號任務期間除了進行了出艙行走，還進行了伴星一號飛行實驗和固體潤滑材料空間暴露試驗。可以說，載人航太中的空間科學實驗擴展了中國空間科研範圍，提升了空間科研水平。

另外，神舟八號飛船任務中還將包括中國載人航太專案的第一個國際合作專案SIMBOX，這個空間微重力生命科學實驗專案�中德科學家合作將進行17項實驗，天宮二號任務期間還將進行國際合作的POLAR探測專案，用於γ射線偏振測量。中國在航太領域的優勢是載人飛船、運載火箭等航天器技術較爲成熟，並有較爲充裕的資金保障。所以，利用航天器平臺優勢來展開國際合作，是提升國內空間科學研究水平的一條捷徑。

國際空間站退役爲中國帶來契機

受政治因素影響，美國一直拒絕中國參與國際空間站專案，空間科學專案對外交流合作也受到限制。但國際空間站將在2020年退役，中國未來空間站卻計劃於2020年建成，這一時間上的巧合也帶來了契機。

美國在布希總統時代曾決定2014年左右放棄國際空間站，而國際空間站要到2011~2012年才能建成，屆時歐洲和日本的實驗艙只使用了幾分之一的設計壽命而已，更不要說他們發展的貨運飛船無處可去。現任美國總統奧巴馬因此決定延長國際空間站壽命到2020年，但這個時間點恰好與日本和歐洲設想的首次載人飛船發射時間衝突，歐日的載人飛船以後飛向何處去，將是個有趣的話題。

不管國際空間站是否進一步延壽到2025甚至2028年，由於艙體的老化，中國2020年後建立的空間站都將是一個很有競爭力的空間科學研究平臺。在手握核心資源的條件下，中國可以進行更廣泛的國際合作，在合作中也將得到更多的實際利益，神舟八號的SIMBOX專案將是中國載人航太工程國際合作的開端。

結語

中國運載火箭專家、工程院院士龍樂豪在接受採訪時曾表示，中國航太戰略發展的原則是安全第一、可靠爲要、經濟至上，航太發展要具備可持續性。可以說，中國載人航太工程很好地貫徹了這些原則。

按照目前規劃，中國2020大型空間站僅有3個艙段，總發射質量60多噸，與目前總發射質量400多噸的國際空間站相比，實屬小字輩，甚至不如前蘇聯在上世紀90年代建成的和平號空間站。但中國的空間科學研究水平較爲落後，目前來看，60噸級的空間站是夠用的。在國際空間站退役後，中國空間科學將迎來很好的國際合作契機，未來再發展出一個規模適度、注重應用的載人航太系統是可以期待的。